OPTICKÉ PAMĚTI Zkratkou CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) se označují jak optická média pro ukládání dat, tak i mechaniky sloužící k práci s těmito médii. Kromě CD ROM existují další formáty např. CD-R (Recordable), CD-RW (Re Writable), DVD (Digital Versatile Disc) nebo Blu-ray mechaniky s disky BD (BD-R, BD-RE)
CD ROM Disk – optické médium CD ROM je optická paměť určená pouze pro čtení zaznamenaných dat. Nosným médiem je disk, který má průměr 120 mm (4,72") s unášecím otvorem uprostřed o průměru 15 mm. Na rozdíl od FD nemá soustředné kruhové stopy a sektory o různých délkách, ale má jedinou spirálovitou stopu, na které jsou stejně dlouhé sektory. Stopa má délku 3 míle (5 km). Šířka stopy je 600 nm vzdálenost mezi stopami je 1600 nm, což dává hustotu 630 závitů na milimetr. FD sektor
CD
stopa
Obr. Uspořádání stop a sektorů na FD a CD Velikost CD bývá různá a odvíjí se od minut záznamu. 74 minutové CD má kapacitu 650 MB, 80 minutové 700 MB, bývají i 90 či 99 minutová CD. Výpočet „kapacity“ hudebního CD 44 100 × 2 × 2 × 74 × 60 = 783 216 000 B převod minut na sekundy 74 minut hudby 2 kanály (stereo) rozlišení 16 bitů na vzorek, tj. 2 bajty počet vzorků za sekundu na jeden kanál
Ing.Petr Bouchala
strana 1
Data se ukládají do sektoru, jeden sektor má velikost 2352 bytů. Z toho pro uživatelská data je 2048 bytů pro Mode 1 a 2320 bytů pro Mode 2. Mode 1 využívá 284 bytů pro korekci chyb ECC a EDC. Jako každá paměť musí CD umožnit realizaci dvou fyzikálních stavů, které umožní zapsat dvouhodnotovou informaci. Tyto jsou vytvořeny odraznými (pole) a rozptylovými (pity) ploškami. Při průchodu snímací hlavy potom dochází k odrazu nebo pohlcení laserového paprsku. 0,83 µm řez CD
ochranná vrstva reflexní Al folie stopa polykarbonová vrstva
1,2 mm pit
pole směr čtení
Mechanika Blokové schéma mechaniky CD ROM Disk
vystavovací mechanizmus
řadič ROM
Ing.Petr Bouchala
optická hlavička
pohon disku pohon nosiče disku
ovládání pohonů
rozhraní
napájení buffer data řídící signály audio kabel
strana 2
Elektromechanické části - motorek pro pohon nosiče disku – ovládá se buď tlačítek na čelním panelu, nebo z OS – vlastnosti –vysunout - vystavovací mechanizmus – je tvořen servomotorkem , rotační pohyb je převáděn na přímočarý viz foto. hlavička pohon disku
vystavovací mechanizmus
-
-
pohon disku – musí řešit problém s různou obvodovou rychlostí uprostřed CD a na okraji CD. Pokud má disk konstantní otáčky, pak se mění rychlost čtení dat z CD. Bylo vyvinuto několik technologií. CLV – konstantní lineární rychlost, je starším řešením. Směrem k okraji se plynule snižují otáčky disku. CAV – konstantní úhlová rychlost. Při přehrávání hudby se mění otáčky disku (směrem k vnějšímu okraji se otáčky snižují), ale při čtení dat jsou otáčky konstantní a řadič čte data na vnějších stopách rychleji. Existují i kombinace obou uvedených metod. optická hlava – má tyto částí: laserové dioda emitující slabý červený paprsek, polopropustné zrcadlo, soustavu čoček, fotodetektor. viz schéma.
Princip činnosti - ze zdroje laseru se vysílá paprsek, který prochází přes polopropustné zrcadlo, objektiv a zaostřovací čočku a dopadá na stopu CD. Dopadne-li na pit dojde k jeho rozptylu, dopadne-li na pole odráží se, vrací se zpět do čtecí hlavy a na polopropustném zrcadle mění svůj směr. Dopadá na fotodetektor, kde vznikají elektrické impulsy. Střídáním pitů a polí vznikají sekvence impulsů, které odpovídají zapsaným datům. Ing.Petr Bouchala
strana 3
CD zaostřovací čočka
odražený laserový paprsek
objektiv fotodioda polopropustné zrcadlo kužel vyzařovaného laserového paprsku zdroj laseru
obr. Hlava mechaniky CD ROM – principiáplní schéma
Obr. Fyzické uspořádání CDROM mechaniky fotodetektor čočka
laserová dioda
Ing.Petr Bouchala
strana 4
Elektronické části Elektronika sestává z desky s plošnými spoji, kde se nacházejí: řadič(mikroprocesor), paměti RAM (registry, cache), ROM, obvody rozhraní, konektory, konfigurační přepínače. Hlavními funkcemi elektroniky jsou: • kontrola rychlosti otáčení disku. • kontrola přesunu hlavičky nad stopou. • zprostředkování operací čtení • spravování vyrovnávací paměti (cache) a její optimalizace. • doplnění pokročilých funkcí pro zvýšení rychlosti a spolehlivosti. • zesilování signálů jdoucí z hlav a jejich převedení na „jedničky a nuly“ . • řízení toku informací z disku. Popis jednotlivých obvodů se ve své podstatě neliší od popisu elektroniky u pevného diku.
audio kabel
CS,M,S
datový kabel
napájení
Rozhraní – mechaniky CD ROM, CD-R či CD RW je možno připojit přes • SCSI – Small Computer Syste Interface • IDE/ATAPI – Integrated Device Electronics (ATAPI označuje softwarové rozhraní) • Paralelní port (starší externí mechaniky) • Rozhraní USB Přenosová rychlost - určuje jakou rychlostí je mechanika schopna číst data. Standardní rychlost je 150 kBps. Označuje se jako jednoduchá, původně určená pro zvukový záznam. Násobek jednoduché rychlosti je násobkem přenosové rychlosti. Např. označení 52x je pro přenosovou rychlost 150 x 52 = 7500 kBps.
Ing.Petr Bouchala
strana 5
CD-R Médium Jak je patrné z řezu médiem, skládá se CD-R ze tří základních vrstev. Vrchní ochranné lakované vrstvy, střední vrstvy z reflexní zlaté fólie a organického barviva a spodní polykarbonátové vrstvy v níž je předlisovaná drážka, která slouží k vedení laserového paprsku. Při vypalování se organické barvivo zahřeje a tím vznikají pity. Pit mění odrazivost od reflexní fólie. Vypálený pit není tak kvalitní jako pit lisovaný, nemá pravidelné okraje a je mělčí. To je důvod proč staré mechaniky nečtou CD-R. Rozměry CD-R jsou shodné s klasickým kompaktem. Průměr 12 cm, centrální otvor 1,5 cm, tloušťka 1,2 mm.
lisovaný pit
pálené pity
Data jsou do stopy zaznamenávána digitálně pomocí stupňů (land) a děr (pit). Díra je 0,12 mikrometru hluboká a 0,6 mikrometru široká. Jedno CD jich obsahuje kolem dvou biliónů. Délka díry je mezi 0,83 a 3,3 mikrometru, což je pro srovnání velikost bakterie. Mezera mezi jednotlivými sousedními stopami je 1,6 mikrometru. Znamená to, že CD se záznamovou šíří 3,3 cm obsahuje: 0,6 mikrometru šíře stopy + 1,6 mikrometru mezi stopami = 2,2 mikrometru 33 mm / 2,2 mikrometru = 15 000 závitů. Celková délka stopy je 5 km.
Mechanika Na první pohled se neliší od CD-ROM mechaniky. Konstrukčně je řešena stejně. Rozdíl je v použití speciálního laseru, který musí být schopen pracovat v několika úrovních: • Musí být schopen docílit fyzické změny barviva • Musí číst cd-R bez jeho poškození • Musí číst celou řadu dalších formátů definovaných pro CD-ROM Pro čtení vystačí laser s poměrně nízkým výkonem (0,5 mW), ale pro zápis CD-R je již třeba energie mnohem větší. Pro zápis jednoduchou rychlostí vystačí 4-8 mW, pro dvojnásobnou rychlost je již třeba 8-10 mW, čtyřnásobnou 10-12 mW a šestinásobnou pak až 14 mW! Této Ing.Petr Bouchala
strana 6
energie je třeba k tomu, aby se v místě, kde má dojít ke změně barviva, dosáhlo teploty 250° až 400°C!
Na CD se vypalovačkou zapisuje metodou CLV. U vysokých rychlostí se používá metoda Zone CLV – CD je rozděleno na tři zóny s různými rychlosti, mají se tím odstranit vibrace CD. Tato metoda vyžaduje BURN Proof. Metoda P-CAV do poloviny média drží konstantní otáčky asi 5550 ot/min a potom plynule přechází na CLV. Zde musí laser měnit plynule svůj výkon BURN Proof – speciální technologie firmy Sanyo. Ochrana podtečení zásobníku. Při nedostatku dat ve vyrovnávací paměti (bufferu) je mechanika schopna přerušit vypalování a po načtení dat do bufferu plynule navázat a pokračovat. Díky této synchronizaci nedochází ke zničení CD. Starší mechaniky mohou mít problém při čtení takto vypálených CD-R.
Vlastní vypalování Zápis na zapisovatelné CD může být proveden najednou (v jedné session - singlesession), kdy jsou všechny tracky (stopy) zapsány v jednom svazku (volume). Disk se uzavírá zápisem obsahu (Table of Contents) a Lead-Out Area. Tento disk může být čten na jakékoliv CD mechanice. Při singlesession záznamu se TOC (Table of Contens) vytváří ihned po nahrání dat. Tím dochází k "uzavření" disku. Dále již není možné na disk cokoliv nahrát. Multisession naopak nechává disk otevřený a TOC se zapisuje až po nahrání poslední session. Tím dojde opět k "uzavření" disku. U neuzavřených disků to pro čtecí mechaniku znamená, že musí být schopna postupně od poslední session rekonstruovat souborovou strukturu celého CD. Vytváří si vlastně TOC, která ještě na CD není nahrána. Je-li vaše mechanika vybavena schopností číst multisession, nepoznáte de-facto, zda je CD nahráno jako multisession, nebo singlesession. Způsob zápisu dat na disk, kde při každém dokončení stopy (tracku) je vypnut zapisovací laser (i když se bude okamžitě zapisovat další stopa) se nazývá Track at Once. Při zapínání a vypínání laseru se zapisují bloky run in a link out. Nejmenší délka stopy je 300 bloků (4 sekundy - 700 kB). Maximální počet stop je 99. Naopak způsob, kdy dojde k celému nahrání CD bez vypnutí laseru, označujeme jako Disc at Once. Jména souborů ISO9660 – standardní 8 znaků pro název, 3 znaky pro příponu ISO 9660 Level 3 – 30 znaků v názvu souboru Joliet – ukládá jako Windows, 64 znaků, a zároveň ve tvaru 8.3 s vlnovkami pro DOS Romeo – ukládá až 128 písmen v názvu, ale pouze pro Windows
Ing.Petr Bouchala
strana 7
CD-RW Médium CD-RW médium je konstruováno na podobném základu jako médium CD-R. Také obsahuje polykarbonátovou vrstvu a předlisovanou vodící spirálu pro vedení laseru. Ale na rozdíl od CD-R má několik vrstev navíc. Vrstva pro záznam je z obou stran obklopena vrstvou dielektrika (sloučenina silikonu, kyslíku, zinku a síry). Tyto vrstvy mají čtyři hlavní úkoly: o modifikovat odezvu optického média, aby poskytovalo čistý signál o zvýšit účinnost laseru pro dosažení žádoucí teploty na záznamové vrstvě o působit jako tepelná izolace mezi substrátem, předlisovanou drážkou a odraznou vrstvou o sloužit jako mechanická brzda záznamového média, aby nedocházelo k jeho posunu vlivem odstředivých sil. Záznamové barvivo je však jiné než u CD-R. Při nahrávání CD-R totiž dochází k nevratné změně tohoto barviva. CD-RW používá technologii fázové změny. Namísto vytváření deformací v barvivu média využívá změnu struktury materiálu z krystalické do amorfní formy. K tomu slouží speciální chemická sloučenina (je to čtyřsložková sloučenina stříbra, india, antimonu a teluru), která mění působením energie svůj stav (krystalický - vysoce odrazivý a amorfní - s nízkou odrazivostí) a je schopná se rovněž působením energie vrátit do původního stavu.
Mechanika Přepisovací mechanika je nucena zvládnout ještě další energetické úrovně a hlavně musí být schopna rozeznat jednotlivá média od sebe (CD-R/CD-RW), což klade další nároky na instalovaný firmware. CD-RW mechaniky musí mít ještě silnější laser, neboť pro změnu fáze média (do amorfního stavu) musí být dosaženo teploty až 600°C. Lasery CD-RW mechanik se svým výkonem blíží 20mW. Pro přechod do krystalického stavu pak již stačí 200°C, a tudíž výkon asi 4-8mW. Laser tedy při záznamu CDRW média neustále pulzuje podle potřeby mezi vyšším a nižším výkonem (na rozdíl od CD-R mechanik, kde vystačí pouze se stavem zapnuto-vypnuto). Všechny ostatní věci, jako je fyzický nebo logický formát platí pro CD-RW naprosto stejně, jako pro CD-ROM nebo CD-R. Ing.Petr Bouchala
strana 8
Vlastní vypalování S mechanikou pracujeme obdobně jako s disketou. Libovolným souborovým manažerem můžeme na CD-RW kopírovat soubory, vytvářet složky, mazat atd.Tento způsob práce se nazývá packet-writing. Musí být ale splněny tyto předpoklady: • OS (mimo WXP) je nutno doplnit o příslušné ovladače. Jsou součástí vypalovacích programů • RW médium je nutné před prvním použitím naformátovat. • CD-RW používá zvláštní souborový systém UDF (Universal Disk Format) • Pokud chcete číst CD-RW, potřebujete UDF Readr, na obrázku je InCD UDF Reader z programu Nero.
Ing.Petr Bouchala
strana 9
DVD (Digital Versatile Disk) (Digital Video Disk) Medium Má rozměry jako běžné CD. Velká kapacita disku je dána větší hustotou záznamu, disk může být oboustranný a dvouvrstvý. Laserový paprsek je pak zaostřen vždy jen na jednu rovinu. Používá se přesnější laser s kratší vlnovou délkou, který rozezná menší pity a plošky.Je-li záznam ve dvou vrstvách, pak se laserový paprsek zaostřuje vždy jen na jednu vrstvu. Vrstva L0 musí být polotransparentní. Řez DVD diskem
Srovnávací tabulka DVD a CD průměr v mm tloušťka v mm vzdálenost pitů v nm minimální délka pitů v nm vlnová délka laseru v nm
DVD 120 1,2 740 400 640
CD 120 1,2 1600 834 780
Srovnání 640 MB CD a 4,7 GB DVD
Přehled kapacit DVD disků v tabulce. Ing.Petr Bouchala
strana 10
Formáty a kapacity disků DVD Počet stran 1 1 2 2
Počet vrstev 1 2 1 2
Kapacita 12cm disku 4.7 GB 8.5 GB 9.4 GB 17 GB
Označení DVD-5 DVD-9 DVD-10 DVD-18
Formáty tvořící skupinu DVD Do skupiny formátů DVD patří pět formátových variací: •
DVD-video
•
DVD-ROM
•
DVD-R
•
DVD+R
•
DVD-audio
•
DVD-RAM
•
DVD-RW
•
DVD+RW
Formáty lze třídit dle typu aplikace a určení, zda jsou pro čtení nebo zápis. Tabulka formátů DVD Formát DVD-video
Typ pro čtení
DVD-ROM
pro čtení
DVD-audio
pro čtení
DVD-R DVD-RAM
jednorázové zapisovatelné mazatelné
DVD+RW
přepisovatelné
DVD-RW
přepisovatelné
Ing.Petr Bouchala
Použití vysoce kvalitní médium pro filmy s obrazem a zvukem, mají ochranný systém vysokokapacitní médium pro záznam počítačových dat umožňující multimediální aplikace ve spojení s počítači vysoce kvalitní médium pro záznam zvuku zejména určený pro záznam hudby 96 kHz nebo 192 kHz vysokokapacitní jednou zaznamenatelné médium pro počítače 4,7 GB vysokokapacitní opakovaně zaznamenatelné médium pro počítače, 100 tisíc přepisů 4,7 GB Největší výhoda tohoto formátu je zpětná kompabiltibilita s téměř všemi mechanikami DVD 1000 cyklů, velkou nevýhodou je nekompabilita se staršími mechanikami
strana 11
Blu-ray (disky BD) Médium Má rozměry jako běžné CD. Velká kapacita disku je dána ještě větší hustotou záznamu, disk může být dvouvrstvý (už byl představen se 4 vrstvami 200GB). Používá se modro fialový přesnější laser s kratší vlnovou délkou, který rozezná menší pity a plošky. Název Blu-ray dostali právě podle modrofialového laseru. Srovnání řezu jednovrstvým diskem DVD a BD Na obrázku je patrný rozdíl v tloušťce ochranné vrstvy. U DVD činí 0,6 mm u BD pouze 0,1 mm. Disky BD jsou mnohem více náchylnější na poškrábání.
Srovnávací tabulka BD, HD-DVD, DVD a CD BD HD-DVD průměr v [mm] 120 120 kapacita [GB] 23,3-54 15-60 možný počet stran 1 2 možný počet vrstev 2 2x2 tloušťka ochranné vrstvy [mm] 0,1 0,6 rozestup stop [nm] 320 400 minimální délka pitů [nm] 138/149/160 204 vlnová délka laseru [nm] 405 405 hustota zápisu [Gb.cm-2] 2,283 základní přenosová rychlost [Mbs-1] 36 36,55
DVD 120 4,7-17 2 2x2 0,6 740 400 640 0,429 11,08
CD 120 0,65-0,7 1 2 1,1 1600 834 780 0,063 1,41
Disk HD-DVD (High Definition DVD) Jsou definovány tři základní formáty Blu-ray. Je to BD-RE (Blu-ray REwritable), BD-R (Blu-ray Recordable) a BD-ROM (Blu-ray Read Only Memory). Rozdíly mezi nimi jsou ve způsobu záznamu (fázová změna, záznam na organickou vrstvu, resp. lisování).
Ing.Petr Bouchala
strana 12
Srovnání optických disků 1.generace – CD, 2.generace – DVD a 3. generace – BD
Mechanika Vzhledem vypadá mechanika stejně jako předchozí mechaniky. Stejné je i připojení pomocí klasického IDE (ATAPI) rozhraní. Pozor si musí dát snad jen majitelé kratších skříní, protože mechanika má téměř 20 cm hloubku.
Aby mohla mechanika BR číst i CD a DVD, musí mít tří zdroje laseru s příslušnými vlnovými délkami a upravenou optickou soustavu. Při založení disku mechanika rozpozná jeho typ a vybere správný zdroj laseru. Na následujícím obrázku je zjednodušený princip optické soustavy Blu-ray mechaniky s podporou CD, DVD a Blu-ray médií.
Ing.Petr Bouchala
strana 13
Zjednodušený princip Blu-ray mechaniky
Na dalším obrázku je pohled do Blu-ray vypalovačky Pioneer BDR-101A, která podporuje pouze disky DVD a BD.
Ing.Petr Bouchala
strana 14
