CD – ROM Mechaniky
Úvod: Můj referát pojednává o jednotce CD-ROM, zmíním se dále také o dalších typech médií jako jsou CD-R, CD-RW a dalších. Je sice pravděpodobné, že většina z vás už o jednotce CD-ROM ledasco ví, ale snad můj referát přinese aspoň nějaké nové informace. Na úvod bych rád řekl něco z historie. Počátky CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory) se datují od roku 1979, kdy společnosti Philips a Sony specifikovaly zvukový systém CD (Kompakt Disc), a o dva roky později ho také zavedly do praxe. Původně byl totiž systém CD určen pro záznam a reprodukci zvuku a byl specifikován formátem CD-DA.
Popis: Jednotka CD-ROM je na rozdíl od třeba pevného disku založena na optickém principu, informace je na disku zaznamenána v podobě "důlků"(u CD-ROM) (pitů) a ploch (land) a je čtena pomocí zaostřeného paprsku laseru (většinou červené případně oranžové barvy - kolem 760 nm). Tím ovšem během čtení (i případného zápisu) nedochází ke kontaktu mezi čtecí hlavou a čteným médiem a nedochází proto k opotřebení média. Dalším rozdílem proti magnetickým pevným diskům, je že data nejsou zaznamenána v soustředných kruzích, ale v jedné téměř 6km dlouhé spirálovité stopě a disk se otáčí konstantní obvodovou rychlostí aby byla data na disku uložena stále stejně hustě, to ale vyžaduje elektroniku, která reguluje úhlovou rychlost otáčení v závislosti vzdálenosti čtecí hlavy od středu disku.
Obr 1. Řez CD médiem
Na předchozím obrázku je znázorněn řez CD médiem, na kterém je vidět předlisovaná drážka, pomocí které se laser zaostřuje na jednotlivé stopy. Ta je nejen u médií typu CD-ROM, ale i u ostatních médií typu CD-R i CD-RW (viz dále)
Obr 2. Princip čtení dat z optického disku Princip čtení (zápisu) je znázorněn na předcházejícím obrázku: paprsek z laserové diody prochází přes poloprůhledné zrcadlo a přes soustavu objektivu a čočky dopadá na povrch disku. Zde se odráží od povrchu disku a poloprůhledného zrcadla a dopadá do snímače. Paprsek se od povrchu disku odráží buď ve stejném směru zpět pokud dopadne na rovnou plochu, nebo se odráží šikmo mimo osu čoček (případně je pohlcen) při dopadu na pit a tento rozdíl je elektronikou vyhodnocen jako změna. Jedničky a nuly neodpovídají přímo těmto změnám, ale jsou pomocí nich kódovány, aby byl zaručen dostatečný počet změn a tedy i synchronizačních impulsů.
Obr 3. Ukázka optiky a mechaniky CD-ROM Přenosová rychlost Přenosová rychlost se u CD-ROM udává v násobcích rychlosti čtení audio CD, což je 150kB/s. Velikost přenosové rychlosti se tedy pohybuje od 150kB/s u dnes již
historických single speed mechanik, přes 300kB/s u double (2x) CD-ROM (standard do r. 1995) a 600kB/s u Quad-Speed (4x) CD-ROM drive (standard od r. 1996), po současné mechaniky s přenosovými rychlostmi 4800kB/s u 32x CD-ROM a 7800kB/s u 52x CD-ROM. Tyto přenosové rychlosti jsou však pouze teoretické a je to hodnota maximální. Přístupová doba Přístupová doba u datových CD-ROM disků je závislá na čase nutném k regulaci otáček a také čase potřebném na nastavení čtecí optiky. Je tedy velmi nevhodné číst data uložená v různých částech disku, protože je neustále nutné přizpůsobovat rychlost otáčení. Tento problém plně neodstraňují ani mechaniky s vyšší přenosovou rychlostí, i když samozřejmě mechaniky s vyšší rychlostí čtení mají i nižší přístupovou dobu. Přístupová doba se u CD-ROM mechanik pohybuje od 300ms po 80ms u v současnosti prodávaných mechanik. Připojení V současné době je asi nejrozšířenější a pro připojení CD-ROM nejpoužívanější rozhraní IDE, které je dnes v každém PC a není nutný žádný přídavný řadič. Dalším používaným rozhraním je SCSI, které bylo dříve téměř výlučně používáno především u vypalovacích mechanik pro jeho vyšší přenosovou rychlost, větší spolehlivost a nižší nároky na výkon počítače. Jelikož je však pro něj nutný přídavný řadič a výkon počítačů velmi postoupil, je dnes i u vypalovacích mechanik stále více používáno rozhraní IDE. Typy disků Read Only (klasický čtecí typ) Write Once (čte + zapisuje na čistý disk) ReWritable (čte + zapisuje + přepisuje i zapsané disky) CD-DA - CD-Digital Audio "hudební" CD CD-I - CD-Interactive multimediální CD určené do CD-I přehrávačů připojovaných k televizi. Většinou lze přečíst také v CD-ROM mechanikách na PC. Neprosadilo se a nepoužívá se. CD-R - jednorázové zaznamenání informace nebo vícenásobné nahrávání, které umožňuje přidávat na disk informace postupně, Write-Once CD-ROM - klasické datové CD, Read-Only CD-ROM XA - CD-ROM eXtended Architecture zvláštní druh CD, kombinace CDROM a CD-DA., Read-Only CD RW - Možnost opakovaného zápisu na CD médium. ReWritable
Tabulka shrnující nejdůležitější informace: průměr média tloušťka média velikost otvoru váha CD délka stopy hloubka pitu šířka pitu délka pitu
12 cm (8 cm) 1,2 mm 1,5 cm 18 g necelých 6 km 0,12 µm 0,6 µm 0,8 - 3,3 µm
šířka mezi stopami 1,6 µm množství dat 650, 700, 790, 860MB přenosová rychlost 150 - 7800 kB/s přístupová doba 300 - 80 ms Tabulka přenosových rychlostí Označení 1x 2x 4x 8x 12x 16x 24x 32x 48x 52x Přenosová 150 300 600 1200 1800 2400 3600 4800 7200 7800 rychlost [kB/s] Doba 1h 37mi 18mi 9min 6min 4min 3min 2min 1min 1min kopírování 14mi n n 30s 15s 10s 37s 5s 19s 32s 25s 650MB média n Pro zajímavost, hustota záznamu je na CD 16 000 tpi (track per inch - stop na palec). Floppy disk má hustotu 96 tpi a pevný disk průměrně 400 tpi.
Zápis na CD (Vypalování): Pro zapisování se používají média označovaná jako CD-R (WORM - Write Once Read Many times), případně přepisovatelná média CD-RW (Read-Write). Základní jednotkou je 1minuta záznamu plnohodnotného stereo signálu. Prodávané disky se označují dobou audio záznamu, který je možné na CD zaznamenat a případně také množstvím dat,které na něj můžeme uložit: průměr 120 mm - 74 min 650MB - 80 min 700MB - 90 min 790MB - 99 min 860MB průměr 80 mm - 21 min 180MB Média s velikostí 90 a 99 min se nedají zapisovat normálním způsobem, ale je nutné použít tzv. overburn, neboť v systémové oblasti je i u těchto CD zaznamenána délka 80 min (je zde vyhrazeno málo bitů pro zaznamenání informace o délce média, z důvodů kompatibility není možné tento počet bitů zvětšit) Data se zaznamenávají do sektorů, Sektor má velikost 2352B. Data mohou být zaznamenána 3 způsoby: 1. Mode 1, má 2048 užitečných BYTE/SECTOR (STANDARD) 2. Mode 2, 2336 B/sector 3. Audio , 2352 B/sector Sektor se skládá z 98 rámců. Každý rámec začíná 24 synchronizačními bity a pak následují 2 bloky s 12ti uživatelskými byty a 4mi byty CIRC- korekce. Každý bajt začíná trojicí spojovacích nulových bitů a 14ti bitovým kódem bajtu. Při zakódování nesmí být dvě jedničky vedle sebe. Aby toto nenastalo při spojování bajtů jsou proloženy 3mi spojovacími nulovými bity. Z výše uvedeného je jasné, že je u datového CD velké množství redundantních informací, z důvodu ochrany pomocí opravných kódů a přidání synchronizačních bitů. Každý sektor obsahuje tedy asi 2kB a základní kapacita je pro 74 min 650MB.
Obr 4. Vrstvy CD-R média Výše uvedená struktura je jen jedna z možných struktur CD-R média, na které se provádí zápis ve vypalovací mechanice. Zápis se provádí pomocí laseru, který pomocí výkonného paprsku "propálí" záznamové barvivo, čímž vznikne pit odrážející čtecí paprsek(od pod záznamovou barvou umístěného odrazivého materiálu). Pro zápis je potřeba laser s výkonem 14 mW i více (záleží na rychlosti vypalování) - pro čtení stačí laser s výkonem 0,5 mW. Další možností je, že záznamovou vrstvu tvoří materiál, v němž lze laserem vyvolat lokální opticky detekovatelné změny. Nejstarším způsobem je vypalování otvorů do tenké vrstvy - tzv. ablativní metoda (lat. ablatio - odnášení, odnímání). Otvor vznikne tehdy, když teplota ve středu světelné stopy překročí bod tání vrstvy. Vlivem povrchového napětí se roztavený kov stáhne k neroztaveným okrajům a ztuhne ve tvaru kráteru. Nejběžnějším médiem pro tento způsob záznamu je kovová vrstva tloušťky 30 - 50 mikrometrů vakuově nanesená na neprůhlednou podložku. Vlastnosti tohoto záznamového média se výrazně zlepšily po zavedení třívrstvé struktury: na podložku se nejprve nanese vrstva s vysokou odrazivostí (zpravidla hliníková, tloušťka asi 100 nm). Dále se nanese vrstva průhledného izolačního materiálu, a nakonec velmi tenká vrstvička kovového záznamového materiálu. Ten musí mít pro každou danou vlnovou délku vysokou antireflexivitu (pohltí až 90% dopadající světelné energie). Krátery se, vzhledem k nízké teplotě tání a vysokému povrchovému napětí, vytvoří popsaným způsobem. Jako vhodný se pro tenkou záznamovou vrstvu ukázal tellur, často s příměsemi antimonu a selenu, neboť ty zvyšují jeho odolnost proti oxidaci. Na izolační vrstvu se používají různé polymery. Další technologie WORM záznamu pracuje také s třívrstvou strukturou. Vrchní vrstvu však tvoří vysokotající kov, jako je titan, slitiny platiny a zlata. Polymerové dielektrikum je zvoleno tak, aby jeho teplota vypařování ležela hluboko pod bodem tání daného kovu. Vlivem laserového impulsu se vrchní vrstva ohřeje natolik, že se pod ní ležící polymer vypaří a tlak plynu vrchní kovovou vrstvu vyboulí. Tuto metodu označujeme jako metodu bublinovou. V místě deformace původní reflexní vlastnost zanikne, takže se uplatní reflexe od spodní hliníkové vrstvy. Vhodnou kombinací tloušťky dielektrika lze pro danou vlnovou délku vytvořit takové reflexní podmínky, že se laserové světlo odráží s jinou fází a tak se detekuje zapsaná informace. Třívrstvou strukturu pokrývá i v tomto případě poměrně silná vrstva průhledného materiálu, která záznam chrání před prachovými částicemi. Usadí-li se na povrchu a nejsou-li při otáčení smeteny odstředivou silou, jsou již daleko od ohniskové roviny čtecího zařízení a čtení neovlivní.
CD-RW Dříve platilo, že rychlost zápisu byla mnohem pomalejší než rychlost čtení, toto pravidlo již v podstatě neplatí. Dnes prodávané vypalovací mechaniky mají rychlost vypalování na CD-R stejně jako čtení 52x, rychlost zápisu na CD-RW (přepisu) média je sice pomalejší - pouze 24x - ale ne nijak výrazně. Mazání se provádí buď rychlé, při kterém se smaže pouze hlavička s informacemi o zapsaných datech, což trvá pouze asi 15-30s, nebo se maže celý spirálovitě zapsaný i nezapsaný disk a pak mazání trvá stejně dlouho, jako zapsání celého disku a záleží na rychlosti mechaniky. Mechaniky jsou odlišné od CD-ROM nebo CD-R, poněvadž je u těchto disků menší odrazivost. Zápis CD-RW se provádí zahřátím na 700 °C (amorfní tvar), mazání na 200 °C (krystalický - odrazivý) a čtení je prováděno laserem o malém výkonu. Odrazivost RW disků je podstatně menší než ROM a R disků.
Konstrukce CD-ROM mechanik: U disků CD ROM do 12ti násobné rychlosti (včetně) se používá technika CLV Constant Linear Velocity, která znamená, že na vnějším okraji disku jsou otáčky pomalejší, aby obvodová rychlost (a tedy i přenosová rychlost) zůstala konstantní. Při výskytu chyby se u některých mechanik snižuje rychlost na dvojnásobnou nebo dokonce na jednoduchou. CAV Constant angle velocity dodržuje konstantní otáčky. Tento systém řízení se aplikuje na CD ROM i DVD s rychlostmi nad 12ti násobek základní rychlosti, tj pro disky s 16ti, 24... násobnou rychlostí. Tento způsob ale výrazně zpomaluje tok dat při vnitřních stopách a udávané přenosové rychlosti dosahuje až u vnějšího okraje.(Například u 24x mechaniky má uvnitř jen 8-10x). Někdy je použita kombinace obou systémů řízení CLV a CAV v tzv. PCAV (Partition CAV). Například vnější stopy jsou čteny pomocí CLV a vnitřní od 2/3 disku CAV (ale i zde dochází ke snižování přenosové rychlosti) Pro disky s rychlostmi okolo 7000ot/min je nutné individuelně vyvažovat disky, neboť i popis způsobuje jejich rozvážení. Provádí se to pomocí ložisek vložených okolo hřídele na magnetické desce. Tyto ložiska se rotací rozprostřou tak, aby vyvážily disk.
Knihy formátů: Formáty CD jsou uspořádány do knih 1. Červená kniha (Digital Audio) ISO 908 - je první standard a je určen pro zvukový záznam o
CD audio (DA format) !
f=44,1kHz, 2kanály ,
!
sektor=2352B a odpovídá 1/75s,
!
přenos je 176400B/s (single speed),
!
hrací doba max 74 min,
o
!
každá skladba na 1 stopě,
!
max stop (tracks)= 99
!
opravný kód EDC nebo ECC
!
disk se dělí na 3 oblasti
data
!
LEAD-OUT obsahuje ukončení disku - 90s ticha.
umožňuje ukládat i textová a grafická data, pro něž je v každém sektoru vyhrazeno 48B. (například zde jme uložen text písničky)
v podkanálech jsou uložena data pro řízení MIDI
CD + text !
o
!
CD - MIDI (nepoužívá se) !
o
LEAD-IN obsahuje seznam nahraných tracků
CD+G - compact disk + graphic !
o
!
(philips) - umožňuje na videorekordéru přehrávat i text a grafiku uložené na obyčejném CD -DA disku.
CD Karaoke !
text je uložen společně s audio v sektorech a tedy lze plynule přehrávat . Formát rozšířen v Japonsku.
2. Žlutá kniha CD - ROM; ISO 10149 a CD XA Norma pro počítače. CD ROM se sektorovým dělením určená pro uchování dat. Korekce chyb je mnohem propracovanější. Norma předpokládá 4vrstvou architekturu disku. !
Vrstva 0 - bitová architektura - identická s Red book
!
Vrstva 1 - struktura sektoru, detekce a korekce chyb
!
Vrstva 2 - logická organizace sektoru - umožňuje přizpůsobení požadavkům
!
Vrstva 4 - logická organizace souborové struktury
Velikost sektoru je 2352B, z toho 12B pro synchronizaci a 4B pro hlavičku. Dále se rozdělení sektoru liší podle módů. CD ROM o
Mode 1 - (Režim 1) s opravou chyb !
ISO 9660
! o
!
úroveň 1
!
úroveň 2 a 3
mimo mezinárodní standardy
Mode 2 - (Režim 2) bez oprav chyb nebo nízkým stupněm oprav
CD-ROM-XA mají obdobnou strukturu, ale mají ještě pře daty podhlavičku 8B (místo prázdného bloku). o
Form 1
o
Form 2
Žlutá kniha definuje o
začátek datového záznamu až po 2s. Tím se sníží kapacita o 300kB.
o
Zavaděč spotřebuje 6500 sektorů, tj. 13MB
o
Kořenový adresář 1 sektor
o
Tabulky cest 2 sektory
o
Popis media 2 sektory
o
Systém 16 sektorů
o
Úvod a konec seance 4650 sektorů
tedy celkem asi 21MB služebních dat. Při nahrávání dat i audia je vhodné nahrát data na track 1, audio na tracky ostatní. U CD DA však hrozí zničení zařízení, neboť číslicová data jsou velmi hlasitá (praskání).
3. Zelená kniha CD-I Interakční disky - je zaměřen na multimedia, řeší problém synchronizací separátních audio a video stop. Zahrnuje zvuk, statické obrázky, animaci a full-motion (celoobrazové video). Nejstarší formát od Philips =>NEKUPOVAT CD firmy Philips. Mechaniky musí umět číst (např většina disků
Panasonic a Matsushita je NEpodporují) a dále u WIN 95 komprimované soubory MPEG nejsou MSCDEX podporovány (i když MSCDEX pro Win3.xx ano) o
CD-I !
Formát 1
!
Formát 2
Green book obsahuje i definici MPEG-1 (11172). Disky se nazývají Video CD
4. Bílá kniha používá MPEG pro video a CD-ROM XA pro audio. Od r.1994 nejužívanější formát. Umožňuje základní přehrávací funkce videa (dopředu,vzad,rychle, atd.) Navazuje na CD-I green book. o
o
Video-CD (nepoužívá se, nahrazena videokazetami) !
Disky o průměru 12, 20, 30 cm vyžadují speciální přehrávač
!
malá kapacita
Kodak Photo CD - hybridní disky v Mode2- Form1 !
obraz je 2048řádků x 3072bodů, 24bit - tj. 18MB. lze zobrazit ve formátech !
Base/16 128řádků x 192bodů
!
Base/4 256 x 384
!
Base 512 x 768
!
4Base 1204 x 1536
!
16Base 2048 x 3072 bodů
5. Oranžová kniha zahrnuje o
Photo CD (podle M. Bartoně - velká kniha o vypalování CD - sem nepatří) Part I
o
MO (magnetooptické) přepisovatelné disky Part II
o
CD - R může použít multisession (dohrávání disku) Part III
o
CD - RW
Nejsou kompatibilní s CD přehrávači. Datové pole podle této knihy obsahuje navíc kalibrační programové pole - PCA, kterým se kalibruje laserový paprsek.
6. Modrá kniha
o
Smíšený disk (se zvukovými i datovými stopami)
o
CD-I Ready disk
o
Bridge disk
Shrnutí: Pro Photo CD standard Orange book v režimu multisession Videonahrávky - White Book a Green Book plus XA Zvukové CD - Red book
Závěr: CD-ROM mechanika je velmi populární periferní zařízení a v současné době není snad nikdo, kdo by ji ve svém PC neměl. Kapacita CD médií již sice na některá použití nedostačuje, ale díky svému rozšíření, poměrně velké kapacitě a hlavně velmi nízké ceně za MB zůstane asi ještě dlouho v oblibě. V současné době však místo CD-ROM mechanik pomalu zaujímá DVD (Digital Versatile Disk), který se svou kapacitou od 4,7GB u jednovrstvého a jednostranného média po 17GB u dvouvrstvého a dvoustranného média kapacitu CD-ROM silně převyšuje. Většímu rozšíření však stále brání především vyšší cena zapisovacích mechanik a také nepřítomnost jednotného formátu pro zápis. V současné době se pracuje na zvýšení kapacity stávajících CD a také na nových technologiích jako je například holografický záznam, který by umožnil uložit až 100GB na médium rozměrů současných CD.
