OPTICKÉ PAMĚTI CD ROM. Rozdělení optických pamětí. Disk optické médium

Transkript

1 OPTICKÉ PAMĚTI Optické paměti využívají k záznamu informace vlastností světla. Na nosičích (discích) se vytváří místa, která světlo odráží nebo pohlcují. Tím se realizují dva fyzikální stavy odpovídající dvouhodnotovému záznamu. Na rozdíl od HDD, kde jsou plotny součást mechaniky, jsou nosiče optických pamětí přenosné a vkládají se do optických mechanik ODD (Optical Disk Drive). Rozdělení optických pamětí 1. Podle typu záznamového média a. CD (Compact Disc) b. DVD (Digital Versatile Disc) c. BD (Blu-Ray Disc) d. HD DVD (High Definition DVD) v současnosti již není téměř podporován 2. Podle možnosti zápisu / přepisu informace a. ROM (Read Only Memory) paměťové médium je určeno výhradně pro čtení. Informace je do paměťového média zaznamenána lisováním. b. R (Recordable) paměťové médium obsahuje speciální vrstvu barviva, do které lze informaci jednorázově zapsat vypalováním pomocí laseru ve vypalovací mechanice. Zapsanou informaci již nelze změnit ani vymazat. c. RW (Rewritable) paměťové médium obsahuje záznamovou vrstvu ze speciální chemické sloučeniny, která mění působením tepelné energie laseru svůj stav z krystalického (vysoce odrazivý) na amorfní (rozptyluje laserový paprsek). Zároveň má schopnost působením tepelné energie laseru vrátit se do původního stavu. Umožňuje tedy vymazání původní informace a zapsání nových dat (v praxi asi 1000x přepis). CD ROM Disk optické médium CD ROM je optická paměť určená pouze pro čtení zaznamenaných dat. Nosným médiem je disk, který má průměr 120 mm (4,72") s unášecím otvorem uprostřed o průměru 15 mm. Na rozdíl od FD (ploten HDD) nemá soustředné kruhové stopy a sektory o různých délkách, ale má jedinou spirálovitou stopu, na které jsou stejně dlouhé sektory. Stopa má délku 3 míle (5 km). Šířka stopy je 600 nm vzdálenost mezi stopami je 1600 nm, což dává hustotu 630 závitů na milimetr. FD CD sektor stopa Obr. Uspořádání stop a sektorů na FD a CD Ing.Petr Bouchala strana 1

2 Velikost CD bývá různá a odvíjí se od minut záznamu. 74 minutové CD má kapacitu 650 MB, 80 minutové 700 MB, bývají i 90 či 99 minutová CD. Výpočet kapacity hudebního CD = B převod minut na sekundy 74 minut hudby 2 kanály (stereo) rozlišení 16 bitů na vzorek, tj. 2 bajty počet vzorků za sekundu na jeden kanál Data se ukládají do sektoru, jeden sektor má velikost 2352 bytů. Z toho pro uživatelská data je 2048 bytů pro Mode 1 a 2320 bytů pro Mode 2. Mode 1 využívá 284 bytů pro korekci chyb ECC a EDC. Dva fyzikální stavy, které umožní zapsat dvouhodnotovou informaci, se vytváří odraznými (pole) a rozptylovými (pity) ploškami. Při průchodu snímací hlavy s laserovým paprskem dochází k jeho odrazu nebo pohlcení. 0,83 µm řez CD ochranná vrstva reflexní Al folie 1,2 mm stopa polykarbonová vrstva pit pole směr čtení Ing.Petr Bouchala strana 2

3 Mechanika Blokové schéma mechaniky CD ROM Disk vystavovací mechanizmus optická hlavička pohon disku pohon nosiče disku řadič ROM ovládání pohonů rozhraní buffer napájení data řídící signály audio kabel Elektromechanické části - motorek pro pohon nosiče disku ovládá se buď tlačítek na čelním panelu, nebo z OS vlastnosti vysunout - vystavovací mechanizmus je tvořen servomotorkem, rotační pohyb je převáděn na přímočarý viz foto. hlavička pohon disku vystavovací mechanizmus Ing.Petr Bouchala strana 3

4 - pohon disku musí řešit problém s různou obvodovou rychlostí uprostřed CD a na okraji CD. Pokud má disk konstantní otáčky, pak se mění rychlost čtení dat z CD. Bylo vyvinuto několik technologií. CLV(Constant Linear Velocity) konstantní lineární rychlost, je starším řešením. Směrem k okraji se otáčky disku plynule snižují, aby byl zajištěn konstantní datový tok. V praxi to znamená, že u středu disku se používá 530 otáček za minutu a u vnějšího okraje pouze 230 otáček za minutu. Datový tok je konstantní, protože laser za jednotku času přečte data vždy ze stejné délky stopy (stejný počet bitů). U CD je základní rychlost 1x určena datovým tokem 150 kb/s. Násobek základní rychlosti je násobkem přenosové rychlosti. Např. označení 52x představuje teoretickou přenosovou rychlost 150 x 52 = 7500 kb/s.cav(constant Angular Velocity) konstantní úhlová rychlost. Při přehrávání hudby se mění otáčky disku (směrem k vnějšímu okraji se otáčky snižují), ale při čtení dat jsou otáčky konstantní a řadič čte data na vnějších stopách rychleji. Existují i kombinace obou uvedených metod. - optická hlava má tyto částí: laserové dioda emitující slabý červený paprsek, polopropustné zrcadlo, soustavu čoček, fotodetektor. viz schéma. Princip činnosti - ze zdroje laseru se vysílá paprsek, který prochází přes polopropustné zrcadlo, objektiv a zaostřovací čočku a dopadá na stopu CD. Dopadne-li na pit dojde k jeho rozptylu, dopadne-li na pole odráží se, vrací se zpět do čtecí hlavy a na polopropustném zrcadle mění svůj směr. Dopadá na fotodetektor, kde vznikají elektrické impulsy. Střídáním pitů a polí vznikají sekvence impulsů, které odpovídají zapsaným datům. CD odražený laserový paprsek zaostřovací čočka objektiv fotodioda polopropustné zrcadlo kužel vyzařovaného laserového paprsku zdroj laseru obr. Hlava mechaniky CD ROM principiální schéma Ing.Petr Bouchala strana 4

5 Elektronické části Elektronika sestává z desky s plošnými spoji, kde se nacházejí: řadič(mikroprocesor), paměti RAM (registry, cache), ROM, obvody rozhraní, konektory, konfigurační přepínače. Hlavními funkcemi elektroniky jsou: kontrola rychlosti otáčení disku. kontrola přesunu hlavičky nad stopou. zprostředkování operací čtení spravování vyrovnávací paměti (cache) a její optimalizace. doplnění pokročilých funkcí pro zvýšení rychlosti a spolehlivosti. zesilování signálů jdoucí z hlav a jejich převedení na jedničky a nuly. řízení toku informací z disku. Popis jednotlivých obvodů se ve své podstatě neliší od popisu elektroniky u pevného diku. audio kabel CS,M,S datový kabel napájení Rozhraní mechaniky CD ROM, CD-R či CD RW je možno připojit přes SCSI Small Computer Syste Interface IDE/ATAPI Integrated Device Electronics (ATAPI označuje softwarové rozhraní) Paralelní port (starší externí mechaniky) Rozhraní USB Ing.Petr Bouchala strana 5

6 CD-R Médium Jak je patrné z řezu médiem, skládá se CD-R ze tří základních vrstev. Vrchní ochranné lakované vrstvy, střední vrstvy z reflexní zlaté fólie a organického barviva a spodní polykarbonátové vrstvy v níž je předlisovaná drážka, která slouží k vedení laserového paprsku. Při vypalování se organické barvivo zahřeje a tím vznikají pity. Pit mění odrazivost od reflexní fólie. Vypálený pit není tak kvalitní jako pit lisovaný, nemá pravidelné okraje a je mělčí. To je důvod proč staré mechaniky nečtou CD-R. Rozměry CD-R jsou shodné s klasickým kompaktem. Průměr 12 cm, centrální otvor 1,5 cm, tloušťka 1,2 mm. lisovaný pit pálené pity Data jsou do stopy zaznamenávána digitálně pomocí stupňů (land) a děr (pit). Díra je 0,12 mikrometru hluboká a 0,6 mikrometru široká. Jedno CD jich obsahuje kolem dvou biliónů. Délka díry je mezi 0,83 a 3,3 mikrometru, což je pro srovnání velikost bakterie. Mezera mezi jednotlivými sousedními stopami je 1,6 mikrometru. Znamená to, že CD se záznamovou šíří 3,3 cm obsahuje: 0,6 mikrometru šíře stopy + 1,6 mikrometru mezi stopami = 2,2 mikrometru 33 mm / 2,2 mikrometru = závitů. Celková délka stopy je 5 km. Mechanika Na první pohled se neliší od CD-ROM mechaniky. Konstrukčně je řešena stejně. Rozdíl je v použití speciálního laseru, který musí být schopen pracovat v několika úrovních: Musí být schopen docílit fyzické změny barviva Musí číst cd-r bez jeho poškození Musí číst celou řadu dalších formátů definovaných pro CD-ROM Pro čtení vystačí laser s poměrně nízkým výkonem (0,5 mw), ale pro zápis CD-R je již třeba energie mnohem větší. Pro zápis jednoduchou rychlostí vystačí 4-8 mw, pro dvojnásobnou rychlost je již třeba 8-10 mw, čtyřnásobnou mw a šestinásobnou pak až 14 mw! Této Ing.Petr Bouchala strana 6

7 energie je třeba k tomu, aby se v místě, kde má dojít ke změně barviva, dosáhlo teploty 250 až 400 C! Na CD se vypalovačkou zapisuje metodou CLV. U vysokých rychlostí se používá metoda Zone CLV CD je rozděleno na tři zóny s různými rychlosti, mají se tím odstranit vibrace CD. Tato metoda vyžaduje BURN Proof. Metoda P-CAV do poloviny média drží konstantní otáčky asi 5550 ot/min a potom plynule přechází na CLV. Zde musí laser měnit plynule svůj výkon BURN Proof speciální technologie firmy Sanyo. Ochrana podtečení zásobníku. Při nedostatku dat ve vyrovnávací paměti (bufferu) je mechanika schopna přerušit vypalování a po načtení dat do bufferu plynule navázat a pokračovat. Díky této synchronizaci nedochází ke zničení CD. Starší mechaniky mohou mít problém při čtení takto vypálených CD-R. Vlastní vypalování Zápis na zapisovatelné CD může být proveden najednou (v jedné session - singlesession), kdy jsou všechny tracky (stopy) zapsány v jednom svazku (volume). Disk se uzavírá zápisem obsahu (Table of Contents) a Lead-Out Area. Tento disk může být čten na jakékoliv CD mechanice. Při singlesession záznamu se TOC (Table of Contens) vytváří ihned po nahrání dat. Tím dochází k "uzavření" disku. Dále již není možné na disk cokoliv nahrát. Multisession naopak nechává disk otevřený a TOC se zapisuje až po nahrání poslední session. Tím dojde opět k "uzavření" disku. U neuzavřených disků to pro čtecí mechaniku znamená, že musí být schopna postupně od poslední session rekonstruovat souborovou strukturu celého CD. Vytváří si vlastně TOC, která ještě na CD není nahrána. Je-li vaše mechanika vybavena schopností číst multisession, nepoznáte de-facto, zda je CD nahráno jako multisession, nebo singlesession. Způsob zápisu dat na disk, kde při každém dokončení stopy (tracku) je vypnut zapisovací laser (i když se bude okamžitě zapisovat další stopa) se nazývá Track at Once. Při zapínání a vypínání laseru se zapisují bloky run in a link out. Nejmenší délka stopy je 300 bloků (4 sekundy kb). Maximální počet stop je 99. Naopak způsob, kdy dojde k celému nahrání CD bez vypnutí laseru, označujeme jako Disc at Once. Jména souborů ISO9660 standardní 8 znaků pro název, 3 znaky pro příponu ISO 9660 Level 3 30 znaků v názvu souboru Joliet ukládá jako Windows, 64 znaků, a zároveň ve tvaru 8.3 s vlnovkami pro DOS Romeo ukládá až 128 písmen v názvu, ale pouze pro Windows Ing.Petr Bouchala strana 7

8 CD-RW Médium CD-RW médium je konstruováno na podobném základu jako médium CD-R. Také obsahuje polykarbonátovou vrstvu a předlisovanou vodící spirálu pro vedení laseru. Ale na rozdíl od CD-R má několik vrstev navíc. Vrstva pro záznam je z obou stran obklopena vrstvou dielektrika (sloučenina silikonu, kyslíku, zinku a síry). Tyto vrstvy mají čtyři hlavní úkoly: o modifikovat odezvu optického média, aby poskytovalo čistý signál o zvýšit účinnost laseru pro dosažení žádoucí teploty na záznamové vrstvě o působit jako tepelná izolace mezi substrátem, předlisovanou drážkou a odraznou vrstvou o sloužit jako mechanická brzda záznamového média, aby nedocházelo k jeho posunu vlivem odstředivých sil. Záznamové barvivo je však jiné než u CD-R. Při nahrávání CD-R totiž dochází k nevratné změně tohoto barviva. CD-RW používá technologii fázové změny. Namísto vytváření deformací v barvivu média využívá změnu struktury materiálu z krystalické do amorfní formy. K tomu slouží speciální chemická sloučenina (je to čtyřsložková sloučenina stříbra, india, antimonu a teluru), která mění působením energie svůj stav (krystalický - vysoce odrazivý a amorfní - s nízkou odrazivostí) a je schopná se rovněž působením energie vrátit do původního stavu. Mechanika Přepisovací mechanika je nucena zvládnout ještě další energetické úrovně a hlavně musí být schopna rozeznat jednotlivá média od sebe (CD-R/CD-RW), což klade další nároky na instalovaný firmware. CD-RW mechaniky musí mít ještě silnější laser, neboť pro změnu fáze média (do amorfního stavu) musí být dosaženo teploty až 600 C. Lasery CD-RW mechanik se svým výkonem blíží 20mW. Pro přechod do krystalického stavu pak již stačí 200 C, a tudíž výkon asi 4-8mW. Laser tedy při záznamu CD- RW média neustále pulzuje podle potřeby mezi vyšším a nižším výkonem (na rozdíl od CD-R mechanik, kde vystačí pouze se stavem zapnuto-vypnuto). Všechny ostatní věci, jako je fyzický nebo logický formát platí pro CD-RW naprosto stejně, jako pro CD-ROM nebo CD-R. Ing.Petr Bouchala strana 8

9 DVD (Digital Versatile Disk) (Digital Video Disk) Medium Má rozměry jako běžné CD. Velká kapacita disku je dána větší hustotou záznamu, disk může být oboustranný a dvouvrstvý. Laserový paprsek je pak zaostřen vždy jen na jednu rovinu. Používá se přesnější laser s kratší vlnovou délkou, který rozezná menší pity a plošky.je-li záznam ve dvou vrstvách, pak se laserový paprsek zaostřuje vždy jen na jednu vrstvu. Vrstva L0 musí být polotransparentní. Řez DVD diskem Srovnávací tabulka DVD a CD DVD CD průměr v mm tloušťka v mm 1,2 1,2 vzdálenost pitů v nm minimální délka pitů v nm vlnová délka laseru v nm Srovnání 640 MB CD a 4,7 GB DVD Přehled kapacit DVD disků v tabulce. Ing.Petr Bouchala strana 9

10 Formáty a kapacity disků DVD Počet stran Počet vrstev Kapacita 12cm disku Označení GB DVD GB DVD GB DVD GB DVD-18 Formát DVD-video DVD-audio DVD-ROM DVD-R/RW Popis Slouží k uložení videozáznamu. Ke kompresi obrazu se používá standard MPEG-2. Pro kódování zvukové stopy se standardně používá formát Dolby Digital (AC-3), někdy bývá použit i kvalitnější zvuk ve formátu DTS. Náhrada audio CD disku. Výhodou je kromě velké kapacity, také možnost uložit na disk digitální záznam zvuku s vyšší vzorkovací frekvencí (48, 96 nebo 192 khz), větší bitovou hloubkou (místo 16 bitů u audio CD až 24 bitů u DVD Audio) a větším počtem kanálů (stereo, popřípadě prostorový zvuk formátu 5+1) Read Only - jen pro čtení, pity jsou vyráběny lisováním, potenciální nástupce formátu CD-ROM, tedy víceúčelový formát pro ukládání počítačových dat, audia a videa. (R = Recordable, jeden zápis, RW = ReWritable, až 1.000x přepis) Tento formát byl navržen tak, aby byl co nejvíce kompatibilní s lisovanými DVD disky (DVD-ROM). Z toho plyne výhoda tohoto formátu, kterou je kompatibilita se staršími mechanikami a přehrávači, které vznikly dříve, než se dalo na DVD zapisovat. Tato výhoda se však v dnešní době ztrácí, protože téměř všechny vyráběné přehrávače a mechaniky dokáží přehrávat jak DVD-R tak DVD+R formáty. DVD-R DL (DL = DualLayer, dvě záznamové vrstvy). Novější standard než DVD-R/RW, nejprve bylo vyvinuto přepisovatelné médium DVD+RW, posléze pak DVD+R. Mechaniky mají o něco větší odolnost proti chybám při zápisu a lépe pracují s méně kvalitními médii. DVD+R/RW Hlavní důvod vzniku standardu DVD+R/RW tkví v tom, že původní licence na DVD-R/RW byly pro výrobce přehrávačů a mechanik poměrně nákladné, nehledě na to, že se muselo platit přímým konkurentům (taková platba je vlastně dvojnásobná). Právě z tohoto důvodu vznikla DVD+RW Aliance (konsorcium firem Sony, Philips, Hewlett-Packard, Ricoh, Yamaha a Mitsubishi), které vytvořily konkurenční technologii k DVD-R/RW. V současnosti existují mechaniky a přehrávače, které umí pracovat se standardy DVD-R/RW i DVD+R/RW. Ing.Petr Bouchala strana 10

11 Namísto jedné stopy ve tvaru spirály (běžné optické disky) je u DVD-RAM použit systém kruhových stop rozdělených na sektory (obdobně jako u HDD), přičemž vždy několik desítek stop umístěných vedle sebe má stejné množství sektorů. Jedná se o přepisovatelné médium (až x). DVD-RAM se uživateli jeví jako další pevný disk, ze kterého může data číst či na něj zapisovat. Velmi dobrá detekce a korekce chyb při zápisu, dlouhá životnost záznamu. DVD-RAM Není nutný žádný vypalovací program, pouze některé velmi staré operační systémy vyžadují ovladač, popř. pomocný program, aby dokázaly pracovat se souborovým formátem UDF, který je vhodný pro DVD-RAM). Na rozdíl od ostatních formátů je DVD-RAM uložen v ochranném pouzdře. Podle toho, zda je možné disk z pouzdra vyjmout a dále podle tvaru pouzdra se rozděluje na různé typy, přičemž těchto typů existuje celkem 9. Nejčastěji používaný je typ 1, který není možné z pouzdra vyjmout, dále potom typy 2 a 4, které je možné z pouzdra vyjmout. Rozdíl mezi typem 2 a 4 je v tom, že verze 4 je oboustranná. Kapacita disku je stejně tak jako u DVD-ROM 4.7 GB. DVD mechanika Současně se zvýšením hustoty záznamu (zvýšením kapacity) muselo dojít ke změnám ve vlastní optické mechanice: zpřesnění vedení čtecí hlavy s laserovou diodou (dvojnásobná přesnost oproti CD) zmenšení vlnové délky laseru ze 780 nm na 650 nm (červená barva). Nelze tedy běžně číst CD-R a CD-RW, proto mechaniky používají dvojí laser a umožňují řízení intenzity laserového paprsku. DVD mechanika zaostřuje paprsek na vzdálenost 0.6 mm (tloušťka polykarbonátové vrstvy na které je nanesena reflexní, tedy odrazivá vrstva), oproti CD mechanikám, které laser zaostřují na vzdálenost 1.2 mm. DVD mechanika musí přečíst i dvouvrstvá média, ve kterých jsou obě datové vrstvy (čtené z jedné strany) od sebe vzdálené pouze o desítek nanometrů. Ing.Petr Bouchala strana 11

12 Blu-ray (disky BD) Médium Má rozměry jako běžné CD. Velká kapacita disku je dána ještě větší hustotou záznamu, disk může být dvouvrstvý (už byl představen se 4 vrstvami 200GB). Používá se modro fialový přesnější laser s kratší vlnovou délkou, který rozezná menší pity a plošky. Název Blu-ray dostali právě podle modrofialového laseru. Srovnání řezu jednovrstvým diskem DVD a BD Na obrázku je patrný rozdíl v tloušťce ochranné vrstvy. U DVD činí 0,6 mm u BD pouze 0,1 mm. Disky BD jsou mnohem více náchylnější na poškrábání. Srovnávací tabulka BD, HD-DVD, DVD a CD BD HD-DVD DVD CD průměr v [mm] kapacita [GB] 23, ,7-17 0,65-0,7 možný počet stran možný počet vrstev 2 2x2 2x2 2 tloušťka ochranné vrstvy [mm] 0,1 0,6 0,6 1,1 rozestup stop [nm] minimální délka pitů [nm] 138/149/ vlnová délka laseru [nm] hustota zápisu [Gb.cm -2 ] 2,283 0,429 0,063 základní přenosová rychlost [Mbs -1 ] 36 36,55 11,08 1,41 Disk HD-DVD (High Definition DVD) Jsou definovány tři základní formáty Blu-ray. Je to BD-RE (Blu-ray REwritable), BD-R (Blu-ray Recordable) a BD-ROM (Blu-ray Read Only Memory). Rozdíly mezi nimi jsou ve způsobu záznamu (fázová změna, záznam na organickou vrstvu, resp. lisování). Ing.Petr Bouchala strana 12

13 Srovnání optických disků 1.generace CD, 2.generace DVD a 3. generace BD Mechanika Vzhledem vypadá mechanika stejně jako předchozí mechaniky. Stejné je i připojení pomocí klasického IDE (ATAPI) rozhraní. Pozor si musí dát snad jen majitelé kratších skříní, protože mechanika má téměř 20 cm hloubku. Aby mohla mechanika BR číst i CD a DVD, musí mít tří zdroje laseru s příslušnými vlnovými délkami a upravenou optickou soustavu. Při založení disku mechanika rozpozná jeho typ a vybere správný zdroj laseru. Na následujícím obrázku je zjednodušený princip optické soustavy Blu-ray mechaniky s podporou CD, DVD a Blu-ray médií. Zjednodušený princip Blu-ray mechaniky Ing.Petr Bouchala strana 13

14 Výhody optických pamětí - velká kapacita - přenositelnost - životnost zapsané informace - bezkontaktní čtení / zápis informace - nízká cena záznamových médií i mechanik pro čtení a zápis (vypalování) - univerzální použití (datové, audio, video záznamy) - vnější magnetická pole nezpůsobí poškození záznamu - mechaniky používají stejný řadič disků jako HDD (ATA, SATA, SCSI, popř. rozhraní USB) Nevýhody optických pamětí - potřeba čtecí / zapisovací mechaniky, náročnější záznam / přepis informace - nulová zpětná kompatibilita formátů CD, DVD, Blu-Ray, HD DVD (kompatibilní s DVD) - náchylné na mechanické poškození (poškrábání), tepelné působení, apod. - nízká přenosová rychlost při čtení / zápisu dat - hlučnost při čtení / zápisu dat Ing.Petr Bouchala strana 14