Zapis optyczny informacji, budowa i parametry płyty CD. Budowa i działanie napędu CD i DVD

Zasady odczytywania i zapis danych.       Średni czas dostępu – jest to czas w jakim wózek głowicy przemieści się nad obszar z żądanymi danymi. Obecnie napędy posiadają czas dostępu na poziomie 70-90 ms. System korekcji błędów – jest to układ korygujący błędy odczytu spowodowane uszkodzeniem lub zabrudzeniem płyty. W tym celu napęd przelicza właściwą sekwencję bitów w tych obszarach. Zajmuje to trochę czasu, dlatego kiedy system korekcji nie nadąża za strumieniem danych napęd zmniejsza swoją prędkość obrotową. Ma to negatywny wpływ na szybkość przesyłania danych. Najnowsze modele wyposażone są w zaawansowane systemy korekcji, które nadążają za napływającymi danymi i nie zmniejszają prędkości. Interfejs – napęd CD-ROM podłączamy do złącza EIDE. Urządzenia tego typu pracują w standardzie ATAPI. Innym Standardem jest SCSI. Jego zaletą jest stabilniejsza praca i niezakłócony transfer. Wymaga oddzielnego kontrolera SCSI. Dysk CD to krążek z tworzywa zwanego poliwęglanem o średnicy 80 mm, na którego jednej stronie (tej „kolorowej”) jest umieszczona spiralna pojedyncza ścieżka, biegnąca od środka dysku do jego zewnętrznej krawędzi. Takie rozwiązanie ścieżki zapewnia identyczne położenie początku ścieżki. Na ścieżkę napylona jest cieniutka warstwa aluminium lub złota, która ma za zadanie lepiej odbijać odczytujący dane promień lasera a z wierzchu pokryta jest dodatkowo warstwą bezbarwnego lakieru, na którym umieszczane są napisy lub obrazki. Z drugiej strony (tej, od której dysk jest odczytywany) znajduje się czyste tworzywo, co oddala powierzchnię narażoną na zarysowania i zabrudzenie od właściwej ścieżki, zwiększając odporność na błędy podczas odczytu. Proces produkcji dysków CD w dużym uproszczeniu sprowadza się do odbicia w nośniku specjalnej matrycy, a więc można mówić o tłoczeniu dysków CD. Ścieżka (o długości max. ok. 6 km) składa się z mikroskopijnych zagłębień i wypukłości, zwanych odpowiednio pitami i landami. Zmiana stanu z pitu na land lub odwrotnie oznacza stan logiczny „1”, brak zmiany – „0”. Podczas odczytu na dysk znajdujący się w napędzie CD-ROM pada światło lasera. Jeżeli promień lasera padnie na pit (czyli pojedyncze zagłębienie na płycie kompaktowej) odpowiedni czujnik rejestruje brak jego odbicia (promień lasera jest wówczas rozpraszany). Natomiast, gdy światło lasera urządzenia odczytującego pada na powierzchnie płaską płyty (tzw. land) czujnik rejestruje jego odbicie. Te informacje zmieniane są na ciąg zer oraz jedynek i w ten sposób komputer odczytuje dane z krążka. 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, odbijającym światło.   Rysunek 7: Profil budowy płyty kompaktowej.   Podstawowa zasada działania napędów CD-ROM w zasadzie się nie zmieniła od czasu skonstruowania pierwszych urządzeń tego typu. Każdy czytnik składa się z czterech elementów. Najbardziej widoczna jest solidna metalowa rama, na której osadzona jest obudowa. Wewnątrz znajduje się blok napędowy zawierający zwykle trzy silniki. Pierwszy z nich wprawia płytę w ruch obrotowy, drugi odpowiada za pozycjonowanie głowicy odczytującej, a trzeci służy do wsuwania i wysuwania tacki, na której umieszcza się krążek. Ramię z układem optycznym przesuwane jest zwykle wzdłuż dwóch solidnych, stalowych prowadnic. Od precyzji ich wykonania zależy między innymi szybkość pozycjonowania głowicy. Czwartym istotnym elementem są układy elektroniczne odpowiadające za sterowanie silnikami krokowymi, mechanizm korekcji błędów i interfejs komunikacyjny. Aby zrozumieć zasadę działania napędu CD-ROM, trzeba poznać budowę samego nośnika. Płyta CD o średnicy 12 centymetrów (rzadziej 8 cm) i grubości 1,2 milimetra wykonana jest z kilku warstw. Promień lasera przenika przez dolną, poliwęglanową powłokę nośnika i dociera do warstwy, na której zapisane są dane. Odczyt odbywa się w sposób bezkontaktowy za pomocą promienia świetlnego, który odbija się od dolnej, aluminiowej powłoki. Aby dokładnie wychwycić minimalne różnice w strukturze ścieżki, wykorzystywany do odczytu laser diodowy musi emitować strumień światła o wyjątkowo małej długości fali. Z tego powodu stosuje się promieniowanie podczerwone (780 nm.). Warstwa danych ma strukturę spiralnej ścieżki, w której wytłoczone są małe zagłębienia (pits). Gdy promień lasera trafi na obszar bez zagłębień (land), odbija się, a mały pryzmat kieruje go do fotodiody, w której zamieniany jest na prąd elektryczny. Jeżeli promień trafi w obszar z wgłębieniem, zostanie rozproszony i nie powróci do odbiornika sygnału. Impulsy prądowe powstające podczas odczytu danych tworzą zakodowany ciąg informacji docierający do specjalnego układu elektronicznego. Kolejne zmiany obszarów pit i land nie oznaczają jednak sekwencji pojedynczych bitów. Dane na płycie CD-ROM odczytywane są według innego schematu. Fotokomórka przechwytująca odbity od powierzchni promień laserowy rozpoznaje przejście od stanu jasnego do ciemnego. Nośnikiem informacji nie jest, więc sama wartość, lecz jej zmiana. Normalną sytuacją na płycie CD jest ciągła zmiana pomiędzy obszarami pit i land. Jedynie odstępstwo od tej reguły oznacza logiczną jedynkę. Regularne następowanie po sobie kolejnych wartości pit i land mechanizm odczytujący interpretuje natomiast jako ciąg zer. Logiczna jedynka stanowi, zatem zamierzoną nieprawidłowość w regularnym ciągu pit-land. Standardowe nagrywarki CD-R mogły emitować wiązkę światła o dwóch różnych natężeniach: bardzo małym – tylko do odczytu i w żaden sposób niezmieniającym 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 nienaświetlony 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. Zabieg powtórnego zapisu może być wykonywany wielokrotnie, istnieje granica wytrzymałości nośnika – zazwyczaj wynosi ona około tysiąca cykli nagraniowych. CLV – Constant Linear Velocity – dla zapewnienia stałego liniowego transferu danych napęd musi nadążać przez proporcjonalną zmianę wirowania krążka CD. Odbywa to się kosztem tzw. czasu dostępu, co rzutuje na szybkość odczytu danych.  CAV – Constant Angular Velocity – jest dużo wydajniejsza od poprzedniej. Dysk kręci się ze stałą prędkością bez żadnych opóźnień, a napęd charakteryzuje się dużo większą niezawodnością. Ogólny transfer to średnia (min+max)/2.  P-CAV – Partial Constant Angular – Velocity to połączenie obu wyżej wymienionych technik. W początkowej fazie wzrasta transfer danych napędu – tryb CAV – a po uzyskaniu maksimum napęd będzie zwalniać i ustali się stała szybkość transferu danych. Napędy z tego typu technologią odczytu osiągają szybciej maksymalną prędkość a przy tym transfer danych jest wyższy.             Dysk kompaktowy – mały wymienny krążek wykonany z tworzywa sztucznego o średnicy 12 cm i grubości 1.2 mm potrafi pomieścić ok. 650 MB 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.   Rysunek 8: Odczyt kompaktu.   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. Najmniejszą jednostką informacji na dysku jest tzw. Bit kanałowy. Jeden bajt informacji prezentowany jest na dysku za pomocą 14-bitów kanałowych.       Rysunek 9: Droga lasera w napędzie optycznym.   Spiralna ścieżka podzielona jest na sektory o stałej długości. Każdy sektor zawiera 3234 bajty, z czego 2352 bajty to dane, a pozostałe 882 bajty to informacja kontrolna służąca do detekcji i korekcji błędów. Odczyt informacji z dysku odbywa się ze stałą prędkością, wg tzw. Systemu CLV (ang.: Constant Linear Velocity – stała prędkość liniowa), którą można osiągnąć poprzez zmienną prędkość obrotową. Dysk wiruje szybciej, gdy głowica odczytu zbliża się do środka dysku. Dla przykładu: pierwsze czytniki CD odczytywały dane z szybkością 150 KB/s (prędkość liniowa odczytu 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, ma ujemny wpływ na czas dostępu do danych. Współczesne czytniki dysków pracują z szybkościami 24-, 32-, 36-krotnymi w stosunku do swego protoplasty. Oczywiście, aby zwiększyć 10-krotnie szybkość odczytu, należy zwiększyć również 10-krotnie szybkość obrotową dysków. Średni czas dostępu wynosi we współczesnych czytnikach od 70 do 150 milisekund.     Rysunek 10: Land-and-Groove-Recording   Do zapisu danych wykorzystuje się, więc specjalne rozwiązania, np. technikę Land-and-Groove-Recording. Zapisywalny nośnik danych jest z reguły wstępnie podzielony na ścieżki. Podczas odczytu laser może czasem „zgubić” ścieżkę. Błąd taki jest tak szybko korygowany, że użytkownik nie jest w stanie tego zauważyć. Przy zapisie danych musi być zachowana większa precyzja. Gdy w tym przypadku laser opuści ścieżkę, taki nośnik ulegnie zniszczeniu. Z tego też względu zapisywalne płyty mają wcześniej zdefiniowane ścieżki. Dzięki ich ukośnym „ścianom” istnieje możliwość dokładniejszego poprowadzenia promienia laserowego podczas zapisu danych. W przypadku płyt CD-R informacje można zapisywać wyłącznie w ścieżkach (groove). Nowa technologia pozwala na podwojenie pojemności płyt przez wykorzystanie do zapisu także wypukłych obszarów nośnika (land). Z uwagi na konieczność zapewnienia wysokiej precyzji zapisu niektóre nośniki umieszcza się w specjalnych obudowach (cartridges), co uniemożliwia ich odczyt w normalnych odtwarzaczach. Możliwość szybkiego wzrostu produkcji filmów DVD ogranicza również fakt, że jeden z wariantów zapisywalnego nośnika DVD nie nadaje się do wykonania płyty typu Master. Z tego też względu płyty takie są nagrywane w krótkich seriach, przy użyciu matryc szklanych, co jest bardziej kosztowne i czasochłonne. Jako standard w dziedzinie zapisywalnych nośników danych konsorcjum DVD przyjęło płytę DVD-RAM, która ma pojemność 4,7 gigabajta i może być wielokrotnie zapisywana. Przyszłe generacje nośników powinny być w pełni kompatybilne z tym standardem. Oprócz tego istnieją również płyty DVD-R przeznaczone do jednokrotnego zapisu, oraz dwa rodzaje wielokrotnie zapisywalnych nośników, wykorzystujących technikę Phase-Change: DVD-RW i DVD R+W. Zagadnienia do egzaminu: Wyjaśnij na czym polega różnica między płytą CD i DVD Wyjaśnij jak działa napęd CD i DVD Wyjaśnij pojęcie pitu i landu