Budowa i działanie napędów optycznych
Współczesne oprogramowanie jest coraz bardziej zaawansowane, a co za tym idzie wymaga
coraz większej pojemności nośników na którym jest zapisywane. Pakiety programów czy gry
zajmujące kilkaset megabajtów lub więcej nie są niczym niezwykłym. Wewnątrz komputera znajdują
miejsce na dyskach twardych, jednak do ich dystrybucji potrzebne są tańsze i bardziej poręczne do
przenoszenia nośniki danych. Dlatego też ogromne znaczenie mają płyty CD-ROM i DVD będące
nośnikami oprogramowania tanimi i o dużej pojemności.
CD-ROM-y wywodzą się z rewolucyjnego rozwiązania wprowadzonego w technice zapisu dz
więku,
opracowanego wspólnie przez firmy Philips i Sony. W jego wyniku powstały płyty kompaktowe audio
o zapisie cyfrowym (ang. Compact Disc Digital Audio). Szybko okazało się, że zapis ten nadaje się
doskonale do zastosowania w technice komputerowej. W ten sposób powstały CD-ROM-y i ich
napędy.
W 1982 roku opracowany został standard cyfrowego zapisu dz
więku na płytach CD, obecnie
zwanych CD-DA (ang. Compact Disk - Digital Audio). Do odtwarzania muzyki z płyt CD służy
urządzenie zwane odtwarzaczem CD, które odczytuje dane (postać cyfrową dz
więku) z płyty z
szybkością ok. 176 KB/s (44100 próbek 16-bitowych, w ciągu sekundy, dla każdego kanału stereo).
Trzy lata póz
niej powstał standard CD-ROM (ang. Compact Disk - Read Only Memory),
umożliwiający odczyt informacji (zapisanej na stałe) z dysków kompaktowych. W 1987 roku
opracowano standard CD-I (ang. Compact Disk Interactive), a następnie bazujący na nim standard
CD-ROM XA (ang. Extended Architecture), umożliwiający jednoczesny odczyt danych, dz
więku i
obrazu. W 1990 roku powstała specyfikacja CD-R (ang. CD-Recordable) dla płyt zapisywalnych (za
pomocą urządzeń zwanych nagrywarkami lub CD-Recorderami).
Do pamięci optycznych zaliczyć należy wszelkie te formy pamięci, w których odczyt
i interpretacja zapisanych danych odbywa się na drodze optycznej (najczęściej z wykorzystaniem
laserów). W celu odczytania danych emitowane jest promieniowanie w zakresie widzialnym lub
bliskim widzialnemu (np. podczerwień, nadfiolet) w kierunku nośnika danych. Na powierzchni lub
wewnątrz nośnika dochodzi do interakcji promieniowania z materiałem i w zależności od właściwości
tego materiału określona część promieniowania zostaje odbita. Odbite promieniowanie jest
interpretowane przez właściwe elementy optyczne (np. fotodiody) do postaci bitów. W bardzo
uproszczonym schemacie działania pamięci optycznej można przyjąć, że materiał z jakim oddziałuje
promieniowanie odbija (wartość bitu = 0) lub nie odbija (wartość bitu = 1) promieniowania.
1
Rys.1. Układy odczytujące napędu optycznego1
Jak pokazano na rysunku 1, wiązka odbita jest dzielona przez soczewkę pryzmatyczną na dwie
części i kierowana na zespół czterech diod. Zespół ten ma trzy zadania:
1. Dostarcza sygnał danych (suma sygnałów A+B+C+D).
2. Tworzy sygnał błędu ogniskowania wiązki (sygnał (A+D)-(B+C) - jeżeli wiązka jest na przykład
zbyt silnie zogniskowana, sygnał B+C będzie większy niż A+D.
3. Tworzy sygnał błędu pozycjonowania wiązki (sygnał (A+B)-(C+D) - przykładowo, jeżeli wiązka
(na rysunku) jest przesunięta w lewo, sygnał A+B będzie większy niż C+D.
Rys.2. Odbicie światła lasera od pitu i landu2
1
K. Wojtuszkiewicz. Urządzenia Techniki Komputerowej cz. II. MIKOM Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2007 str.
113
2
K. Wojtuszkiewicz. Urządzenia Techniki Komputerowej cz. II. MIKOM Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2007 str.
114
2
Ścieżka na płycie CD-ROM, inaczej niż w przypadku twardych dysków, ma kształt spiralny i jej
początek znajduje się przy jej wewnętrznym otworze. Własność ta wywodzi się prawdopodobnie z
muzycznego rodowodu płyt CD, w których był odtwarzany ciągły strumień danych.
W systemach zapisu danych na CD-ROM-ach stosuje się najczęściej zmienną szybkość obrotów płyty
w celu osiągnięcia stałej szybkości liniowej, co jest oznaczane skrótem CLV (Constant Linear
Velocity). Bez takiej kompensacji im dalej od środka płyty, tym większa jest prędkość liniowa.
Przykładowo przy dwukrotnej szybkości odczytu płyta wiruje z szybkością około 1000 obr./min przy
odczycie początku ścieżki, przy końcu zaś szybkość ta spada do 400 obr./min.
Wymienione fakty powodują jednak, że czas zmiany miejsca odczytywanej informacji (czyli
inaczej mówiąc, czas swobodnego dostępu) w przypadku CD-ROM-u jest znacznie dłuższy niż dla
dysków twardych. W jego skład wchodzi pozycjonowanie układu kierującego promieniem lasera oraz
zmiana prędkości obrotowej silnika napędzającego płytę.
W starszych napędach CD, odczyt informacji z dysku odbywał się ze stałą prędkością, wg tzw.
systemu CLV (ang. Conslanl Linear Yelocity - stalą prędkość liniowa), którą można osiągnąć poprzez
zmienną prędkość obrotową. Dysk wirował szybciej, gdy głowica odczytu zbliżała się do środka
dysku. Dla przykładu: pierwsze czytniki CD (podobnie jak standard CD-Digital Audio) odczytywały
dane z szybkością 150 KB/s (prędkość liniowa nośnika informacji była stała i wynosiła 1,25 m/s).
Aby uzyskać stałą prędkość liniową, dysk obracał się z szybkością od 200 do 500 obr/min, zależnie od
tego czy odczytywana była zewnętrzna czy wewnętrzna ścieżka. Oczywiście proces dostosowywania
prędkości obrotowej do położenia głowicy, wpływał na zwiększenie czasu dostępu do danych.
Współczesne czytniki dysków kompaktowych pracują z szybkościami przewyższającymi kilkadziesiąt
razy szybkość odczytu swego protoplasty. Oczywiście aby Zwiększyć n-krotnie (np. 32-krotnie)
szybkość odczytu, należy zwiększyć również n-krotnie (odpowiednio 32-krotnie) szybkość obrotową
dysków. Jednak przy tak dużych szybkościach obrotowych (zwłaszcza w przypadku wymiennego
nośnika), bezbłędny odczyt staje się praktycznie niemożliwy, dlatego najnowsze napędy podczas
odczytu danych pracują wg systemu CAV (ang. Constant Angular Velocity) ze stałą prędkością
kątową. Szybkość odczytu danych jest n-krotna ( i osiąga maksymalną wartość) tylko dla ścieżek
zewnętrznych. Odczyt danych ze ścieżek położonych bliżej środka dysku jest zdecydowanie
wolniejszy. Najszybszy napęd CD osiągnął obecnie 50-krotną szybkość transmisji. Zastosowany w
nim podwójny dynamiczny system uchwytu płyty (ang. DDSS - Double Dynamie Suspension System)
zapobiega wibracjom napędu.
3
Rys.3. Zasada odczytu informacji na dysku optycznym3
Dysk kompaktowy jest to mały wymienny krążek wykonany z tworzywa sztucznego o średnicy 12 cm
i grubości 1.2 mm potrafi pomieścić ok. 650 MB (CD) danych. Informacja ta zapisana jest na spiralnej
ścieżce za pomocą tzw. "pitów" i "landów". Pity to zgłębienia na powierzchni dysku powodujące
słabsze w stosunku do powierzchni płaskiej (tzw. landów) odbicie promienia laserowego. Ścieżka
o długości ok. 6 km (!) ma szerokość 0.6 mikrometra, a odległość między sąsiednimi ścieżkami
wynosi 1.6 mikrometra.
Głowica odczytu zawiera laser diodowy emitujący światło o długości fali ok. 780 nm. Promień po
przejściu przez obiektyw pada na powierzchnię dysku i odbija się od niej na różne sposoby od
zagłębień (pitów) i powierzchni płaskiej (landów). Głębokość pitów jest tak dobrana, żeby odbijające
się od niego światło zostało w całości wygaszone przez interferencję. Natomiast światło odbite od
landów trafia poprzez układ optyczny do fotodiody, która zamienia je na impuls elektryczny. Na dysku
kompaktowym CD dane prezentowane są więc jako pity i landy. Logiczne zero prezentowane jest
przez pit lub land. jedynka zaś poprzez przejście pomiędzy pitem a landem lub odwrotnie.
3
Z. Kolan.  Urządzenia Techniki Komputerowej . CWK Wrocław. str. 103
4
Rys.4. Mechanizm czytnika napędu optycznego4
Zasada zapisu informacji na DVD (Digital Versatile Disk lub Digital Video Disc) nie różni się
od sposobu zapisu na płycie CD. Różnice są ilościowe, powodują jednak powstanie nowej jakości.
Ilość informacji zgromadzona na pojedynczym krążku DVD może sięgać nawet kilkunastu GB.
Również ten standard powstał na potrzeby inne niż technika komputerowa, wyniknął z potrzeb
techniki filmowej. Jednak i tym razem został bardzo szybko zaadaptowany dla komputerów.
Swoje wielkie pojemności dyski DVD zawdzięczają między innymi temu, że odległość
pomiędzy ich ścieżkami jest o połowę mniejsza niż na płycie CD. Wymaga to użycia lasera o krótszej
długości fali światła. Także gęstość zapisu (wielkość zagłębienia) może być o połowę mniejsza niż w
przypadku CD. Kolejną nowością jest zapis dwuwarstwowy. W dysku dwuwarstwowym pierwsza
warstwa odbijająca jest półprzezroczysta. Ponadto przy odczycie wiązka lasera jest ogniskowana na
pierwszej lub drugiej warstwie. Oczywiście wymaga to bardziej czułych układów optoelektronicznych,
gdyż zarówno natężenia wiązek, jak i różnice pomiędzy natężeniem wiązki odbitej od pitu i landu są
mniejsze.
Pojemność płyty jednowarstwowej wynosi około 4,7 GB. Przy płycie dwuwarstwowej łączna
pojemność wynosi 8,5 GB (pojemność drugiej warstwy jest nieco mniejsza niż pierwszej). Dla płyt
4
Z. Kolan.  Urządzenia Techniki Komputerowej . CWK Wrocław. str. 104
5
dwustronnych odpowiednie wartości wynoszą 9,4 i 17 GB. Poprawione też zostały metody kodowania
i korekcji błędów.
Parametr CD-ROM DVD
Średnica płyty 120 mm 120 mm
Minimalna średnica pitu 0,83 źm 0,41 Lim
Długość fali lasera ok. 780 nm ok. 640 nm
Pojemność (pojedynczej płyty) 650 MB 4,7 GB
Gęstość ścieżek 17 000 TPI 34 000 TPI
Wymagania co do pojemności nośników optycznych rosną. Opracowanie standardu
telewizyjnego HDTY (High Definition TV) stworzyło potrzebę opracowania dysków o pojemnościach
rzędu kilkudziesięciu gigabajtów. Obecnie na rynku obecne są dwa standardy dysków optycznych
proponujące takie pojemności: HD DVD (High Definition DVD) opracowany przez firmy Toshiba,
NEC i Memory-Tech oraz Blue-ray Disk (w skrócie BD) opracowany przez Blu-ray Disc Association
(w skład którego wchodzi wiele firm, między innymi Hitachi, Sony, Philips, TDK, HP, Twentieth
Century Fox). Obydwa standardy używają lasera wytwarzającego światło niebieskie o długości fali
405 nm i oferują podobne pojemności (rzędu 50 GB), aczkolwiek standard Blue-ray wydaje się pod
tym względem bardziej rozwojowy (są już opracowania 200 GB - płyta 6-warstwo-wa). Także wymiar
płyt pozostaje bez zmian, aczkolwiek ich budowa jest różna. Przy opracowywaniu obu standardów
starano się osiągnąć sytuację, w której czytnik nowych płyt będzie bez problemów obsługiwał także
poprzednie standardy.
Rys.5. Struktura zapisywalnej płyty BD5
5
K. Wojtuszkiewicz. Urządzenia Techniki Komputerowej cz. II. MIKOM Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2007 str.
120
6
Warstwa zapisująca zmienia przezroczystość pod wpływem promienia lasera o określonej energii (tak
jak dla płyt CD-RW). Różnica polega na tym, że w strukturze płyty zapisywalnej BD wytwarzane są
wgłębienia zwane landami i występy zwane groove, o strukturze spiralnej. Zapis może następować we
wgłębieniu (zapis In Groove) lub na występie (zapis On Groove). Obydwie metody zapisu
przedstawione są na rysunku 6.
Rys.6. Sposoby zapisu na płycie BD6
Pojemności płyt HD DVD-ROM wynoszą od 15 GB (jednostronna, jednowarstwowa) do 60 GB
(dwustronna, dwuwarstwowa), HD DVD-RW od 20 GB (jednostronna jednowarstwowa) do 40 GB
(dwustronna, jednowarstwowa). Dla HD DVD odległość miedzy ścieżkami wynosi 0,24źm,
rmnimalna długość pitu jest równa 0,34 źm.
Dla płyt BD ich pojemności kształtują się następująco: płyta jednowarstwowa, jednostronna BD-
ROM może przechowywać 25 GB. Minimalna długość pitu wynosi 0,15źm, odległość między
ścieżkami 0,32 źm.
Głównym zastosowaniem płyt BD, podobnie jak HD DVD, jest dystrybucja filmów. Jednak, tak jak
dla wcześniejszych płyt, może się okazać, że rynek komputerowy będzie co najmniej tak samo
chłonny. Rynek zdecyduje także, który ze standardów stanie się dominujący.
6
K. Wojtuszkiewicz. Urządzenia Techniki Komputerowej cz. II. MIKOM Wydawnictwo Naukowe PWN W-wa 2007 str.
120
7