Nowoczesne nośniki informacji

Nośniki
magnetyczne

Podział:

-taśmy

-dyski i dyskietki

Tworzenie taśm



Wspólczesne taśmy wykonane są z poliestru.



Warstwa magnetyczna ma grubość 4 do 18 um.
Najczęściej spotykane materialy magn. to:
- tlenkowo-żelazowe (normal)
:Fe

2

O

3

lub Fe

3

O

4

- chromowe (CrO

2

)

- żelazowe (metal)



Taśmy chromowe i metalowe mają lepszy stosunek SNR
oraz lepiej „przenoszą” wyższe częstotliwośći, wymagają
natomiast większego prądu podkladu przy zapisie.

Zapis

-

Przesuwanie się taśmy ze stałą prędkością obok głowicy

zawierającej rdzeń wykonany z materiału magnetycznego
(lecz nie przewodzącego)
- Podczas nagrywania przez cewkę głowicy płynie dość
znaczny prąd zmieniający się w takt sygnału muzycznego,
który indukuje w szczelinie głowicy zmienne pole
magnetyczne.

- Podczas odtwarzania namagnesowana taśma
przesuwając się obok głowicy indukuje w cewce zmienne
napięcie, które jest wzmacniane i podawane na głośniki
czy słuchawki.

Sygnał podkładu (Bias)

- Właściwości taśmy (histereza) powodują że sygnał jest
zniekształcony.

-Gdy jest nagrywany mały sygnał, na taśmie pozostaje
niewielkie trwałe namagnesowanie – pozostałość
magnetyczna.

-Ponadto przejście sygnału nagrywającego przez zero
powoduje znaczne jego zniekształcenie.

-Rozwiązaniem tych problemów jest zmieszanie sygnałów
audio z sygnałem o stałej i dużej częstotliwości (40 kHz lub
większej). Jest to tzw. technika prądu podkładu

-Podczas odtwarzania sygnał podkładu jest usuwany za
pomocą prostego filtru.

Kasowanie taśmy

-

Uprzednio nagrana taśma może być skasowana przez

umieszczenie jej w silnym polu magnetycznym,
powodującym nasycenie warstwy magnetycznej i
zniszczenie poprzedniego nagrania.

-

W tanich magnetofonach stosuje się do tego celu silny

magnes stały, w droższych, specjalą głowicę kasującą.
Jest ona podobna do głowicy nagrywająco-odtwarzającej.
Doprowadza się do niej silny, zmienny prąd który powoduje
kasowanie taśmy.
Za pomocą takiej demagnetyzacji pozostaje znacznie
mniej szumów na taśmie niż po kasowaniu magnesem
stałym.

Przeciętne pasmo przenoszenia dla magnetofonu to np. 40Hz
do 15kHz.



Magnetofony szpulowe

spotykamy już tylko w
zastosowaniach w studiach
nagraniowych



Najczęściej posiadają one
glowice do odczytu z taśm 24-
ścieżkowych, typowe prędkości
taśmy to 9.05 cm/s i 9,53 cm/s



Większa szybkość daje
większą jakość zapisu



Szerokość to 1/4 cala w
(nieprofesjonalne 4-ścieżkowe)



Magnetofony kasetowe

wciąż jeszcze są w

powszechnym użyciu



Dzięki 4 ścieżkom taśma

umożliwia zapis

stereofoniczny na każdej

ze stron taśmy



Jej szerokość to 1/8 cala,

a szybkość przesuwu to

4,76 cm/s.

Zapis danych analogowych na taśmy ma
niezaprzeczalne wady:

-

n

ośnik magnetyczny wnosi dość znaczny szum, którego

zmniejszenie wymaga opracowania dodatkowych układów
redukcji szumu

- magnetofony upośledzają sygnały o większych
częstotliwościach co zmusza do stosowania silnej korekcji i
głowicy o specjalnej konstrukcji

- konieczny jest dość złożony napęd mechaniczny, który
nie powinien zmieniać swoich parametrów podczas długiej
eksploatacji

- wprowadzają zniekształcenia nieliniowe do sygnału

Zapis magnetyczny

danych cyfrowych

-

Zapis tego typu danych na taśmach nie rozpowszechnil

się z prostego powodu, odczyt danych był bardzo
czasochlonny. Niektórzy pamiętają zapewne jak gry
komputerowe na np. Commodore odczytywalo się z kaset.
Zdarzalo się, że gry były nadawane przez radio. Ów ciąg
pisków o niższych i wyższych tonach można było nagrać na
zwyklym magnetofonie audio, po czym uruchomić grę z
kasety na komputerze...
Ten piękny etap rozwoju mamy już za sobą, a dane cyfrowe
zapisuje się na taśmy jedynie w niektórych archiwach.
Urządzenia slużące do tego to tzw. streamery.

Dyskietki

Obecnie są już w odwrocie, przegrywają z nośnikami
optycznymi. Komputery ciągle jeszcze są wyposażane w
napędy do dyskietek 3,5-calowych, jednak ich pojemność
1,44MB to prawie nic w porównaniu z dzisiejszymi
zapotrzebowaniami dla nośników ruchomych. Dyskietki
5,25-calowe zupelnie wyszly z użycia.

Budowa

- D

yskietka 3,5-calowa to krążek zamknięty w plastikowej

obudowie. Grubość krążka (tworzywo sztuczne) to min.
0,1mm, natomiast grubość naniesionej warstwy
magnetycznej to 2,5um.

- Dyskietka posiada na każdej ze stron 80
ścieżek podzielonych na 18 sektorów o jednakowej
długości - 512 bajtów.
- Sektor składa się z pola identyfikatora i pola danych.

Pole identyfikatora:

- numery ścieżki, glowicy, sektora

- dwa bajty CRC (cyklicznej kontroli

nadmiarowej)

Pole danych:

- dane

- dwa bajty CRC

Parametry okreslające gęstość zapisu to BPI(Bits Per Inch),
wynoszący do kilkunastu tysięcy, oraz TPI(Tracks Per Inch)
wynoszący 48 lub 96 dla 5,25-calowej i 135 dla 3,5-
calowej.

Kontroler napędu dyskietek (Floppy Disk Drive) obecnie
znajduje się na plycie glównej, jak również 34-stykowe
zlącze dla kabla podlączającego ten napęd.

Rys: dysk. 5,25cala

Dyski twarde

Dysk - zespół talerzy o powierzchni pokrytej nośnikiem
magnetycznym, a na tych powierzchniach głowice zapisują
i odczytują dane - „pływające głowice”

Obecnie glowice pozycjonuje się
stosując voice coil - układ
magnetodynamiczny –
umieszczona w polu silnego
magnesu stałego
cewka porusza się zgodnie
z przepływającym przez nią prądem.

Technika ta pozwoliła na zmniejszenie czasu
pozycjonowania na zadanej ścieżce z kilkudziesięciu do
kilku milisekund, a przy przejściach pomiędzy kolejnymi

ścieżkami nawet poniżej jednej milisekundy.

Zapis

Dokonywany jest w formie koncentrycznych ścieżek,
podzielonych na sektory(po 512b).
„Cylinder” to grupa ścieżek o tym samym numerze na
wszystkich powierzchniach roboczych.

Dzisiejsze dyski adresuje się metodami:
- CHS(cylinder,
glowica, sektor) -32bitami
- LBA(adresowanie bloków lokalnych) -28b

Dane zapisywane są wraz z danymi

nadmiarowymi- kodowanie CRC.
Ilość sektorów / ścieżkę waha się,
w zależności od jej odleglości od
środka talerza, w granicach 60 - 120.

Pozycjonowanie głowic dawniej odbywało się dzięki
informacjom zapisanym na całej jednej powierzchni dysku,
temu tylko poświęconej. Obecnie wykorzystuje się dane
wymieszane z danymi użytkowymi, co przypomina nieco
działanie automatycznego pilota.

Gęstość BPI osiąga 240kb, a TPI to 21
tyś. Na 1 bit przypada
pole 1,2x0,1um.

FAT

- File Alocation Table - na tej tablicy oparty jest system
przydzielający jednostki „objętości’’ pamięci plikom.

- Podst. jednostką był sektor, jednak 16 - bitowa
architektura systemu operacyjnego nie pozwalala na
adresowanie dysków wiekszych od 32MB. Ominięto to
wprowadzając większe jednostki - klastry. Obecnie
powszechne są 32b tablice alokacji.

Pamięci typu FLASH – gdzie?

• Kamery video
• Aparaty cyfrowe
• Przenośne dyski komputerowe
• BIOS – y wszelkiego rodzaju

sprzętu

Karty pamięci FLASH –

dlaczego?

• Brak elementów mechanicznych
• Całkowita bezgłośność
• Szybkość działania
• Małe rozmiary

Dlaczego więc nie używać

wszędzie?

Koszty tej pamięci są za

wysokie.

Jak działa pamięć FLASH

• W każdej komórce pamięci 2

tranzystory

złączone są ze

sobą cieniutką warstwę tlenku

• Jeden z tranzystorów to tzw.

„Floating Gate” – zmiana
wartości trzymanej w komórce

• Drugi – „Control Gate” –

wykorzystywany jest do
sprawdzania aktualnego stanu
logicznego komórki

• Warstwa tlenku – pułapka dla

elektronów; ilość elektronów
w niej decyduje o wartości
logicznej bramki

Porównanie FLASH z innymi

rodzajami pamięci

ROM (Read-Only
Memory)

Wysoka gęstość zapisu
oraz niezawodność

DRAM (Dynamic
Random Access
Memory)

Tanie i szybkie pamięci o
dużej gęstości zapisu

EPROM (Erasable
Programmable Read-
Only Memory)

Pamięci o wysokiej
gęstości zapisu, problem –
wymazywanie danych z
tego nośnika

EEPROM (Electrically
Erasable
Programmable Read-
Only Memory)

Niska gęstość zapisu oraz
wysoki koszt produkcji.
Kasowane elektronicznie

SRAM (Static Random-
Access Memory)

Niska gęstość zapisu. Są
one jednak szybkie.

FLASH

Tanie pamięci o dużej
gęstości zapisu. Są szybkie
i niezawodne.

Technologie...

NOR

• Pojemność 1MB – 32MB

• Wolny zapis i

kasowanie; szybki

odczyt

• Krótszy czas życia w

por. z NAND (10x)

• Ilość cyklów kasowania:

10.000 – 100.000

• Łatwy dostęp do

danych; łatwa

integracja z systemem

• Wysoka cena

NAND

• Pojemność 16MB –

512MB

• Szybkie operacje zapisu

i kasowania oraz

odczytu

• Ponad 10 x dłuższy czas

życia niż NOR

• Ilość cyklów kasowania:

100.000 – 1.000.000

• Złożony dostęp do

danych oraz trudna

integracja z systemem

• Niskie koszty

Technologia zagęszczania

zapisu

MLC FLASH

• Opracowana przez

Toschibę

• Podwojenie zagęszczenia

zapisu danych na kościach

• Pojedyncza komórka

posiada dwubitową
informację

• Problemem: malejąca

wydajność takich pamięci
oraz zmniejszająca się
niezawodność

Płyty CD-AUDIO i CD-
ROM

Struktura płyty CD

Etykieta

Warstwa poliwęglanu

10 – 30



m

Warstwa refleksyjna (60-100 nm)

aluminium, złota lub srebra

(odbijająca promień lasera)

Główna przejrzysta

warstwa poliwęglanowa

(grubość ok. 1,2mm)

12cm (4,7 cala)

1,5cm (0,042 cala)

Zapis danych na płycie CD

Głowica prowadzi laser po ścieżkach [groove],
Od środka na zewnątrz.

Łącznie ścieżki na 74-minutowej
płycie CD liczą niemal 5km!

Wartości 0 i 1 reprezentowane są na płycie przez
„pity” oraz „landy”.
Land - powierzchnią gładką, od której wiązka
odbija się całkowicie
– otrzymujemy wartość bitu 1

Pit - wgłębienie, od którego, po
odbiciu wiązka lasera jest rozpraszana i nie wraca
z powrotem do czujnika
– otrzymujemy wartość bitu 0

pit

land

Odczyt płyty CD

Obecnie w odtwarzaczach CD stosuje się lasery
GaAlAs (długość fali 780nm – granica)

Laser skupia swoją wiązkę ok. 1,2mm wewnątrz
powierzchni CD – mała czułość na obce ciała.

•       W diodzie laserowej powstaje wiązka światła, która

trafia najpierw na siatkę dyfrakcyjną.

•    Wychodzą z niej trzy promienie, które są

polaryzowane i przechodzą przez kolimator.

•       Następnie płytka 1/4 fali zmienia ich polaryzację na

kołową i przesyła do obiektywu, który je ogniskuje na
płycie.

•   Promienie odbite od płyty przechodzą w drodze

powrotnej znowu przez płytkę 1/4 fali, gdzie uzyskują
polaryzację prostopadłą do tej, którą uzyskały
wcześniej w polaryzatorze.

•       Promienie te są odbijane i kierowane do układu

optycznego, złożonego z soczewki wklęsłej i
cylindrycznej, który służy do tworzenia obrazu na
matrycy fotodetekcyjnej. 

Odczyt informacji

Śledzenie ścieżki

Kontrola prawidłowego

zogniskowania

Kontrola prawidłowego

zogniskowania

Standardy odczytu płyt CD

•

odczyt płyty ze stałą
prędkością liniową

(max prędkość

12x)

•

odczyt płyty ze stałą
prędkością kątową

(max prędkość

52x)

Oświetlenie wieloma

wiązkami

• Najnowszym trendem w tej

dziedzinie jest zastosowanie
siedmiu wiązek lasera, co
pozwala na jednoczesny
odczyt kilku sąsiadujących
ze sobą ścieżek.

• Istnieje też możliwość

zastosowania wiązki lasera o
większej średnicy, co przy
zastosowaniu specjalnego
detektora da ten sam efekt –
kilkukrotne zwiększenie
odczytu danych przy
zmniejszeniu prędkości
obrotu nośnika.

Produkcja płyt CD

• Premastering

• Tworzenie matryc

• Tłoczenie

• Drukowanie lub

naklejanie etykiet

Tworzenie matryc

Laser

Glasmastering

Dane nagrywane są w warstwie
fotorezystancyjnej.

Powstaje metalowa „matka”
(przeciętnie 3-6 odbić)

Metalowa pieczęć

Powstaje metalowy „syn” – matryca,
poprzez długotrwały proces
galwaniczny (ok. 7godz.)
(przeciętnie 3-6 odbić)

Powstaje lustrzane odbicie
zapisanych danych –
„metalowy ojciec”

Metalowy ojciec

Tłoczenie płyt

Etykieta

Warstwa zabezpieczająca

Warstwa odblaskowa

Płyty CD-R i CD-RW

Standardy płyt CD

 CD-ROM

- Compact Disc Read Only Memory

 CD-RW

- Compact Disc ReWritable

 CD

- Compact Disc

 CD-R

- Compact Disc Recordable

Budowa płyty CD-R

Warstwa odbijająca

Warstwa barwnika

groove (rowek)

Warstwa
poliwęglanu

Warstwa lakieru

pit (dane)

Budowa płyty CD-RW

Barwy płyt CD-R

 Cyjanina -

barwa zieloną, niezbędna moc lasera -

6,5 mw, długa strategia nagrywania, niskie prędkościach
nagrywania

 Ftalocyjanina -

barwę żółta lub bezbarwna,

niezbędna moc lasera - 5,5 mw, krótka strategia
nagrywania, większa odporność na energię świetlną i
cieplną, droższa, duże prędkości nagrywania

 Azocyjanina -

barwa jasnoniebieska, dosyć rzadko

spotykana

Płyty

DVD

Rozwinięcie technologii CD

Troszkę historii…



Historia DVD rozpoczyna się w 1994 roku



Na początku były 2 konkurencyjne standardy:



Firmy Philips i Sony - MMCD( „Multimedia CD”)



Firmy z Toshiba na czele – SD („Super Density”)



Pod koniec 1995 powstało Konsorcjum DVD – stworzono
pierwszą wersję DVD (Digital Video Disc)
Szybko okazało się, że nadaje się idealnie do zastosowań
rynku komputerowego i nazwę zmieniono na Digital Versatile
Disc



Z czasem powstało mnóstwo niezgodnych ze sobą formatów

(DVD-R/RW, DVD-RAM, DVD+R/RW DVD+R DL)

Budowa płyty DVD R/RW

Porównanie DVD z CD

• Długość ścieżki na DVD wynosi ok. 11 km, gdzie dla CD 5-6km

• Rozmiar danych na DVD zwiększa się 650 MB do 4,7 GB.

• Ścieżki na CD są oddzielone od siebie o 1,6 m,

a odległość między rowkami wynosi 0,83 m,

w przypadku DVD odległości te zmniejszają się do 0,74 m oraz 0,4 m.

  

Różne pojemności



DVD-5

Jednostronny jednowarstwowy

– 4,7 GB



DVD-8

Jednostronny dwuwarstwowy

– 8,5 GB



DVD-10

Dwustronny jednowarstwowy

– 9,4 GB



DVD-18

Dwustronny dwuwarstwowy

– 17 GB

DVD-5



Zapis jednostronny, jednowarstwowy



Analogicznie jak CD



Jest sklejany z dwóch podłoży, z których jedno
zawiera dane.

DVD-8



Konstrukcja wielowarstwowa



Górna warstwa informacyjna przepuszcza
światło



Wymagane dodatkowe kodowanie dlatego
maleje pojemność do 8,5 GB

DVD-10



Zapis dwustronny wymaga
fizycznego obrócenia nośnika



Taki zapis podwaja
pojemność nośnika

DVD-18



Najtrudniejszy do wyprodukowania



Wymaga czterech matryc z których dwie tłoczą
standardowe płyty, a następnie używane są do
tworzenia pitów

STANDARDY DVD

Nie istnieje jeden standard płyt DVD, którego trzymaliby się
wszyscy producenci tego nośnika danych. W rezultacie płyt
zapisanych w jednym z wymienionych formatów nie można
odczytać w innym. Stąd istnieje również wiele konkurencyjnych
formatów zapisywalnych płyt DVD (schemat):

STANDARDY DVD:



DVD-R – odpowiednik płyt CD-R, o zapisie
jednokrotnym, umożliwiający zapisanie 3,68 GB
danych



DVD ROM – standard płyt do zapisu danych
komputerowych



DVD VIDEO - dawny "Digital Video Disc„

  

Zapis wielokrotny, o jednostronnym zapisie do 2,4 GB i

dwustronnym potrafiącym pomieścić 4,8 GB.
Do zapisu danych wykorzystuje się więc specjalne

rozwiązania technikę Land-and-Groove-Recording.
Format ten ma wcześniej zdefiniowane ścieżki. W

przypadku płyt CD-R informacje można zapisywać

wyłącznie w ścieżkach (groove), natomiast dla DVD także

na wypukłych obszarach nośnika (land).  
Wadą jest konieczność stosowania specjalnych pojemników

(cartridges).

DVD RAM

Od samego początku istnieją dwa konkurencyjne

i niekompatybilne ze sobą standardy płyt DVD

jedno- i wielokrotnego zapisu: DVD-R/RW

oraz DVD+R/RW.

W obu przypadkach mamy do czynienia

z jednokrotnie lub wielokrotnie zapisywalnymi

dyskami mieszczącymi 4,7 GB danych, które mogą zostać

odczytane przez większość zwykłych czytników DVD-ROM

DVD+R DL ( Double Layer) - płyty jednokrotnego zapisu

dwuwarstwowe. W nagrywarkach tych płyt laser musi

mieć minimalną moc wynoszącą ok. 30 mW, dla

porównania moc lasera w DVD±R/RW wynosi zaledwie 5-

11 mW.

DVD ± R/RW

Dyski magneto-optyczne

• MO łączą w sobie zalety optycznej i

magnetycznej technologii
przechowywania danych.

• Dzięki dużej trwałości i możliwości

łatwego zabezpieczenia danych
stosowane są głównie do
archiwizacji.

Budowa nośnika MO

• Dyski tłoczone fabrycznie mają postać CD
• Dyski z możliwością zapisu posiadają

warstwę magnetyczną TbFeCo

Zapis danych na dysku

• Zapis danych

wzdłuż spiralnego
rowka (podobnie
jak w CD)

• Dane są zapisy-

wane w warstwie
magnetycznej
przy pomocy
lasera i głowicy
magnetycznej

Odczyt danych

Przy odczycie używany jest tylko laser.
Wykorzystywany jest efekt Kerra.

Ograniczenia technologiczne

i technologia MSR

– Minimalny obszar podgrzewania.

Rozwiązanie:

• Wykorzystując właściwość, że plamka nagrzewa się

od środka, skracając czas podgrzewania można

ograniczyć zapis do środka plamki i zapisywać dane z

większą gęstością.

– Maksymalna rozdzielczość odczytu zależna od

grubości wiązki lasera.

Rozwiązanie:

• Zastosowanie dodatkowych warstw w nośniku co

umożliwia odczyt danych o większej gęstości tym

samym rodzajem lasera.

Niebieski laser

• Stworzony w 1996

w Japonii

• Budowany na bazie

GaN.

• Mała dł. fali:

 =450 –niebieski
 =405 –niebiesko-

fioletowy

Pojemność nośnika jest zależna odλi NA

Maksymalna pojemność

1.2mm

0.6mm

DVD

1.2mm

0.1mm

Blu-ray

100%

20%

Średnica plamki

0.6

0.85

Wyższe NA: x2 większa gęstość

650nm

405nm

Krótsza dł. fali: x2.6 większa gęstość

Grubość wartswy ochronnej

Zwiększenie pojemności poprzez zmniejszenie średnicy wiązki

lasera 5x w stosunku do DVD

Muzyka

Video

HDTV

CD

DVD

Blue-ray

NA

0.45

0.6

0.85

 (nm)

780

650

405

Pojemność (GB)

0.65

4.7

27

Transfer danych
(Mbit/s)

1.2

11.2

35

Postęp technologiczny