Napędy optyczne

Napędy dysków optycznych zrewolucjonizowały świat komputerów i multimediów.

Trudno sobie wyobrazić współczesnego PC-eta bez stacji dysków CD-Rom czy wieży Hi-Fi bez możliwości słuchania ulubionych płyt audio. To nie wszystko - do codziennego użytku weszły nagrywarki CD-R/RW oraz filmy odtwarzane na komputerach lub zestawach kina domowego DVD. Za popularnością krążków przemawia fakt, że są wykorzystywane do przechowywania dużych programów multimedialnych, takich jak encyklopedie, czy skomplikowane gry komputerowe. Natomiast na płytach DVD możemy oglądać filmy z przestrzennym cyfrowo zapisanym dźwiękiem, na co nie mogliśmy sobie pozwolić przy kasetach VHS. Największą zaletą jest jednak możliwość archiwizacji danych na wybranych nośnikach w zależności od pojemności danego dysku. Taki sposób przenoszenia danych jest o wiele wydajniejszy i bezpieczny niż tradycyjne dyskietki 3.5”.

Zasada działania napędów optycznych.

Sporo zamieszania na rynku spowodował rozwój czysto optycznych technologii zapisu, przede wszystkim opracowana głównie z myślą o tworzeniu jednostkowych egzemplarzy lub serii CD-ROM technologia CD-R. Płyta składa się z kilku nałożonych na siebie powierzchni. Na jednej z nich, sprasowanej poliwęglanowej znajdują się miniaturowe zagłębienia o wielkości zaledwie tysięcznych części milimetra. Podobnie jak ma to miejsce w tradycyjnej płycie długogrającej, elementy te tworzą spiralną ścieżkę, która jednak, biegnie od środka płyty do jej brzegu i w tym właśnie kierunku jest odczytywana. Odczyt danych następuje w sposób bezkontaktowy za pomocą promienia świetlnego(laser). Na powierzchnię płyty napyla się cienką warstwę aluminium, która nadaje jej charakterystyczny srebrzysto-tęczowy połysk. Gdy promień laserowy natrafi na gładką powierzchnię dysku (tzw. Land, czyli pole), odbija się od niej jak od lustra i wraca tą samą drogą do lasera. Umieszczony tu mały pryzmat kieruje strumień świetlny do foto-diody, która pochłania tak uzyskaną energię i zamienia ją w prąd elektryczny. Cała sytuacja wygląda inaczej, gdy promień laserowy natrafi na zagłębienie w płycie (tzw. Pit, czyli dół). Zagłębienie to powoduje odbicie strumienia świetlnego w innym kierunku, w związku, z czym nie trafia do fotodiody i prądu nie ma.

CD-ROM, CD-R, CD-RW

     Dostępne początkowo dla zamożniejszych użytkowników napędy zapisujące CD-R są obecnie w zasięgu możliwości przeciętnych użytkowników. Koszt 640-megabajtowego nośnika kształtuje się na poziomie złotówki. Coraz popularniejsze stają się też płyty CD-RW. Są one przeznaczone do wielokrotnego zapisu i mogą konkurować już z innymi pamięciami masowymi. Jednak prędkość nagrywania jeszcze nie jest zadowalająca, ale cena, która z czasem staje się coraz bardziej atrakcyjna powoduje, że ten format zdobywa ogromną popularność. Zasadniczą i najpoważniejszą nowością jest wewnętrzna struktura płyty CD-RW. Aby przystosować płytę do zapisu zmienno-fazowego, należało stworzyć nośnik o odmiennych właściwościach chemicznych.

DVD, DVD-RAM

     Następcą napędów CD-ROM jest nowy standard DVD. Dyski i odtwarzacze DVD są bardzo podobne do ich odpowiedników wykonanych w standardzie CD, ale mają nad nimi jedną istotną przewagę: o ile na dysku CD-ROM można zmieścić do 650 MB danych, to pojemność dysku DVD osiąga 4,7 GB, co ze sporym zapasem wystarcza na 2-godzinny wysokiej jakości film. Pojemność kolejnych generacji dysków DVD wzrośnie do 17 GB. Podobnie jak dyski CD-ROM, obecne dyski DVD są przeznaczone tylko do odczytu. Pierwsze napędy DVD z możliwością odczytywania, zapisywania i kasowania, zwane DVD-RAM, pojawiły się na rynku na początku roku 2000. Będą one zgodne ze wszystkimi formatami CD oraz DVD-ROM i będą charakteryzowały się pojemnością 2,6 GB, co uczyni je bardzo przydatnymi do tworzenia kopii zapasowych i archiwizacji.

Chociaż sama płyta CD-ROM nie uległa przez lata praktycznie żadnym zmianom, w konstrukcji napędów nastąpiła prawdziwa rewolucja. Pojawia się pytanie: jak dużą rolę w rozwoju czytników CD-ROM odgrywa nowoczesna technologia oraz co jeszcze można w tej dziedzinie poprawić.
O ile kilka lat temu bardzo niewiele z oprogramowania było sprzedawane na CD-ROM-ach, o tyle obecnie wersje dyskietkowe większości programów są już zupełnie niedostępne lub można je uzyskać tylko na zamówienie. Skonstruowany przez firmę Sony Compact Disc (CD) należy dzisiaj do podstawowego wyposażenia komputera osobistego. Zasada działania tego urządzenia jest stosunkowo prosta. Promień lasera przenika przez poliwęglanową powlokę i dociera do aluminiowej warstwy danych. Warstwa ta posiada spiralną ścieżkę wyposażoną w niewielkie zagłębienia (pits). Gdy promień lasera natrafi na obszar bez zagłębień (lands), wówczas aluminiowa powierzchnia spowoduje jego odbicie w kierunku fototranzystora. Jeśli jednak światło trafi w obszar pit - promień zostanie tak odchylony, że nie powróci już do odbiornika sygnału. Tak zakodowany ciąg informacji jest odczytywany przez skomplikowany układ elektroniczny, który następnie przekształca go w standardowe zbiory danych.
    Gdyby do oznaczania pojedynczych bitów na CD-ROM-ie wykorzystywane były kolejne zmiany obszarów pit i land, to w przypadku większości nośników ich odczyt byłby praktycznie niemożliwy. Już, bowiem niewielkie zarysowania płyty, utrudniające odczyt nośnika, powodowałyby zniekształcenie zapisanych informacji. Z tego też względu dane na płycie CD są zapisywane według innego schematu. Ogólnie rzecz ujmując, jeśli obszary pit i land zmieniają się regularnie, to elektroniczny układ interpretuje je jako kolejne zera logiczne. Dopiero zmiana sekwencji powoduje zdekodowanie logicznej jedynki.
Napęd CD-ROM odczytuje spiralną ścieżkę danych od środka do krawędzi płyty. W przypadku bardzo szybkich napędów rozwiązanie to stwarza jednak pewien problem, gdyż szybkość transmisji danych wyraźnie wzrasta wraz z przesuwaniem się lasera ku brzegowi płyty. Wynika to z faktu, ze odległości pomiędzy obszarami pit i land są stałe, natomiast ścieżka zewnętrzna jest znacznie dłuższa od wewnętrznej. Jednak biorąc pod uwagę szybkość transmisji zjawisko to ma również swoje dobre strony.
    Spiralna ścieżka płyty CD-ROM jest podzielona na sektory, z których każda zawiera 2 kilobajty rzeczywistych informacji. Oprócz nich na nośniku znajduje się jeszcze cały szereg dodatkowych bajtów odgrywających istotną rolę przy synchronizacji dostępu do danych i korekcji błędów. W praktyce obowiązuje ogólna reguła, zgodnie z którą napęd CD-ROM, odczytuje i analizuje około czterokrotnie więcej danych w stosunku do informacji ostatecznie przekazywanych do interfejsu komputera.

Precyzja dzięki trzem silnikom i laserowemu układowi optycznemu.

         Napęd CD-R0M składa się z czterech podstawowych elementów. Jeden z nich stanowi solidna rama, na której osadzona jest metalowa obudowa. Wewnątrz znajduje się blok napędowy zawierający silnik krokowy napędzający płytę, drugi silnik przeznaczony do przesuwania głowicy odczytującej oraz trzeci - do wysuwania i wsuwania szuflady. Do tego bloku wprowadzana jest wspomniana szuflada, która transportuje płytę CD-ROM w stronę osi napędowej i mechanizmu dociskowego. Czwartym składnikiem jest płytka drukowana zawierająca wszystkie układy elektroniczne, m.in. system sterowania silnikami, mechanizm korekcji błędów, interfejs komunikacyjny oraz system kontroli podzespołów napędu.
Najbardziej skomplikowanym elementem mechanicznym jest układ dociskowy, który łączy płytę CD z małym talerzem obrotowym i przyciska ją do łożyska, umieszczonego u góry obudowy napędu. Wózek z czytnikiem laserowym przesuwa się zwykle po dwóch stalowych szynach, które muszą być wykonane tak precyzyjnie, aby jego ruch przebiegał idealnie równo.
Właściwa procedura odczytu danych jest oparta na zasadzie odbicia światła. W tym celu wózek głowicy przemieszcza laserowy układ optyczny poniżej obracającej się płyty CD-ROM, pod kątem prostym do zwojów spirali danych.
    Czas potrzebny do przeprowadzenia takiego pozycjonowania głowicy ma istotny wpływ na szybkość dostępu do danych. Sprzedawane obecnie modele napędów są w stanie rozpocząć transmisję danych do interfejsu komputera w czasie krótszym niż 80 milisekund (tzw. średni czas dostępu). Aby uzyskać taki wynik, mechanizm wózka z czytnikiem laserowym musi działać nie tylko szybko, ale i bardzo dokładnie. Na szybkość pozycjonowania głowicy wpływa również precyzja układu napędowego oraz jakość wykonania stalowych szyn prowadzących wózek.

Wewnętrzny system korekcji błędów.

    CD-ROM przechowuje dane w oddzielnych sektorach, z których każdy ma standardowo wielkość 2 kilobajtów, przy czym nie wszystkie dane na krążku są przeznaczone do zapisywania aplikacji i innych plików użytkowych. Sekwencja obszarów pit i land zawiera, bowiem wiele informacji potrzebnych dla systemu korekcji błędów. Ten wewnętrzny system zabezpieczający jest bezwzględnie konieczny. Nawet prawie nowy krążek może być zanieczyszczony, np. plamami kleju czy odciskami palców. Z czasem na nośniku zaczyna się także osadzać kurz oraz pojawiają się zarysowania, których przy normalnej eksploatacji nie sposób uniknąć. Układ logiczny systemu korekcji błędów musi być, więc w stanie zniwelować błędy odczytu spowodowane uszkodzeniem lub zabrudzeniem powierzchni płyty. W nowoczesnych czytnikach takie obliczenia właściwej sekwencji bitów w uszkodzonych obszarach nośnika powinny trwać bardzo krótko, gdyż w przypadku rosnących szybkości obrotowych napędów dane znacznie szybciej docierają z laserowej głowicy odczytującej.
    Niemal wszystkie dostępne na rynku urządzenia CD-ROM stosują w tej sytuacji pewien sprytny manewr: w momencie, gdy system korekcji błędów przestaje nadążać za strumieniem napływających danych, urządzenie zmniejsza swoją szybkość obrotową. W przypadku mniejszej szybkości układ logiczny ma więcej czasu na ponowną próbę "usunięcia" napotkanego błędu. Przeprowadzone testy wykazały, że czasami szybkość transmisji danych obniża się z 4000 KB/s do poziomu mniejszego niż 100 KB/s. Taki zabieg ma oczywiście negatywny wpływ na ogólną szybkość funkcjonowania całego napędu. Niektóre urządzenia po skorygowaniu błędu nie powracają już do swojej maksymalnej szybkości, co w skrajnym przypadku może oznaczać, że napęd 32-, 36-krotny zamieni się w napęd pojedynczej prędkości. Większość urządzeń jest jednak w stanie zwiększyć z powrotem prędkość i pracować w ten sposób aż do napotkania kolejnego błędu. Pewne nieliczne modele są wyposażone w zaawansowane układy logiczne. Nawet w razie natrafienia na poważne zarysowania nośnika napędy te nie zmniejszają szybkości odczytu i nie zgłaszają systemowi operacyjnemu żadnych błędów.
    Takie działanie nie zawsze jednak musi być regułą. Przy maksymalnej szybkości wiele napędów "poddaje się", rezygnując w ogóle z korekcji błędów. Sytuacja taka może jednak oznaczać, ze poszczególne aplikacje nie będą nadawały się do instalacji lub nie będzie można wykorzystać żadnych danych, gdyż napęd nie potrafi odczytać całego sektora płyty. W tym przypadku problem można rozwiązać w sposób następujący: wystarczy odczytać uszkodzoną płytę w napędzie o bardzo małej szybkości (np. czterokrotnej). Jeśli operacja ta zakończy się powodzeniem, to możemy albo przegrać odpowiednie dane na dysk twardy, albo - o ile dysponujemy nagrywarką CD-ROM - utworzyć kopię całej uszkodzonej płyty.

72-krotna szybkość to jeszcze nie koniec możliwości.

        Dostępne w sprzedaży napędy o 72-krotnej szybkości umożliwiają przesyłanie do 10800 kilobajtów (teoretycznie) danych w ciągu sekundy. Dla użytkownika oznacza to nie tylko możliwość szybkiej transmisji informacji (np. bardzo sprawnej instalacji oprogramowania), ale także poważnego skrócenia czasu dostępu do plików w porównaniu ze starszymi modelami.
Zasadniczy wpływ na szybkość napędu ma jednak nie fizyczny mechanizm napędu, lecz system elektroniczny, co już uwidoczniło się w przypadku korekcji błędów. Jeśli bowiem odczytujący układ logiczny nie będzie nadążał z przetwarzaniem danych, napęd nie będzie mógł wykorzystywać swojej maksymalnej szybkości.
72-krotne zwiększenie szybkości transmisji danych w stosunku do pierwotnego standardu Single-Speed (150 KB/s) nie jest jednak końcem możliwości technicznych w tej dziedzinie. Zapowiadane są urządzenia 1000x, co przekracza możliwości standardowych kontrolerów EIDE. Niejako "na zapas" producenci zaczynają stosować interfejs UltraDMA/33 i transmisję w trybie DMA, choć i te rozwiązania mogą okazać się wkrótce niewystarczające.

Mechanizmy zapobiegające wibracjom.

  W przypadku dużych szybkości obrotowych, występujących już w napędach 16-krotnych i szybszych, pojawia się jeszcze dodatkowy problem. Jeśli kompakt nie jest dokładnie wyważony (otwór nie został umieszczony dokładnie w środku płyty lub istnieją niewielkie różnice w grubości nośnika), to napęd może wpaść w silne wibracje. Pomijając fakt, ze taka sytuacja jest dla użytkownika dość irytująca, jej konsekwencją może być wypadnięcie głowicy laserowej z prowadnicy, co oznacza zniszczenie napędu.
    Mechanizmy zapobiegające wystąpieniu takiego efektu są bardzo proste. Umieszczony we wnętrzu obudowy napędu układ mechaniczny producenci nowych modeli wyposażyli w dodatkowe elementy tłumiące drgania: gumowe lub plastikowe złączki. W ten sposób wibracje wywołane przez obracające się płyty nie są tak silnie przenoszone na pozostałe elementy mechaniczne oraz cały komputer. Wzmocniona została również konstrukcja silnika krokowego, a oś napędową wyposażono w drugie łożysko. Po włożeniu CD-ROM-u unieruchamia ono wspomnianą oś, dzięki czemu płyta obraca się w obszarze pomiędzy górnym i dolnym łożyskiem. Takie bardziej stabilne umocowanie nośnika eliminuje część wibracji występujących przy ruchu obrotowym.

Interfejsy do komputera.

W momencie, gdy na rynku zaczęły pojawiać się pierwsze napędy CD-ROM, ich instalacja sprawiała zwykle sporo problemów. Wiele urządzeń zaopatrzono bowiem we własne, odrębne karty interfejsów, których działanie należało zainicjować w DOS-ie przy użyciu oddzielnego programu instalacyjnego. Dopiero później coraz więcej płyt głównych zaczęto wyposażać w podwójne złącza EIDE, dzięki którym problem został rozwiązany. Do takiej konfiguracji dostosowali się producenci napędów CD-ROM, tworząc obowiązujący obecnie standard ATAPI.

W chwili obecnej, aby zainstalować czytnik CD-ROM, wystarczy go tylko podłączyć do odpowiedniego kontrolera. Windows 95 i Windows NT 4.0 rozpoznają napęd automatycznie. Systemy Windows 31.x i DOS będą potrzebowały l6-bitowvch sterowników, które z reguły znajdują się na dyskietce dołączonej do napędu. Pod względem interfejsu komunikacyjnego prawie żadnym zmianom nie uległy natomiast napędy SCSI. Aby zainstalować takie urządzenie, należy je podłączyć do kontrolera SCSI znajdującego się w jednym ze slotów lub umieszczonego na płycie głównej. Także i w tym przypadku Windows 93 i NT 4.0 z reguły rozpoznają napęd automatycznie, natomiast Windows 3.lx i DOS wymagają dodatkowej instalacji 16-bitowych sterowników. Istotną różnicę pomiędzy standardami SCSI i ATAPI jest cena urządzeń. O ile napędy ATAPI są dość tanie i nie wymagają stosowania zewnętrznego kontrolera, o tyle modele SCSI kosztują często znacznie więcej, a na dodatek trzeba mieć interfejs SCSI.

Uruchamianie komputera z kompaktu.

Od ponad 7 lat najnowsze wersje systemów BIOS oraz kontrolerów SCSI oferują możliwość uruchamiania systemu operacyjnego z poziomu CD-ROM-u. Cały mechanizm funkcjonuje w stosunkowo prosty sposób. Za pośrednictwem systemu BIOS oraz kontrolera EIDE lub SCSI komputer rozpoznaje system operacyjny umieszczony na specjalnej płycie CD. Wówczas przy użyciu stacji CD-ROM emulowany jest napęd A:\ lub C:\.. Dostęp do ścieżek systemowych płyty CD jest jednak w tym przypadku możliwy również bez konieczności emulacji innych napędów.

Szybkość liniowa i kątowa.

Aby napęd CD-ROM mógł transmitować dane ze stałą szybkością, odczytywana płyta musiałaby obracać się ze zmienną szybkością. W momencie, gdy głowica odczytuje wewnętrzny obszar płyty, nośnik musi obracać się nieco szybciej, natomiast w przypadku zewnętrznego obszaru - nieco wolniej. Zmienną szybkość obrotową wykorzystywało w swojej pracy wiele napędów CD-ROM (technologia ta nosiła nazwę CLV - Constant Linear Velocity, czyli stałej prędkości liniowej). Rozwiązanie to ma jednak pewne istotne wady. Silnik napędu musi stale zwiększać i zmniejszać szybkość obracania płyty, w zależności od tego, która ścieżka jest odczytywana przez promień laserowy. Mechanizm taki z jednej strony wprowadza dodatkowe wibracje, z drugiej - niepożądany czas oczekiwania, gdyż głowica odczytująca jest uaktywniana dopiero wtedy, gdy szybkość obrotowa kompaktu będzie zbliżona do optymalnej. Z tych też względów na rynku rozpowszechniła się inna technologia, nosząca nazwę CAV (Constant Angular Velocity). W tym przypadku napęd CD-ROM pracuje zawsze z tą samą szybkością obrotową - bez względu na położenie głowicy odczytującej. Konsekwencja takiego rozwiązania jest większa szybkość transmisji danych, jeśli są one odczytywane z zewnętrznych obszarów płyty. Aby zmniejszyć nieco ten efekt, należy stosować rozwiązanie kompromisowe, któremu nadano nazwę Partial CAV. Płyta CD obraca się wówczas ze stałą prędkością kątową do chwili, w której laser będzie chciał odczytać zewnętrzne ścieżki nośnika (20 procent całego obszaru danych). W tym momencie silnik obniży automatycznie swoją szybkość obrotową. Zastosowanie takiego mechanizmu pozwala na utrzymanie stosunkowo dużych szybkości transmisji, które nie będą jednak zbyt wyraźnie odbiegać od wartości średniej.

CD - Rewritable - wielokrotny zapis i usuwanie.

     Napędy CD - Recordable, czyli popularne nagrywarki są doskonałym rozwiązaniem dla wszystkich tych, którzy zamierzają tworzyć własne płyty CD - ROM.   Za mniej niż 600 USD w USA można już nabyć urządzenie typu Hewlett - Packard SureStore Internal CD- Writer 6020 i zestaw dziesięciu czystych płyt. Jest to napęd o prędkościach 6X - odczyt / 2X - zapis. Cena wydaje się rozsądna, a możliwości spore: zapis 650 MB danych lub 74 minut muzyki. Oczywiście warto by też móc usuwać zawartość zapisanego CD i ponownie go wykorzystać. Do tego służy CD - Rewritable. Pionierem w tym zakresie jest zestaw CD - RW Ricoh Media Master Kit w cenie 699 USD w USA. Zawiera on wewnętrzny napęd MP6200S o prędkościach 6X - odczyt / 2X - zapis i buforze 1 MB. Instalacja urządzenia polega na dołączeniu napędu CD - ROM; następne dziesięć minut to ładowanie oprogramowania. Do celów masowego nagrywania danych na CD najlepiej nadaje się EX CD Pro, zaś DirectCD okazuje się bardziej przydatny przy przenoszeniu pojedynczych plików, gdyż jego interfejs działa na zasadzie przenieś-i-upuść. W ciągu pięciu minut można się przekopiować z twardego dysku na CD - ROM 100 MB. Nieco mniej czasu zajmuje wymazanie danych. Przedstawiciele firmy Ricoh twierdzą, że płyta wytrzymuje 1000 operacji wymazywania. Jeśli nasze potrzeby ograniczają się do jednokrotnego zapisywania danych i nie interesuje nas ich usuwanie, możemy zaoszczędzić całkiem spore pieniądze. Tak było jeszcze niedawno. Dostępne obecnie na rynku napędy oferują możliwość nagrywania CD z prędkością aż 50x, a CD-RW 24x.oraz bufor 8 MB.

Napęd DVD-ROM

DVD

   W 1995 na rynku pojawił się krążek DVD-ROM, a chwilę potem płyty DVD-RAM, pozwalające na wielokrotne nagrywanie danych. Dopiero ten standard wprowadzi nową jakość w przechowywaniu danych na komputerze. Chociaż dziś już bez obaw możemy stwierdzić, że DVD zdobyło sobie popularność i zagościło w obudowch komputerów, to przyczyna sukcesu niezbyt wiąże się z komputerami. Technologia DVD swój sukces zawdzięcza dystrybuowanym na tym nośniku filmom, a nie wykorzystaniu do przenoszenia danych.

Najnowsza fala napędów DVD- ROM i zestawów wykorzystuje tak zwaną technologię drugiej generacji. Produkty DVD - 2 są wolne od problemów dręczących pierwszej wersji urządzenia - niemożność odczytania płyt CD -R i CD - RW, które wraz z obniżką cen stają się coraz bardziej popularne. Nowe zestawy oferują ulepszoną jakość wideo i choć napędy DVD - 2, są wciąż wolniejsze od najszybszych stacji CD - ROM, to zwiększyły prędkość w stosunku do DVD -1. Nowe napędy mogą odczytywać filmy DVD stworzone z myślą o odtwarzaczach masowych, zaś płyty DVD - ROM nie będą czytane przez odtwarzacze telewizyjne.
    Napędy DVD-ROM były solą w oku wielu producentów komputerów. Problem polegał na zgodności i jakości. Brak możliwości czytania wszystkich formatów CD-ROM bardzo niepokoił producentów komputerów jak Dell, dlatego wstrzymywali się z wdrożeniem nowych rozwiązań.
    DVD może uprzyjemnić pracę z komputerem. Technologia zrobiła milowy skok w dziedzinie rozrywki komputerowej. Płyty DVD-ROM o pojemności kilkukrotnie większej od krążków CD-ROM wykorzystują możliwości komputera w celu odtwarzania najnowszych filmów, gier oraz tytułów multimedialnych.
    Ogromna pojemność dysków DVD oznacza, że zyskają wszystkie aplikacje, które będą mogły korzystać z większej ilości danych, użytecznych szablonów, multimedialnych pomocy i podręczników. Wywodząc swe korzenie z systemów odtwarzania filmów DVD dysponuje ponad 500 tytułami filmowymi, a programy DVD mogą wykorzystywać wideo wysokiej rozdzielczości MPEG - 2, dźwięk Dolby AC - 3 Surround Sound i grafikę 3D.
    Zanim jednak nastąpi ostateczne przejście na standard DVD-2 kupujący spotkają się z napędami pierwszej i drugiej generacji, które oferowane są obecnie w sprzedaży. Zestawy DVD-ROM nie są proste w instalacji - składają się z wielu komponentów i mogą powodować konflikty sprzętowe z kartami graficznymi.

Wiele twarzy DVD.

    DVD to skomplikowany system - wyposażenie niezbędne do przechowywania gigabajtów danych, ale również sprzęt odtwarzania plików wideo i audio teatralnej jakości. Ogromna pojemność dysków wpłynie na pewno na sposób tworzenia programów. Podczas, gdy zwykłe płyty CD-ROM mogą maksymalnie pomieścić 650 MB danych, DVD 4,7 GB na jednej stronie - prawie siedem razy więcej. Przyszłe płyty DVD będą mogły przechowywać dane na obu stronach i wykorzystywać dwuwarstwowe nośniki, co da w wyniku 4 warstwy na obu stronach po 4,7 GB danych. W rezultacie można będzie pomieścić 17 GB danych, czyli prawie 27 razy więcej niż na obecnych płytach CD-ROM.
    DVD to nie tylko przechowywanie danych. Nowe medium stara się przejąć rynek wideo wykorzystujący komputer w standardzie MPEG-2, który jest znacznie lepszej jakości od poprzednio stosowanego MPEG-1. Wideo kompresowane w standardzie MPEG-2 może być wyświetlane w rozdzielczości 720x480, czterokrotnie większ3ej od MPEG-1 (325x240). Dla kontrastu prędkość wyświetlania wideo MPEG-1 jest ograniczona do 150 kB/s, aby mogło być wyświetlane nawet przez najstarsze napędy CD-ROM. Dlatego też w zestawieniu z wideo MPEG - 1, porównywalnego do złej jakości obrazu VHS, MPEG-2 przewyższa jakość dysków laserowych - wyznacznika jakości domowych systemów wideo. Potencjalni klienci mogą oczekiwać, że wideo wysokiej jakości pojawi się w wielu produktach począwszy od gier komputerowych i programów multimedialnych, a skończywszy na programach pomocy osadzonych w aplikacjach, takich jak np. Quicken.
    Zestawy DVD poprawiają jakość dźwięku komputera. Jeżeli podłączymy komputer wyposażony w DVD do wysokiej jakości systemu audio surround składającego się z pięciu głośników i subwoofera, będziemy mogli w pełni korzystać z dźwięku DVD Dolby AC-3. DVD transformują sygnał dźwiękowy AC-3 na "komputerowy dźwięk 3D", który symuluje efekt dźwięku "otaczającego" użytkownika.

Podstawowe formaty DVD:

4,7 GB (ok. 2,2 godzin wideo) jednostronny, jednowarstwowy dysk
8,5 GB (ok. 4 godzin wideo) jednostronny, dwuwarstwowy dysk
9,4 GB (ok. 4,4 godzin wideo) dwustronny, jednowarstwowy dysk
17 GB (ok. 8 godzin wideo) dwustronny, dwuwarstwowy dysk

Szybkość odczytu - 1x = 1350 KB/s lub 2x = 2700 KB/s dla dysku DVD i CD-ROM

Zgodność - Większość napędów DVD potrafi odczytywać płyty zapisane w standar-dach CD-ROM, CD-R i CD-RW.
Poprawne odtworzenie filmu na pececie umożliwia dowolny komputer klasy Pentium II, który wyposażony zostanie w odpowiedni odtwarzacz programowy. Aby jednak w pełni rozkoszować się nowymi możliwościami, należy zaopatrzyć się w kartę dekodera MPEG-2, która często dołączana jest do czytników DVD-ROM. Oprócz płynnego obrazu zapewni ona również wysokiej klasy cyfrowy, wielokanałowy dźwięk.

Pojemność nośników pamięci.

  W początkowym okresie powstawania i rozwoju komputerów wielkość informacji mierzono w kilobajtach. Okres tren nie trwał jednak długo. Postęp techniczny sprawił, że komputery stawały się coraz szybsze, mniejsze i tańsze. W ślad za tym nośniki danych stawały się coraz mniejsze, coraz bardziej pojemne i tańsze. Półcalowe taśmy Dysana ustępują najpierw miejsca 8" dyskietkom. Te z kolei zostają wkrótce wyparte przez dyskietki 5,25" i 3,5". Obecnie miejsce dyskietek zajęły już zdecydowanie płyty CD-R oraz CD-RW. Wykres nr 1 pokazuje gwałtowny wzrost pojemności kolejnych generacji nośników pamięci oraz obrazuje wysiłki producentów nośników, aby produkować coraz bardziej pojemne i tanie nośniki. Wykres 2 pokazuje natomiast wymagania pamięciowe współczesnych programów multimedialnych, plików filmowych oraz dźwiękowych.

Widoczne różnice w ilości danych na tej samej powierzchni płyty CD i DVD

Nośnik CD-ROM

Standard zapisu dźwięku na płytach CD, obecnie nazywany CD-DA (Compact Disc - Digital Audio) opracowany zostały przez firmę Philips i Sony w 1982 roku. Do odtwarzania danych (dźwięku) z tych płyt służy czytnik CD pracujący z szybkością 176 KB/s (44100 próbek 16 bitowych na sekundę, dla każdego kanału stereo).

Trzy lata później opracowany został standard CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) umożliwiający odczyt informacji cyfrowych innych niż dźwięk.

W 1987 roku opracowano standard CD-I (Compact Disc - Interactive), a następnie bazujący na nim standard CD-ROM XA (XA - Extended Architecture) umożliwiający jednoczesny odczyt danych, dźwięku i obrazu.

W 1990 roku powstała specyfikacja CD-R (Compact Disc - Recordable) dla płyt zapisywalnych.

Powyższe standardy definiują fizyczną i logiczną strukturę płyty oraz metody korekcji błędów, lecz pomijają sposób kodowania hierarchicznej struktury katalogów oraz nazw plików.

Lukę tę zapełnia opracowany w 1985 roku standard znany pod nazwą High Sierra, po drobnych modyfikacjach zatwierdzony przez International Organization for Standardization jako norma ISO 9660. Specyfikacja ta opisuje sposób kodowania i obsługi struktury plików oraz katalogów na wszystkich platformach sprzętowych. Założony uniwersalizm narzuca jednak dość drastyczne ograniczenia. Nazwy powinny składać się z najwyżej 8 znaków (plus 3 znaki rozszerzenia) oraz zawierać jedynie litery, cyfry i znaki podkreślenia. Nazwy katalogów nie mogą posiadać rozszerzenia, a ich zagłębienie nie może przekroczyć ośmiu poziomów.

CD-R

Dysk CD jest cienkim nośnikiem powleczonym optyczną warstwą poliwęglanów z milionami mikroskopijnych wgłębień odciśniętych i układających się w kształt spirali rozciągającej się do zewnątrz nośnika. Generalnie, CD-R składa się z czterech warstw: warstwy nośnej z poliwęglanu (plastikowa tarcza), warstwy barwnej (Dye, topi się podczas zapisu), złotej lub aluminiowej warstwy odbijającej i ochronnej warstwy z lakieru. Właściwe informacje laser wypala w warstwie barwnika umieszczonej przed warstwą odbijającą. W procesie zapisu barwnik wytapia się, odsłaniając odbijającą światło powierzchnię. Podobnie jak stara dobra płyta długogrająca, również CD-R posiada spiralny rowek prowadzący (groove). Podczas zapisu i odczytu rowek wskazuje laserowi drogę poprzez całą powierzchnię płyty.
Ułożenie wgłębień na dysku tworzy cyfrowy kod sygnału audio a także jest nośnikiem informacji dla lasera odtwarzacza. Wiązka lasera oświetla dysk i podąża za spiralnym ułożeniem kolejnych wgłębień. Światło odbija się od powierzchni dysku dzięki cienkiej warstwie aluminium nakładanej na krążek w procesie produkcyjnym. Warstwa aluminium jest chroniona przed utlenieniem i zniszczeniem przez warstwę żywicy. Najbardziej podatną na uszkodzenia częścią dysku jest jego powierzchnia. Wiązka lasera zostaje skupiona na warstwie aluminium nieco ponad powierzchnią dolnej części dysku, tak, więc drobne rysy i uszkodzenia nie powodują utrudnień w odczycie. Warstwa plastiku wspomaga skupianie wiązki lasera działając jak soczewka i redukując szerokość wiązki z 0,8 mm (przy wejściu) do 0,001 mm (przy wyjściu z warstwy plastiku). Światło lasera skupione na wewnętrznej warstwie aluminiowej zostaje odbite i trafia ponownie do czujnika optycznego w odtwarzaczu. Sensor interpretuje wartość powracającego sygnału na podstawie zmian kąta odbicia wiązki napotykającej zagłębienia i powierzchnie płaskie na nośniku, generując w ten sposób cyfrowy sygnał "zmiana/bez zmian" zawierający informacje o zapisanej ścieżce oraz informacje dotyczące adresów. Konstruktorzy płyty CD, zdając sobie sprawę z możliwości powstawania błędów na płytach w skutek fizycznych uszkodzeń, zaszyfrowali dane na płycie w sposób nieuporządkowany (np. ścieżka dźwiękowa utworu jest rozrzucona na całej powierzchni płyty). Dzięki temu drobne fizyczne uszkodzenia nie powodują błędów w odczycie ścieżek przez odtwarzacz. Elektroniczny układ korekcji błędów odtwarzacza odnajduje i łączy kolejne fragmenty ścieżki, a część utraconą na skutek zniszczenia fizycznego, odbudowuje na podstawie zadanego algorytmu.

Budowa płyty CD

CD-R

Dysk CD jest cienkim nośnikiem powleczonym optyczną warstwą poliwęglanów z milionami mikroskopijnych wgłębień odciśniętych i układających się w kształt spirali rozciągającej się do zewnątrz nośnika. Generalnie, CD-R składa się z czterech warstw: warstwy nośnej z poliwęglanu (plastikowa tarcza), warstwy barwnej (Dye, topi się podczas zapisu), złotej lub aluminiowej warstwy odbijającej i ochronnej warstwy z lakieru. Właściwe informacje laser wypala w warstwie barwnika umieszczonej przed warstwą odbijającą. W procesie zapisu barwnik wytapia się, odsłaniając odbijającą światło powierzchnię. Podobnie jak stara dobra płyta długogrająca, również CD-R posiada spiralny rowek prowadzący (groove). Podczas zapisu i odczytu rowek wskazuje laserowi drogę poprzez całą powierzchnię płyty.
Ułożenie wgłębień na dysku tworzy cyfrowy kod sygnału audio a także jest nośnikiem informacji dla lasera odtwarzacza. Wiązka lasera oświetla dysk i podąża za spiralnym ułożeniem kolejnych wgłębień. Światło odbija się od powierzchni dysku dzięki cienkiej warstwie aluminium nakładanej na krążek w procesie produkcyjnym. Warstwa aluminium jest chroniona przed utlenieniem i zniszczeniem przez warstwę żywicy. Najbardziej podatną na uszkodzenia częścią dysku jest jego powierzchnia. Wiązka lasera zostaje skupiona na warstwie aluminium nieco ponad powierzchnią dolnej części dysku, tak, więc drobne rysy i uszkodzenia nie powodują utrudnień w odczycie. Warstwa plastiku wspomaga skupianie wiązki lasera działając jak soczewka i redukując szerokość wiązki z 0,8 mm (przy wejściu) do 0,001 mm (przy wyjściu z warstwy plastiku). Światło lasera skupione na wewnętrznej warstwie aluminiowej zostaje odbite i trafia ponownie do czujnika optycznego w odtwarzaczu. Sensor interpretuje wartość powracającego sygnału na podstawie zmian kąta odbicia wiązki napotykającej zagłębienia i powierzchnie płaskie na nośniku, generując w ten sposób cyfrowy sygnał "zmiana/bez zmian" zawierający informacje o zapisanej ścieżce oraz informacje dotyczące adresów. Konstruktorzy płyty CD, zdając sobie sprawę z możliwości powstawania błędów na płytach w skutek fizycznych uszkodzeń, zaszyfrowali dane na płycie w sposób nieuporządkowany (np. ścieżka dźwiękowa utworu jest rozrzucona na całej powierzchni płyty). Dzięki temu drobne fizyczne uszkodzenia nie powodują błędów w odczycie ścieżek przez odtwarzacz. Elektroniczny układ korekcji błędów odtwarzacza odnajduje i łączy kolejne fragmenty ścieżki, a część utraconą na skutek zniszczenia fizycznego, odbudowuje na podstawie zadanego algorytmu.

Nośnik CD-RW

CD-RW ( Compact Disc Rewriteable ) CD-E ( Compact Disc Erasable ) - nośniki wielokrotnego zapisu. Produkcja tych dysków rozpoczęła się w 1995 roku. Dzięki zastosowaniu substancji występujących w normalnej temperaturze w dwóch postaciach: krystalicznej i amorficznej, osiągnięto możliwość wielokrotnej zmiany właściwości optycznych nośnika. Zapisu informacji dokonuje się techniką zmiennofazową ( Phrase Change Dual Action ) i z użyciem głowicy z laserem o stosunkowo dużej mocy, emitującym fale o długości 650 nm. Podczas zapisu następuje ustalenie postaci poszczególnych obszarów nośnika przez odpowiednie podgrzanie i ochłodzenie. Odczyt jest realizowany identycznie jak w dyskach CD-ROM laserem małej mocy.

     Zasadniczą i najpoważniejszą nowością jest wewnętrzna struktura płyty CD-RW.

     Aby przystosować płytę do zapisu zmiennofazowego, należało stworzyć nośnik o odmiennych właściwościach chemicznych. Warstwa nagrywana jest teraz zbudowana ze stopu czterech pierwiastków (srebro, ind, antymon, tellur). Posiada ona zdolność zmiany przezroczystości zależnie od mocy padającej na jej powierzchnię wiązki lasera. Absolutnym novum jest, oczywiście, fakt, że zmiany powierzchni płyty spowodowane nagrywaniem są odwracalne. Oznacza to, że wypalony i nieprzezroczysty punkt może pod wpływem działania światła o specjalnie dobranym natężeniu zmienić swoje własności i stać się nieprzezroczystym. Warstwa główna jest otoczona z obu stron powłokami materiału dielektrycznego, który ma za zadanie poprawienie odprowadzania ciepła z nośnika. Staje się to bardzo istotne, gdyż skumulowane ciepło mogłoby skasować wcześniej zapisane na płycie informacje. Najdalej od głowicy lasera leży warstwa srebra, która jest właściwym elementem odbijającym światło.
    Również nieco inny jest mechanizm nanoszenia zmian na płytę. Elementem umożliwiającym kasowanie i powtórny zapis danych na dysku CD-RW jest laser o zmiennej mocy. Standardowe nagrywarki CD-R mogły emitować wiązkę światła o dwóch różnych natężeniach: bardzo małym - tylko do odczytu i w żaden sposób nie zmieniającym struktury nośnika - oraz bardzo dużym - służącym do miejscowego i gwałtownego podniesienia temperatury warstwy głównej. Jeśli punkt na płycie został naświetlony podczas nagrywania laserem dużej mocy, w warstwie nośnika zachodziły odpowiednie reakcje i stawała się ona nieprzezroczysta. Przez obszar nie naświetlony laserem dużej mocy światło mogło nadal bez przeszkód docierać do warstwy refleksyjnej.
W przeciwieństwie do swojego poprzednika nośnik CD-RW, dzięki specjalnemu składowi, reaguje całkowicie odmiennie na wiązkę światła o średniej mocy. Naświetlenie nią punktu powoduje odwrócenie ewentualnych wcześniejszych zmian i przywrócenie płycie stanu początkowego. Zmiennofazowa technika zapisu umożliwia również bezpośrednie nadpisywanie danych bez wstępnego czyszczenia przeznaczonego dla nich miejsca. Przyspiesza to całą operację, gdyż jeśli konieczne byłoby uprzednie usunięcie zawartości (tak jak to jest np. w nośnikach magnetooptycznych), każda operacja musiałaby przebiegać dwukrotnie. Zabieg powtórnego zapisu może być wykonywany wielokrotnie. Jednak wbrew niektórym przekonaniom, istnieje granica wytrzymałości nośnika. Zazwyczaj wynosi ona około tysiąca cykli nagraniowych. Nie jest to oszałamiająco dużo, ale zakładając że daną płytę kasuje się raz w tygodniu, zostałaby ona zniszczona dopiero po 19 latach nieprzerwanego użytkowania. Raczej niemożliwe jest, aby jakikolwiek produkt cieszył się popularnością przez 20 lat. Trzeba zdać sobie sprawę, że za kilka lat z pewnością zostanie wynaleziony nowy sposób przechowywania danych i CD-RW straci swoją pozycję.
    Nieuniknione zmiany musiały dotknąć także samych urządzeń nagrywających, są one jednak minimalne. Główne modyfikacje przeprowadzono w elektronice, a korekty układu optycznego są bardzo nieznaczne. Dzięki temu nagrywarki CD-RW są w stanie bez żadnych problemów nagrywać zwykłe krążki CD-R. taka własność czyni je urządzeniami uniwersalnymi. Niewielkie różnice sprzętowe powodują także, że cena nagrywarki CD-RW jest tylko minimalnie wyższa od ceny nagrywarki standardowej (CD-R). Podłączenie napędu do komputera przebiega w sposób standardowy. Najczęściej używa się magistrali SCSI, która zapewnia dużą stabilność transferu. Coraz więcej urządzeń nagrywających wykorzystuje jednak interfejs ATAPI. Nie wymaga on specjalnego kontrolera, a przy szybkich komputerach, spadek wydajności i stabilności w stosunku do SCSI jest praktycznie niezauważalny.
     Zaletą CD-RW, która na pewno przysporzy tej technologii przychylność użytkowników, jest możliwość zastosowania tego samego oprogramowania, jak w przypadku CD-R. Podobnie jak w sprzęcie wprowadzona tu tylko drobne modyfikacje. Zazwyczaj jest to jedna opcja w menu lub dodatkowe okienko, pozwalająca na kasowanie zawartości uprzednio nagranej płyty. Istnieją dwie metody usuwania danych, znajdujących się na nośniku CD-RW: szybka i pełna. Pierwsza niszczy tylko część informującą o formacie i objętości dotychczasowych nagrań. Umożliwia to bezpośrednie odczytanie dalszych fragmentów płyty, jednak pozostawia fizyczną, binarną reprezentację danych. Natomiast drugi sposób kasuje dokładnie całą zawartość, jednak zamiast dwóch minut trwa pół godziny.

DVD-ROM

Pomysł stworzenia nośnika DVD miał na celu zastąpienie funkcjonalnie CD, z oferowaniem znacznie większych pojemności. Specyfikacja DVD-ROM przewiduje możliwość zapisu nawet 17 GB na jednej płycie, podczas gdy CD-ROM - jedynie 650 MB. Właśnie ze względu na pojemność nośnika sięgnęli po niego producenci filmów. Natomiast producenci oprogramowania zachowują się tak, jakby nie znaleźli jeszcze dla niego zastosowania, poza grami przygodowymi i encyklopediami. Jednak to, co dzieje się na rynku, nie przeszkadza myśleć o DVD jako o znakomitej technologii pozwalającej na przechowywanie dużej ilości danych.

Zainteresowanych jest wielu: banki, producenci multimediów, itd. Dlatego w 1995 r. konsorcjum, stworzone przez dziesięć firm (Hitachi, JVC, Matsushita, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, SGS Thomson, Time Warner i Toshiba), zatwierdziło specyfikację nowego standardu nazwanego DVD w celu jego rozpowszechnienia i przestrzegania założeń technicznych. Forum DVD (Hitachi, Kodak, Panasonic, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, Thomson, Toshiba i JVC) określiło format zapisu danych, uznając DVD-RAM za standard zapisywalnego nośnika. Trzy lata później zapisywalne i kasowalne płyty DVD można było już nabyć. Wbrew porozumieniom z 1995 r. na rynku pojawiły się 4 niezgodne ze sobą formatów: DVD-R, DVD-RAM, DVD+RW i DVD-R/W. W rezultacie płyty zapisanej w jednym z wymienionych formatów nie można odczytać w innym. Rozbieżność rozwiązań jest rezultatem walki producentów o to, kto przez najbliższe 5 lat będzie panował na rynku urządzeń do archiwizacji danych. Wiadomo, bowiem, że zapisywalne DVD wyprą z rynku płyty CD, taśmy wideo i nawet mogą stać się alternatywą dla dysków twardych dzięki dużej pojemności i szybkości odczytu. DVD-R oferuje co prawda większe (maksymalnie 7,9 GB) pojemności, ale można go nagrać tylko raz.

DVD (ang. Digital Video Disk) - to cyfrowy dysk tylko-do-odczytu, opracowany w celu przechowywania filmów wideo w postaci cyfrowej. Jego pojemność (od 4,7 GB w najprostszej wersji do 17 GB przy dysku dwustronnym) umożliwia zapis od 135 do 540 minut skompresowanego (za pomocą kompresji MPEG-2) filmu o jakości studyjnej wraz z kilkoma ścieżkami audio (Aby zapobiec tworzeniu pirackich kopii cały świat podzielony został na siedem stref, którym przypisano różne kody. Dlatego filmu kupionego np. w Ameryce nie będzie można odtworzyć w Polsce, ponieważ kod zapisany na dysku nie będzie zgodny z kodem wymaganym przez wszystkie odtwarzacze DVD sprzedawane w Europie). Zasada działania płyty wideo jest bardzo podobna jak płyty CD: informacje zapisane w kodzie binarnym w postaci drobnych rowków (ang. pits) w powierzchni (ang. land) odczytywanych z dysku przez promień lasera. Komputer dokonuje dekompresji za pomocą specjalnego dekodera MPEG i wysyła je na ekran komputera. Rozróżniamy 3 rodzaje napędów tego typu:

DVD-ROM (ang. Digital Video Disk Read-Only Memory) to wersja dysku DVD, nośnik danych stosowany w informatyce.
DVD-R (ang. Digital Video Disk Recordable) to zapisywalny dysk DVD.

Nagrywanie DVD-RAM

Dane zapisane są w obszarach, które mają postać ciągu struktur land-groove (wyspa-rowek), układających się na powierzchni płyty w spiralną ścieżkę. Płyta zbudowana jest z materiału zmieniającego stan z amorficznego w krystaliczny pod wpływem działania promienia lasera. Gdy moc promienia lasera jest większa, materiał staje się krystaliczny (przepuszczalny), przy mniejszej mocy promienia - amorficzny (nieprzepuszczalny). Podobnie jest z usuwaniem danych - w tym procesie następuje zmniejszenie mocy lasera, czyli zmiana temperatury i przywrócenie krążkowi stanu krystalicznego. Dla czytnika DVD nie ma różnicy, czy czyta płytę tłoczoną, czy RAM.             Promień lasera przechodzi przez warstwę przezroczystą, dociera do warstwy refleksyjnej, odbija się i wraca do głowicy - tak samo w płycie tłoczonej zachowuje się land. Za to w obszarze amorficznym promień lasera jest zaginany - jak w przypadku pitu (wklęsłe wytłoczenie) w płycie tłoczonej. Powierzchnia płyty, na którą nagrywane są dane, podzielona jest na 24 strefy. Każda strefa zawiera 1888 ścieżek (944 land, 944 groove), ścieżki zaś składają się z sektorów - wszystkie podziały zostały wcześniej wytłoczone na płycie (dzięki temu nie ulegną przypadkowemu skasowaniu). W strefie leżącej najbliżej środka płyty przypada 17 sektorów na ścieżkę, a w najbardziej zewnętrznej - 40 sektorów na ścieżkę. Każdy sektor rozpoczyna się wytłoczonym, (czyli niedającym się skasować) znacznikiem ID, który pozwala napędowi na zlokalizowanie sektorów. Tuż przy wewnętrznym brzegu powierzchni płyty wytłoczone są dane umożliwiające identyfikację medium -   DVD-RAM. Dane zapisywane są na spiralnej ścieżce, dzięki czemu możliwy jest precyzyjny zapis dużych strumieni danych, np. wideo. Całkowita pojemność jednej strony płyty wynosi 2,6 GB. Krążek DVD-RAM ze względu na bezpieczeństwo umieszczono w obudowie. Nie wyklucza to jednak używania go jako klasycznego krążka bez obudowy. Kryje się tutaj pewna wada DVD-RAM - okazuje się, że jedynie dyski jednostronne mogą być wyjmowane bez uszkadzania obudowy, przy wyjmowaniu dysków dwustronnych trzeba pomajsterkować.
DVD-RAM może zapisywać wielokrotnie 5,2 GB danych. Jak widać, DVD-RAM ze względu na wszechstronność, a przede wszystkim pojemność, ma szansę stać się poszukiwanym medium do archiwizacji dużych ilości danych.

DVD-RAM (ang. Digital Video Disk Random Access Memory) to wielokrotnie zapisywalny, kasowalny dysk DVD, wykorzystywujący technologię phase change.

12

---