Vysoka´ sˇkola ba´nˇska´ Technicka´ univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
´ PRA ´ CE DIPLOMOVA
2005
Petr Osmancˇ´ık
Vysoka´ sˇkola ba´nˇska´ Technicka´ univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra informatiky
Externı´ pameˇti pocˇ´ıtacˇu˚
2005
Petr Osmancˇ´ık
3
Zada´nı´ diplomove´ pra´ce Te´ma: Externı´ pameˇti pocˇ´ıtacˇu˚ Diplomant: Petr Osmancˇ´ık Za´sady pro vypracova´nı´: Vypracujte prˇehledovy´ materia´l o principech a mozˇnostech realizace externı´ch pameˇti pocˇ´ıtacˇu˚. Z tohoto materia´lu navrhneˇte 10-ti stra´nkovy´ studijnı´ materia´l pro studenty informatiky. 1. Historicky´ vy´voj externı´ch pameˇtı´ . 2. Pameˇti magneticke´. 3. Pameˇti opticke´. 4. Pameˇti magnetoopticke´. 5. Principy ukla´da´nı´ dat pro jednotlive´ technologie, organizace dat na me´diu. 6. Souhrn nejpouzˇ´ıvaneˇjsˇ´ıch technologii a jejich vlastnostı´. Vlastnosti a principy cˇinnosti jednotlivy´ch technologiı´ musı´ by´t zalozˇeny na kvalitneˇ zpracovany´ch sche´matech a obra´zcı´ch. Pozˇadovany´ forma´t: LaTeX, obra´zky xfig. Vedoucı´: Ing. Petr Olivka Datum zada´nı´: 15.listopad 2004 Termı´n odevzda´nı´: 10.kveˇtna 2005
Prohlasˇuji, zˇe jsem tuto diplomovou pra´ci vypracoval samostatneˇ. Uvedl jsem vsˇechny litera´rnı´ prameny a publikace, ze ktery´ch jsem cˇerpal. V Dobroslavicı´ch 30 Dubna 2005. ..........................
Chteˇl bych podeˇkovat panu Ing. Petru Olivkovi za vstrˇ´ıcnou pomoc a podneˇtne´ prˇipomı´nky pro vypracova´nı´ te´to diplomove´ pra´ce.
Abstrakt Diplomova´ pra´ce se zaby´va´ externı´mi pameˇtmi pocˇ´ıtacˇu˚ a jejich historicky´m vy´vojem. Pra´ce popisuje pameˇti megnaticke´, opticke´ a megnetoopticke´, principy ukla´da´nı´ dat pro jednotlive´ technologie a organizaci dat na me´diu. Vy´sledkem te´to pra´ce je studijnı´ materia´l pro studenty katedry iformatiky, ale take´ studie pro vsˇechny, kdo se o tuto problematiku zajı´majı´.
Klı´cˇova´ slova externı´ pameˇti, pameˇti magneticke´, pameˇti opticke´, pameˇti magnetoopticke´, organizace dat
Abstract The thesis work deals with extern memories and their history. The work describes magnetic memories, optical memories and magnetooptical memories and principle of data storage using different technologies and organization of data in medium. The result of this work is a studying material for students of the Department of Computer Science, but also for anyone else.
Key words extern memories, magnetic memories, optical memories, magnetooptical memories, organization of data
i
Zkratky ADPCM
Adaptive Differential Pulse Code Modulation
AFC
Antiferomagnetically Coupled media
CAV
Constant Angular Velocity
CD
Compact Disc
CD-R
Compact Disc-Recordable
CD-ROM
Compact Disc-Read Only Memory
CD-RW
Compact Disc-Re Writeable
CLV
Constant Linear Velocity
DivX
Digital Video eXpress
DVD
Digital Versatile Disc
ECC
Error Correction Code
EDC
Error Detection Code
FDD
Floppy Disc Drive
FM
Frequency Modulation
GMR
Giant Magnetoresistive head
HAMR
Heat AssistedMagnetic Recording
HDD
Hard Disc Drive
IDE
Integrated Drive Electronics
MFM
Modified Frequency Modulation
MPEG
Mottion Picture Experts Group
MR
Magnetoresistive head
RLL
Run Lenght Limited
SCSI
Small Computer System Interface ii
Obsah ´ vod 1 U 2 Historie 2.1 Pevny´ disk . . . . . . 2.2 Disketova´ mechanika 2.3 CD-ROM . . . . . . 2.4 DVD . . . . . . . . .
1
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
3 Pameˇti magneticke´ 3.1 Princip ukla´da´nı´ dat . . . . . . . . . . . 3.2 Me´dia pro magneticky´ za´znam . . . . . 3.2.1 Me´dia s lakovou vrstvou . . . . 3.2.2 Me´dia s tenkou vrstvou . . . . . 3.2.3 Me´dia AFC . . . . . . . . . . . 3.2.4 Me´dia HAMR . . . . . . . . . 3.3 Pevny´ disk . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Cˇa´sti pevne´ho disku . . . . . . 3.3.2 Geometrie disku . . . . . . . . 3.3.3 Charakteristiky pevny´ch disku˚ . 3.3.4 Rozhranı´ . . . . . . . . . . . . 3.4 Disketove´ mechaniky . . . . . . . . . . 3.4.1 Cˇa´sti disketove´ mechaniky . . . 3.4.2 Typy disketovy´ch mechanik . . 3.4.3 Konstrukce 3,5” disket . . . . . 3.4.4 Vy´meˇna diskety . . . . . . . . 3.4.5 Rozhranı´ disketovy´ch mechanik 3.5 Prˇenosna´ me´dia s vysokou kapacitou . . 3.5.1 Diskova´ me´dia . . . . . . . . . 3.5.2 Pa´skova´ me´dia . . . . . . . . . 4 Pameˇti opticke´ 4.1 Princip ukla´da´nı´ dat . . . . 4.1.1 Jamky a pevniny . 4.1.2 Stopy a sektory . . 4.2 Me´dia pro opticky´ za´znam 4.2.1 CD disky . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
iii
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . .
2 2 4 4 5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 6 7 8 9 10 10 12 12 16 17 20 23 23 24 25 26 26 27 27 28
. . . . .
30 30 31 32 33 33
OBSAH
4.3
4.4
4.2.2 DVD disky . . . . . . . . . . . . . CD ROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Cˇa´sti mechaniky CD-ROM . . . . . 4.3.2 Charakteristiky CD-ROM . . . . . 4.3.3 Rozhranı´ . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Forma´ty CD-ROM . . . . . . . . . DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Charakteristiky DVD mechanik . . 4.4.2 Typy mechanik umozˇnˇujı´cı´ch za´pis
5 Pameˇti magneto-opticke´ 5.1 Princip ukla´da´nı´ dat . . . . . . . . 5.2 Me´dia pro magnetoopticky´ za´znam 5.3 Magnetoopticke´ disky . . . . . . . 5.3.1 Geometrie disku . . . . . 5.3.2 Vy´konove´ charakteristiky 5.3.3 Rozhranı´ . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
36 39 40 41 43 44 46 46 47
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
49 49 51 51 52 52 52
6 Za´veˇr
53
Literatura
54
A Souhrn nejpouzˇ´ıvaneˇjsˇ´ıch technologiı´
55
iv
Seznam obra´zku˚ 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
Princip magneticke´ho za´pisu . . . . Sloucˇena´ MR hlava . . . . . . . . . Cylindry . . . . . . . . . . . . . . . Stopy a sektory . . . . . . . . . . . Prokla´da´nı´ . . . . . . . . . . . . . . Ko´dova´nı´ . . . . . . . . . . . . . . Sestava hlavy disketove´ mechaniky
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
6 14 16 17 19 20 23
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
Princip opticke´ho za´znamu . . . . . . . . . . . . Jamky a pevniny u CD me´diı´ . . . . . . . . . . . Vrstvy CD, CD-R a CD-RW me´diı´ . . . . . . . . Typy DVD diskovy´ch me´diı´ (DVD-5, DVD-9) . Typy DVD diskovy´ch me´diı´ (DVD-10, DVD-18) Spira´lovita´ stopa . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
31 32 34 37 38 39
5.1 5.2 5.3
Za´znam dat u magnetoopticky´ch disku˚ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kerru˚v efekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cˇtenı´ dat u magnetoopticky´ch disku˚ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49 50 51
v
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
Seznam tabulek 3.1 3.2
Ko´dova´nı´ RLL v porovna´nı´ s MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Varianty rozhranı´ SCSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20 21
4.1 4.2
Rozdı´ly mezi CD a DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapacita DVD me´diı´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32 36
vi
Kapitola 1
U´vod Diplomova´ pra´ce se zaby´va´ externı´mi pameˇt’mi pocˇ´ıtacˇu˚, ktere´ jsou nezbytnou soucˇa´stı´ kazˇde´ho pocˇ´ıtacˇe. Slouzˇ´ı k dlouhodobeˇjsˇ´ımu uchova´nı´ dat. Jsou realizovana´ veˇtsˇinou na principu magneticke´ho nebo opticke´ho za´znamu dat (poprˇ. jejich kombinacı´). Ve srovna´nı´ s operacˇnı´ (vnitrˇnı´) pameˇtı´ by´va´ prˇ´ıstup k jejı´m datu˚m pomalejsˇ´ı. Vlastnosti pameˇtı´ ovlivnˇujı´ vy´kon cele´ho vy´pocˇetnı´ho syste´mu, ktery´ se neusta´le vyvı´jı´. V prvnı´ kapitole se diplomova´ pra´ce zaby´va´ vy´vojem a historiı´ externı´ch pameˇtı´. Dalsˇ´ı kapitoly jsou rozdeˇleny podle typu pameˇtı´, a to na pameˇti magneticke´, opticke´ a pameˇti magnetoopticke´. V kazˇde´ z teˇchto kapitol jsou probra´ny principy ukla´da´nı´ a organizace dat, popsa´na pouzˇita´ me´dia a jednotlive´ pameˇti. Nejveˇtsˇ´ı cˇa´st diplomove´ pra´ce je veˇnova´na pra´veˇ pameˇtem magneticky´m, ktere´ jsou pouzˇ´ıva´ny pro za´lohova´nı´ dat v nejveˇtsˇ´ı mı´rˇe a take´ nejde´le.
1
Kapitola 2
Historie 2.1 Pevny´ disk Prvnı´ pevny´ disk byl v pocˇ´ıtacˇi s na´zvem RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), prˇedstaveny´ spolecˇnostı´ IBM 13. za´rˇ´ı roku 1953. Disk pojmenovali IBM 350 Disk File. Revolucˇnost disku spocˇ´ıvala v „na´hodne´m“, a nikoli sekvencˇnı´m prˇ´ıstupu k datu˚m. Data byla ulozˇena ve stopa´ch na magneticke´m povrchu diskove´ plotny, ktera´ se ota´cˇela a nad nı´zˇ se pohybovala cˇtecı´ a za´pisova´ hlava. Disk s 50 plotnami o pru˚meˇru 60 cm (24 palcu˚) meˇl kapacitu 5 MB. RAMAC byl doda´va´n komercˇneˇ, ale nebyl na prodej. Spolecˇnost IBM jej pronajı´mala za 35 tisı´c dolaru˚ rocˇneˇ( 7 000 dolaru˚ za megabajt rocˇneˇ). Mezi velke´ nedostatky disku patrˇila velka´ poruchovost, vysoka´ hmotnost (va´zˇil jednu tunu) a nutnost umı´stit jej v klimatizovany´ch prostora´ch. Nada´le se tedy u firem provozujı´cı´ pocˇ´ıtacˇe da´vala prˇednost levneˇjsˇ´ım a jednodusˇsˇ´ım deˇrny´m pa´ska´m. Od 60. let pak pa´ska´m magneticky´m. V 60. letech spolecˇnost IBM vyvinula vyjı´matelne´ disky (vymeˇnˇovaly se prˇ´ımo kotoucˇe disku) a feritove´ cˇtecı´ hlavy. O mozˇnosti zaby´vat se diskovou technologiı´ se zacˇaly zajı´mat i jine´ firmy. Zacˇ´ınajı´cı´ firmeˇ Memorex se podarˇilo od IBM odla´kat Alana Shugarta, ktery´ sta´l u vzniku technologie Advanced Disk File. Tato technologie spocˇ´ıvala v tom, zˇe kazˇda´ plotna meˇla z obou stran k dispozici vlastnı´ cˇtecı´ a za´pisovou hlavu. Shugart postupneˇ odla´kal od IBM veˇtsˇinu vy´vojove´ho ty´mu a v roce 1973 zalozˇil vlastnı´ firmu Shugart Associates. Po roce byl Alana Shugarta z vedenı´ firmy odvola´n. Shugart nakonec v roce 1979 zalozˇil spolu s Finisem Connerem novou firmu, tentokra´t pod na´zvem Shugart Technology a opeˇt zameˇrˇenou na produkci pevny´ch disku˚. Kvu˚li ochranny´m zna´mka´m firma po pu˚l roce zmeˇnila na´zev na Seagate Technology. Finnis Conner po cˇase odesˇel, aby zalozˇil vlastnı´ firmu Conner Peripherals, a tu v roce 1995 koupila spolecˇnost Seagate. Ani vy´voj u IBM se nezastavil. Po Shugartoveˇ odchodu se vy´vojovy´ ty´m brzy zkonsolidoval a uzˇ v roce 1971 spolecˇnost IBM prˇedstavila vu˚bec prvnı´ „pruzˇny´“ disk, ktery´ se stal prototypem dnesˇnı´ch disket. Od tohoto okamzˇiku se disky zacˇaly deˇlit na „pevne´“ (magneticka´ vrstva byla nanesena na kovovou plotnu) a „pruzˇne´“ (za´kladem byla plastova´ fo´lie). Prvnı´ diskety IBM s ko´dovy´m oznacˇenı´m Igar meˇly pru˚meˇr osm palcu˚ a kapacitu 156 KB. V roce 1973 byla zverˇejneˇna prvnı´ uzavrˇena´ diskova´ jednotka, do nı´zˇ byla prˇ´ımo integrova´na i cˇtecı´ hlava. Jeden kotoucˇ byl v disku umı´steˇn napevno, druhy´ byl vy´meˇnny´. Diskova´ jednotka meˇla kapacitu 30 MB pouze ke cˇtenı´ a 30 MB ke cˇtenı´ i k za´pisu. Tato cˇ´ıselna´ kombinace (30-30) prˇivedla vedoucı´ho projektu Kena Haughtena na na´pad, jak cely´ projekt nazvat a to sice podle opakovacˇky Winchester 3030. Disky Winchester byly jesˇteˇ celou deka´du hlavnı´m vodı´tkem prˇi vy´voji dalsˇ´ıch pevny´ch disku˚. 2
2.1. PEVNY´ DISK V roce 1980 prˇedstavila firma Seagate novy´ model disku. Jednalo se o 5,25” disk se zcela novy´m rozhranı´m. Rozhranı´ se stalo standardem na vı´ce nezˇ 10 let a meˇlo oznacˇenı´ ST-506. Na´sledujı´cı´ch dvacet let se vy´voj v oblasti diskovy´ch technologiı´ prˇ´ılisˇ nezmeˇnil, zameˇrˇil se pouze na to, jak zprˇesnit vy´robnı´ proces (aby se na plotnu vesˇlo vı´ce stop) a zdokonalit mechaniku disku˚ (aby se mohly ota´cˇet rychleji) a tı´m zvy´sˇit prˇenosovou rychlost. Na´sledujı´cı´ u´daje uva´dı´ prˇiblizˇne´ zlomove´ okamzˇiky: • 1983 - Prvnı´ 3,5” pevny´ disk Vyvinula firma Rodine. Rozmeˇr disku se stal standardem. • 1985 - Prvnı´ pevny´ disk pro PC Byla vyrobena prvnı´ ISA karta pro prˇipojenı´ pevne´ho disku do PC. • 1986 - Elektromagneticky´ pohon hlav Firma Conner Peripherals prˇisˇla s na´hradou za krokove´ motorky. Sˇlo o linea´rnı´ pohon (voice coil) pouzˇ´ıvany´ dodnes. • 1988 - 1” tlusty´ pevny´ disk Vyvinula firma Conner Peripherals. Tlousˇt’ka disku se snı´zˇila na 1” a stala se dalsˇ´ım standardem. • 1988 - Prvnı´ 2,5” disk Firmeˇ PrairieTek se podarˇilo snı´zˇit rozmeˇr disku na 2,5”. Pouzˇ´ıvajı´ se v prˇenosny´ch pocˇ´ıtacˇ´ıch. • 1990 - Magnetorezistivnı´ hlava Vyvinuto firmou IBM. Model 681 (Redwing) s kapacitou 857 MB byl prvnı´ disk s magnetorezistivnı´ hlavou vyuzˇ´ıvajı´cı´ PRML za´znam. • 1991 - 1,8” pevny´ disk Firma Integral Peripheral snı´zˇila velikost disku na 1,8”. Tato velikost byla pozdeˇji vyuzˇita v PC-Card. • 1992 - 1,3” pevny´ disk Firma Hewlett Packard snı´zˇila velikost disku na 1,3”. • 1993 - Rychlost ota´cˇek disku 7200 ot/min Firma Seagate Technology vyrobila disk ST12550 Barracuda. • 1997 - Giant Magneto Resistance hlava IBM zacˇalo pouzˇ´ıvat vylepsˇenou technologii za´pisu. Dosa´hla tı´m dalsˇ´ıho zvy´sˇenı´ za´znamove´ hustoty. • 1997 - Rychlost ota´cˇek disku 10 000 ot/min Seagate Technology prˇedstavila disk ST19101 Cheetah 9 tocˇ´ıcı´ se rychlostı´ 10 000 ot/min. • 2001 - me´dia s technologiı´ AFC Technologie pro vy´robu pevny´ch disku˚ uvedenou firmou IBM. Pouzˇitı´ AFC me´diı´ by meˇlo v budoucnu umozˇnit zvy´sˇenı´ kapacity plosˇne´ hustoty na 100Gb/in2 .
3
2.2. DISKETOVA´ MECHANIKA • 2002 - HAMR technologie Firmou Seagate prˇedstavena prˇevratna´ technologie v ukla´da´nı´ dat. Prˇi zachova´nı´ stejne´ho principu magneticke´ho za´znamu, se hustota za´pisu zvy´sˇ´ı o dva rˇa´dy a bude mozˇno ulozˇit padesa´t bilionu˚ bitu˚ dat na cˇtverecˇnı´ palec. Prˇi porovna´nı´ datove´ hustoty na palec, v 70. letech byla maxima´lnı´ hustota na cˇtverecˇnı´ palec 80Mb , na pocˇa´tku 90. let to bylo jizˇ 800Mb na cˇtverecˇnı´ palec. V dnesˇnı´ dobeˇ jsou beˇzˇneˇ k dispozici pevne´ disky s datovou hustotou 32Gb na cˇtverecˇnı´ palec. Hranice datove´ hustoty nelze posouvat do nekonecˇna , v jiste´m okamzˇiku totizˇ docha´zı´ ke vzniku tzv. superparamagneticky´ch sil . Ty vznikajı´ jsou - li magneticke´ cˇa´stice prˇ´ılisˇ male´ a energie potrˇebna´ k jejich magnetizaci je mensˇ´ı nezˇ tepelna´ energie vznikajı´cı´ naprˇ. prˇi ota´cˇenı´ disku , tato skutecˇnost by nutneˇ zpu˚sobila, zˇe magnetizace dome´n by nebyla dostatecˇneˇ trvala´, a docha´zelo by ke ztra´ta´m dat. Soucˇasne´ pevne´ disky majı´ kapacity stovky GB, s prˇenosovou rychlostı´ v desı´tka´ch MB/s. Prˇ´ıstupove´ doby se pohybujı´ mezi 8 - 10 ms a cˇas potrˇebny´ na nastavenı´ hlavicˇky nad stopu (seek time) mezi 7 - 9 ms. Sˇpicˇkove´ disky pro High-end syste´my se ota´cˇejı´ rychlostı´ azˇ 15 000 ot/min. prˇi pru˚meˇru ploten 2,5 resp. 3,5 palce, tj. hlavicˇky plovoucı´ rˇa´doveˇ desı´tky azˇ stovky nanometru˚ nad povrchem disku se vu˚cˇi neˇmu pohybujı´ rychlostı´ azˇ prˇes 60 m/s. To je take´ du˚vod, procˇ jsou disky tak citlive´ na otrˇesy (pouhe´ prˇeklopenı´ disku lezˇ´ıcı´ho na boku do jeho obvykle´ polohy mu˚zˇe rozkmitat hlavicˇky se zrychlenı´m azˇ 100 G, cozˇ prˇi tak maly´ch vzda´lenostech mu˚zˇe mı´t katastrofa´lnı´ du˚sledky v podobeˇ sra´zˇky hlavicˇek s povrchem disku).
2.2 Disketova´ mechanika Vyna´lez disketove´ mechaniky je prˇisuzova´n Alanu Shugartovi. Ten se v roce 1967 zaby´val u firmy IBM vy´vojem pevny´ch disku˚. David Noble (jeden z pracovnı´ku˚ Shugarta), tehdy navrhl disketu o pru˚meˇru 8”, prˇicˇemzˇ soucˇasneˇ navrhl i jejı´ obal. Prvnı´ disketova´ mechanika pro diskety o velikosti 5,25” byla vyvinuta v roce 1976 firmou Shugart Associates. V roce 1983 uvedla spolecˇnost Sony na trh prvnı´ 3,5 palcovou disketu, s kapacitou 875 KB. Tyto mechaniky a diskety byly zpocˇa´tku vyuzˇ´ıva´ny jen firmou Hewlett-Packard u jejı´ch pocˇ´ıtacˇu˚ HP-150, ktere´ jizˇ byly cˇa´stecˇneˇ kompatibilnı´ s PC. V roce 1984 ale tyto mechaniky zacˇala pouzˇ´ıvat take´ firma Apple Computer u svy´ch osobnı´ch pocˇ´ıtacˇu˚ Macintosh a o dva roky pozdeˇji se prˇipojila i firma IBM. Dodnes jsou te´meˇrˇ vsˇechny disketove´ mechaniky vcˇetneˇ jejich rozhranı´ a prˇ´ıkazu˚ zalozˇeny na pu˚vodnı´ch mysˇlenka´ch Alana Shugarta a jeho spolupracovnı´ku˚.
2.3 CD-ROM Pocˇa´tek vy´voje CD-ROM se datuje k roku 1978, kdy firmy Philips a Sony uzavrˇely smlouvu o spolupra´ci prˇi vy´voji zvukovy´ch CD (CD-DA). Firma Philips se do te´ doby zaby´vala vy´vojem prˇehra´vacˇu˚, vyuzˇ´ıvajı´cı´ch laserove´ho paprsku, zatı´mco firma Sony meˇla poznatky z oblasti digita´lnı´ho za´znamu zvuku. Firma Philips prˇispeˇla prˇedevsˇ´ım vy´vojem me´dia, firma Sony meˇla na starosti vy´voj digita´lneˇanalogovy´ch prˇevodnı´ku˚ a obvodu˚ ( obvodu˚ digita´lnı´ho ko´dova´nı´ a opravy chyb). O cˇtyrˇi roky pozdeˇji obeˇ firmy specifikovaly standard teˇchto CD (tzv. Red Book), ktery´ se vyuzˇ´ıva´ dodnes. Pru˚meˇr disku 12 cm byl zvolen proto, aby se na nove´ me´dium vesˇla cela´ Deva´ta´ symfonie Ludwiga van Beethovena bez prˇerusˇenı´. Obeˇ firmy spolu pracovaly jesˇteˇ deset let. V roce 1994 byl uverˇejneˇn standard Yellow Book CDROM, umozˇnˇujı´cı´ vyuzˇ´ıt CD me´dia i pro ukla´da´nı´ pocˇ´ıtacˇovy´ch dat. Standard Yellow Book vyuzˇ´ıva´ 4
2.4. DVD fyzicky stejne´ me´dium definovane´ standardem Red Book s tı´m rozdı´lem, zˇe modifikuje ko´dovacı´ elektroniku tak, aby bylo mozˇne´ data spolehliveˇ ukla´dat. Vsˇechny na´sledneˇ vyvinute´ standardy se z hlediska fyzicky´ch parametru˚ me´dia odkazujı´ na pu˚vodnı´ standard Red Book. Prvnı´ mechanika CD-R umozˇnˇujı´cı´ za´pis, byla uvedena na trh v roce 1988. Sta´la okolo 50 000 USD a byla velka´ jako automaticka´ pracˇka. Me´dia se proda´vala za 100 dolaru˚. Firma Philips v roce 1991 prˇedstavila mechaniku s dvou rychlostnı´m za´pisem dat. Zlomovy´m okamzˇikem byl rok 1995. V te´ dobeˇ firma Hewlett-Packard zacˇala s prodejem 2x mechaniky za me´neˇ nezˇ 1000 dolaru˚. Reakcı´ byla obrovska´ popta´vka, tı´m docha´zelo k dalsˇ´ımu rozsˇ´ırˇenı´ vy´roby a poklesu cen. V roce 1996 byla prˇedstavena prvnı´ CD-RW mechanika od firmy Ricoh, spolu se standardem Orange Book, obsahujı´cı´ popis standardu CD-RW.
2.4 DVD V roce 1995 dveˇ firmy zaha´jily vy´voj me´diı´ CD-ROM o zvy´sˇene´ kapaciteˇ. Du˚sledkem byl vznik dvou nekompatibilnı´ch standardu˚ (Multimedia CD firem Sony a Philips a Super Density firem Toshiba, Time Warner a dalsˇ´ıch). Z du˚vodu˚ obav, zˇe se jednotlive´ firmy budou snazˇit prosadit na trhu sve´ vlastnı´ standardy, vytvorˇilo neˇkolik dalsˇ´ıch firem konsorcium (vcˇetneˇ Hollywood Video Disc Advisory a Computer Industry Technical Working Group). Toto konsorcium meˇlo za cı´l kontrolovat forma´ty DVD. Od pocˇa´tku sve´ existence konsorcium trvalo na jednotne´m forma´tu a odmı´tlo akceptovat standardy do te´ doby vyvinute´. Proto se obeˇ konkurencˇnı´ strany v za´rˇ´ı roku 1995 spojily a prˇedstavily specifikaci nove´ho vysokokapacitnı´ho CD-ROM. Tento standard byl kombinacı´ obou pu˚vodnı´ch konkurencˇnı´ch standardu˚ a byl nazva´n DVD (Digital Video Disc). Pozdeˇji byl vy´znam te´to zkratky zmeˇneˇn na Digital Versatile Disc, univerza´lnı´ digita´lnı´ disk. V lednu roku 1997 byly na veletrhu CES v Las Pegas prˇedstaveny prvnı´ DVD prˇehra´vacˇe a disky. O dva meˇsı´ce pozdeˇji tyto prˇehra´vacˇe a disky vstoupily na americky´ trh. Prˇitom zpocˇa´tku bylo nabı´zeno pouhy´ch 36 titulu˚, ktere´ byly dostupne´ pouze v sedmi americky´ch meˇstech. Rozsˇ´ırˇenı´ DVD na americke´m trhu dosˇlo v srpnu 1997. DVD Forum je organizace, ktera´ rˇ´ıdı´ dalsˇ´ı vy´voj standardu DVD. Je tvorˇena vedoucı´mi firmami elektronicke´ho pru˚myslu. Protozˇe se jedna´ o verˇejnou organizaci, mu˚zˇe se k nı´ prˇipojit ktera´koliv dalsˇ´ı firma s mozˇnostı´ navsˇteˇvovat zaseda´nı´ organizace. Od zalozˇenı´ v dubnu v roce 1997 se k nı´ prˇipojilo vı´ce nezˇ 230 dalsˇ´ıch firem. Protozˇe se ale organizace DVD Forum nebyla schopna shodnout na forma´tu DVD me´diı´ umozˇnˇujı´cı´ch za´pis, odsˇteˇpily se v roce 2000 v cˇervnu firmy Sony, Philips a neˇktere´ dalsˇ´ı a zalozˇily alianci DVD+RW Aliance. Vy´sledkem vy´voje teˇchto firem je forma´t DVD+RW, ktery´ je velmi flexibilnı´ a nabı´zı´ mı´ru zpeˇtne´ kompatibility.
5
Kapitola 3
Pameˇti magneticke´ 3.1 Princip ukla´da´nı´ dat Vneˇjsˇ´ı pameˇti nejcˇasteˇji pracujı´ s magneticky´m za´znamem. Za´znamove´ me´dium ma´ tvar kruhove´ desky (disk, disketa) nebo dlouhe´ pa´sky (magneticka´ pa´ska), je pokryto aktivnı´ magnetickou vrstvou a pohybuje se konstantnı´ rychlostı´. V bodu dotyku s povrchem me´dia nebo jen v nepatrne´ vzda´lenosti od neˇj je sˇteˇrbina (o sˇ´ırˇce cca 1 mikrometr, u me´diı´ se strˇ´ıkanou aktivnı´ tenkou vrstvou jen 0,01 mikrometru) magneticke´ho obvodu. Ten tvorˇ´ı ja´dro (prˇerusˇene´ pra´veˇ touto sˇteˇrbinou), na neˇmzˇ je navlecˇena´ cı´vka. Magneticky´ tok, ktery´ procha´zı´ ja´drem (prˇi pru˚chodu elektricke´ho proudu cı´vkou) se v mı´steˇ sˇteˇrbiny rozptyluje do nejblizˇsˇ´ıho okolı´ a uzavı´ra´ prˇes vzduchovou mezeru. Jeho rozpty´lene´ silocˇa´ry zasahujı´ i do aktivnı´ vrstvy za´znamove´ho materia´lu, kterou magnetizujı´. (obr.3.1) Zapisovacı´ hlava
Cı´vka −
Cˇtecı´ hlava Za´znamove´ me´dium
+
S
N S
N N
S S
N N
S N
S
Indukcˇnı´ za´pisovy´ prvek Smeˇr rotace pevne´ho disku
Sˇ´ırˇka stopy
Obra´zek 3.1: Princip magneticke´ho za´pisu
Pokud se meˇnı´ smeˇr elektricke´ho proudu v cı´vce, meˇnı´ se smeˇr magneticke´ho toku ja´drem i vzduchovou sˇteˇrbinou a tı´m i smysl magnetizace vrstvy. Kdyzˇ se vrstva pohybuje, vznikajı´ v nı´ oblasti magnetovane´ tı´m cˇi onı´m smeˇrem a mezi nimi mı´sta magneticky´ch zmeˇn. Teˇm rˇ´ıka´me mı´sta magneticky´ch reverzacı´. Pra´veˇ jejich prˇ´ıtomnost na me´diu prˇedstavujı´ zapsanou informaci. Prˇi cˇtenı´ se me´dium pod hlavicˇkou pohybuje sta´le stejny´m smeˇrem. Magneticke´ reverzace nynı´ prˇedstavujı´ 6
3.2. ME´DIA PRO MAGNETICKY´ ZA´ZNAM zmeˇny magneticke´ho pole vyvola´vane´ magneticky´m me´diem. Tyto zmeˇny zpu˚sobujı´ vznik napeˇt’ovy´ch impulsu˚ na svorka´ch cı´vky, ktere´ pak da´le zpracova´vajı´ elektronicke´ zesilovacˇe. Jednı´m z proble´mu˚ magneticke´ho za´znamu je, jak urcˇit pra´veˇ ta mı´sta, ve ktery´ch prˇi cˇtenı´ zjisˇt’ovat prˇ´ıtomnost reverzacı´. Me´dium s ulozˇeny´mi daty se totizˇ prˇi za´pisu mu˚zˇe pohybovat jinou rychlostı´ nezˇ prˇi cˇtenı´, proto nelze vzda´lenost meˇrˇit cˇasem. Kromeˇ toho docha´zı´ ke zda´nlive´mu posuvu reverzacı´ na jizˇ zaznamenane´m me´diu, takzˇe ani prˇesne´ dodrzˇenı´ rychlosti proble´m nerˇesˇ´ı. Posun reverzacı´ se da´ vysveˇtlit na´sledovneˇ: prˇedpokladem je, zˇe se ma´ zapsat posloupnost neˇkolika bitu˚. Jeden bit dat se zapisuje do jednoho bitove´ho intervalu. Vsˇechny bitove´ intervaly pro jednicˇky i nuly jsou stejneˇ dlouhe´. Kazˇda´ jednicˇka se zaznamena´va´ jednou reverzacı´, pro nulu se reverzace v bitove´m intervalu neprova´dı´. Toto ko´dova´nı´ se nazy´va´ „bez na´vratu k nule s inverzı´“ (Not Return to Zero with Inversion - NRZI). Prˇi cˇtenı´ se reverzace jevı´ jako kladne´ nebo za´porne´ napeˇt’ove´ pulsy. Polarita nenı´ rozhodujı´cı´, kazˇdy´ puls znacˇ´ı jednu prˇecˇtenou jednicˇku. Jednoduchy´ je prˇ´ıpad, kdy hustota zaznamenane´ informace je mala´ (vzhledem k velikosti generovane´ho pulsu). Cˇ´ım vı´ce se ale reverzace prˇiblizˇujı´, tı´m slozˇiteˇjsˇ´ı a deformovaneˇjsˇ´ı napeˇt’ovy´ pru˚beˇh zı´ska´va´me na cı´vce cˇtecı´ hlavicˇky. Elektronicky´mi obvody lze detekovat mı´sta s maxima´lnı´ amplitudou a urcˇit tak zapsane´ jednicˇky. Mnohem horsˇ´ı je ale skutecˇnost, zˇe se tyto maxima´lnı´ amplitudy vyskytujı´ na jiny´ch mı´stech, tedy v jiny´ch okamzˇicı´ch, nezˇ byly zapsa´ny. Posunutı´ reverzacı´ zpu˚sobuje, zˇe zapsanou posloupnost nelze s urcˇitostı´ spra´vneˇ interpretovat, zvla´sˇteˇ pak v prˇ´ıpadech, kdy bylo za sebou zapsa´no neˇkolik nul. Mozˇny´m rˇesˇenı´m by bylo soubeˇzˇne´ zaznamena´va´nı´ cˇasovy´ch synchronizacˇnı´ch znacˇek, ktere´ by se pote´ daly vyuzˇ´ıt jako opeˇrne´ body pro stanovenı´ oneˇch mı´st. Zˇa´dne´ soubeˇzˇne´ zaznamena´va´nı´ synchronizacˇnı´ch znacˇek vsˇak v tomto ko´du nenı´ mozˇne´, posun reverzacı´ se tedy rˇesˇ´ı tzv. prˇedkompenzacı´. Ta spocˇ´ıva´ v jednoduche´m prˇedpokladu, zˇe k posunutı´ dojde prˇi cˇtenı´. Tak se neˇktere´ reverzace zapisujı´ pozdeˇji, nezˇ by se zapisovat meˇly, jine´ naopak drˇ´ıve. Posunutı´m se ocitnou blı´zˇe mı´stu, kde by se meˇly vyskytovat v idea´lnı´m prˇ´ıpadeˇ. Na magneticky´ch pa´ska´ch je za´znam synchronizacˇnı´ch znacˇek jednoduchy´, z du˚vodu za´pisu neˇkolika stop paralelneˇ. K datovy´m bitu˚m se prˇida´ jesˇteˇ jeden synchronizacˇnı´ a zapisuje se naprˇ´ıklad do devı´ti stop. Synchronizacˇnı´ stopa se da´ jesˇteˇ navı´c vyuzˇ´ıt k za´znamu paritnı´ho bitu pro zabezpecˇenı´ proti chyba´m. K za´znamu jednoho bitu je trˇeba pru˚meˇrneˇ 0,5 reverzace. Mnohem beˇzˇneˇjsˇ´ı je ale za´znam prova´deˇny´ do jedine´ stopy se´riovy´m zpu˚sobem. Tı´mto zpu˚sobem se informace zapisujı´ na disky a diskety. Synchronizacˇnı´ znacˇky se pak nemohou zapisovat do zvla´sˇtnı´ch stop, proto zby´va´ jedina´ mozˇnost a to prokla´dat jimi zapisovana´ data. Na me´dium zapisovane´ reverzace prˇedstavujı´ smeˇs datovy´ch a synchronizacˇnı´ch reverzacı´. Prˇida´va´nı´m synchronizacˇnı´ch reverzacı´ vsˇak docha´zı´ k redundanci, k nadbytecˇnosti, prˇi nezmeˇneˇne´m datove´m obsahu. Snahou konstrukte´ru˚ je nale´zt ko´dova´nı´, techniku za´znamu, ktera´ v kazˇde´m okamzˇiku zajisˇt’uje synchronizaci za´znamu a je prˇitom co nejme´neˇ redundantnı´. Ko´dy s teˇmito vlastnostmi se nazy´vajı´ samosynchronizovatelne´ ko´dy. Patrˇ´ı sem ko´dova´nı´ FM, modifikace tohoto ko´dova´nı´ MFM a ko´dova´nı´ M2 FM, ktere´ se uzˇ nepouzˇ´ıva´. Nejnoveˇjsˇ´ı a neju´sporneˇjsˇ´ı jsou RLL ko´dy. Nejsou sice samosynchronizujı´cı´, ale pocˇet bitovy´ch intervalu˚ se zapsany´mi nulami (intervaly bez reverzacı´) je u nich shora i zdola omezen.
3.2 Me´dia pro magneticky´ za´znam Za´znamove´ me´dium pro magneticky´ za´znam se skla´da´ z podlozˇky s aktivnı´ vrstvou, na ktere´ je da´le nanesen lak. Aktivnı´ vrstva magneticke´ho za´znamove´ho materia´lu je nanesena na nemagneticke´ podlozˇce. Aktivnı´ vrstva se pokry´va´ ochrannou nebo mazacı´ vrstvou. Podle mechanicky´ch vlastnostı´ podlozˇky se rozlisˇujı´ dva za´kladnı´ typy za´znamovy´ch me´dii. A to me´dia s podlozˇkou pruzˇnou a me´dia 7
3.2. ME´DIA PRO MAGNETICKY´ ZA´ZNAM s podlozˇkou pevnou. Pruzˇna´ za´znamova´ me´dia majı´ jako podlozˇku polyesterovou fo´lii. Podlozˇky pro magneticke´ pa´sky majı´ tlousˇt’ku 6 - 75µm a vysokou pevnost v tahu. Nejdu˚lezˇiteˇjsˇ´ım parametrem disketovy´ch podlozˇek je koeficient zmeˇny rozmeˇru v za´vislosti na teploteˇ. Tento koeficient ma´ rozhodujı´cı´ vliv na dosazˇitelnou prˇ´ıcˇnou hustotu za´znamu. Pruzˇna´ za´znamova´ me´dia vyuzˇ´ıvajı´ zkusˇenostı´ s hromadnou vy´robou za´znamovy´ch me´diı´ pro audiovizua´lnı´ techniku. Vzhledem k hromadne´ vy´robeˇ je jejich cena velmi prˇ´ızniva´. Digita´lnı´ magneticke´ pa´sky byly nejcˇasteˇji volne´ pu˚lpalcove´ nebo kazetove´ cˇtvrtpalcove´. Nejobvyklejsˇ´ı jsou diskety. Pevne´ podlozˇky za´znamovy´ch me´diı´ jsou z nemagneticky´ch kovovy´ch materia´lu˚. Majı´ diskovy´ tvar a razı´ se veˇtsˇinou z vyva´lcovane´ho pa´su slitiny AlMg z vybrany´ch a vysta´rnuty´ch ingotu˚. Po vyrazˇenı´ se rovnajı´, stabilizujı´ a obra´beˇjı´ na pozˇadovane´ rozmeˇry a hrubost povrchu. Pozˇadavek na kvalitu povrchu souvisı´ se zpu˚sobem nana´sˇenı´ aktivnı´ vrstvy. Pro tenkovrstva´ me´dia musı´ by´t kvalita povrchu vysˇsˇ´ı. V dnesˇnı´ dobeˇ se take´ pouzˇ´ıvajı´ desky ze skla. Jsou stabilneˇjsˇ´ı a odolneˇjsˇ´ı proti sˇoku˚m a na´razu˚m. Podle zpu˚sobu nana´sˇenı´ aktivnı´ vrstvy na podlozˇku rozlisˇujeme druhy me´diı´ na: • me´dia s lakovou vrstvou (oxidova´ me´dia) • me´dia s tenkou za´znamovou vrstvou • me´dia AFC • me´dia HAMR
3.2.1 Me´dia s lakovou vrstvou Lakove´ za´znamove´ vrstvy jsou tvorˇeny cˇa´sticemi za´znamove´ho feromagneticke´ho materia´lu rozpty´leny´mi ve vytvrzene´m pojivu. Tvorˇ´ı asi 20% objemu aktivnı´ vrstvy pevny´ch disku˚ a azˇ 40% objemu vrstvy me´diı´ pruzˇny´ch. Kromeˇ nich jsou obsazˇeny v aktivnı´ vrstveˇ i dalsˇ´ı prˇ´ısady upravujı´cı´ tvrdost vrstvy a jejı´ odolnost proti oteˇru. Za tı´mto u´cˇelem se pouzˇ´ıva´ Al2 O3 . Da´le je uhlı´kem upravova´na elektricka´ vodivost, nutna´ k odvodu elektrostaticke´ho na´boje. V neˇktery´ch prˇ´ıpadech se prˇida´vajı´ prˇ´ısady, upravujı´cı´ mechanicke´ vlastnosti styku me´dia se za´znamovou a cˇtecı´ hlavicˇkou, nebo prˇ´ısady, upravujı´cı´ opticke´ vlastnosti me´dia. Jako pojivo se pro pruzˇna´ me´dia pouzˇ´ıva´ polyvinyl nebo polyuretan, pro pevne´ disky pak tvrzene´ polyesterove´ pryskyrˇice. Aktivnı´m za´znamovy´m materia´lem v lakovy´ch za´znamovy´ch vrstva´ch jsou oxidy zˇeleza, ferity Fe2 O3 . Vyskytujı´ se v pevny´ch i pruzˇny´ch discı´ch, na magneticky´ch pa´ska´ch pro analogovy´ i digita´lnı´ za´znam. Na pa´ska´ch pro digita´lnı´ za´znam vysoke´ hustoty, ale i u soucˇasny´ch pa´sek pro analogovy´ za´znam videosigna´lu (8mm), se uplatnˇujı´ lakove´ za´znamove´ vrstvy s CrO2 nebo i s cˇisteˇ kovovy´mi cˇa´sticemi. Z laboratornı´ch zkousˇek do vy´roby postoupily za´znamove´ vrstvy na ba´zi barnaty´ch feritu˚ BaO6 (Fe2 O3 ). Ty vytva´rˇejı´ cˇa´stice ve tvaru maly´ch plochy´ch sˇestiu´helnı´ku˚ a jsou vhodne´ pro vy´robu velmi tenky´ch lakovy´ch za´znamovy´ch vrstev nebo vrstev pro vertika´lnı´ za´znam. Samotne´ cˇa´stice za´znamove´ho materia´lu majı´ rozmeˇry 0,04 azˇ 1µm. Prˇi za´znamu se zmagnetizova´va´ vzˇdy urcˇita´ oblast a v za´znamove´ vrstveˇ vznikajı´ dome´ny, stejneˇ orientovane´ oblasti cˇa´stic. Veˇtsˇ´ı cˇa´stice jsou tedy nevy´hodne´, protozˇe nedovolujı´ zvysˇovat hustotu za´znamu. Naopak cˇa´stice s rozmeˇrem pod 0,04µm za pu˚sobenı´ teploty zase samovolneˇ meˇnı´ smeˇr magnetizace. Tvar samotny´ch cˇa´stic ma´ vliv i na vy´sledne´ magneticke´ vlastnosti. Vy´hodne´ je, jsou-li dı´ky neˇmu magneticky anizotropnı´ (tzn. struktura materia´lu je usmeˇrneˇna´). Jehlicˇkove´ za´znamove´ materia´ly majı´ pak osu snadne´ magnetizace ve smeˇru veˇtsˇ´ıho rozmeˇru. Anizotropie se kromeˇ toho umeˇle 8
3.2. ME´DIA PRO MAGNETICKY´ ZA´ZNAM zvysˇuje smeˇrovou orientacı´ cˇa´stic. Deˇla´ se to vneˇjsˇ´ım magneticky´m polem beˇhem tvrzenı´ za´znamove´ vrstvy pevny´ch disku˚ a neˇktery´ch pa´sek. V jiny´ch prˇ´ıpadech je naopak zapotrˇebı´ smeˇroveˇ izotropnı´ za´znamovy´ materia´l, naprˇ. u disket, magneticky´ch pa´sek pro za´znam pomocı´ rotujı´cı´ch hlav. Tehdy se anizotropie prˇi vy´robeˇ umeˇle rusˇ´ı. Chemicka´ stabilita a slucˇitelnost s pouzˇity´m pojivem je dalsˇ´ı z du˚lezˇity´ch vlastnostı´ cˇa´stic za´znamove´ho materia´lu. Take´ slucˇitelnost s dalsˇ´ımi prˇ´ısadami za´znamove´ vrstvy i s materia´lem prˇ´ıpadne´ stycˇne´ plochy se za´znamovou a cˇtecı´ hlavou. Za´znamove´ lakove´ vrstvy se nana´sˇejı´ kontinua´lnı´m pole´va´nı´m pohybujı´cı´ho se pa´su pruzˇne´ podlozˇky (sˇ´ırˇka 300 - 600mm, rychlost pohybu 1 azˇ 2m/s), nebo odstrˇedivy´m litı´m na ota´cˇejı´cı´ se pevne´ podlozˇky disku˚. V soucˇasne´ dobeˇ jsou uzˇ tyto technologie tak propracovane´, zˇe se dosahuje tlousˇt’ek kolem 0,8µm. Po nanesenı´ na podlozˇku se lakove´ za´znamove´ vrstvy vytvrzujı´. K vytvrzenı´ polyuretanovy´ch pojiv stacˇ´ı pokojova´ teplota, vrstvy pevny´ch disku˚ s pryskyrˇicˇny´mi pojivy se vytvrzujı´ azˇ prˇi 200◦ C. Po vytvrzenı´ se povrch da´le mechanicky upravuje kalandrova´nı´m nebo brousˇenı´m. Sˇiroky´ pa´s pruzˇny´ch me´diı´ se pote´ jesˇteˇ rˇezˇe na pozˇadovanou sˇ´ırˇku nebo se z neˇj razı´ diskety. Trvaly´ kontakt cˇtecı´ a za´znamove´ hlavy s povrchem me´dia majı´ magneticke´ pa´sky a diskety, disky technologie Winchester majı´ tento kontakt prˇi rozbeˇhu a dobeˇhu me´dia. V obou prˇ´ıpadech ale vyvola´va´ tento fakt, zvla´sˇteˇ prˇi vysoky´ch relativnı´ch rychlostech vza´jemne´ho pohybu, nadmeˇrne´ mechanicke´ nama´ha´nı´ a tı´m i znacˇne´ opotrˇebenı´. V krajnı´m prˇ´ıpadeˇ mu˚zˇe dojı´t i k posˇkozenı´ me´dia nebo hlavy a tı´m k mozˇne´ ztra´teˇ zaznamenany´ch dat cˇi dokonce k hava´rii zarˇ´ızenı´. Proto se tato za´znamova´ me´dia opatrˇujı´ mazacı´mi prostrˇedky, ktere´ jsou soucˇa´stı´ laku za´znamove´ vrstvy, nebo se na povrch v tenke´ vrstveˇ nana´sˇejı´. Nejcˇasteˇji se pouzˇ´ıva´ fluorouhlı´kove´ sloucˇeniny, jejichzˇ chemicke´ a fyzika´lnı´ vlastnosti jsou vyhovujı´cı´. Mezi tyto vlastnosti patrˇ´ı chemicka´ inertnost, mala´ teˇkavost, velka´ vodeˇ odolnost, male´ povrchove´ napeˇtı´ a sta´la´ viskozita v cele´m rozsahu pracovnı´ch teplot u tekuty´ch maziv, resp. nı´zky´ bod ta´nı´ u polotuhy´ch a tuhy´ch maziv. Nevy´hodou tekuty´ch maziv je vysˇsˇ´ı na´chylnost k prˇijı´ma´nı´ vlhkosti a tı´m i veˇtsˇ´ı schopnost va´zat necˇistoty ulpı´vajı´cı´ch na povrchu. Nedostatkem je i jejich uby´va´nı´ vlivem odstrˇedivy´ch sil prˇi rotaci me´dia. Vrstva maziva je neobycˇejneˇ slaba´. Ma´ tlousˇt’ku 20 azˇ 50A, tedy pouhe´ 2 azˇ 3 molekulove´ vrstvy. Prˇi te´to tlousˇt’ce nedocha´zı´ ke zvy´sˇenı´ koeficientu staticke´ho trˇenı´ „lepenı´m“ klouza´tka hlavy k povrchu me´dia po delsˇ´ı dobeˇ klidu, kdy se disk neota´cˇ´ı a hlava je na neˇm usazena. U lakovy´ch za´znamovy´ch vrstev se objevujı´ i neprˇ´ıznive´ vlastnosti. Je to prˇedevsˇ´ım nizˇsˇ´ı amplituda cˇtene´ho signa´lu a mensˇ´ı odstup signa´lu od sˇumu. Obeˇ jsou zpu˚sobeny malou objemovou hustotou za´znamove´ho materia´lu v aktivnı´ vrstveˇ. Horsˇ´ı je i za´znam a cˇtenı´ vysokofrekvencˇnı´ch signa´lu˚, protozˇe za´znamova´ vrstva je relativneˇ silna´. Navı´c s vysˇsˇ´ımi pozˇadavky na hustotu za´znamu disku, musı´ by´t take´ tencˇ´ı a le´pe formovana´ magneticka´ citliva´ vrstva. U vysokokapacitnı´ch disku˚ byly vycˇerpa´ny vesˇkere´ mozˇnosti, ktere´ da´va´ pouzˇitı´ oxidu. Navı´c, protozˇe oxidove´ me´dium je pomeˇrneˇ velmi meˇkke´, disky, majı´cı´ toto me´dium, jsou ma´lo odolne´ vu˚cˇi hava´riı´m hlav. Tyto nedostatky byly vy´znamny´m motivem pro zavedenı´ technologicky obtı´zˇneˇjsˇ´ıch tenky´ch za´znamovy´ch vrstev.
3.2.2 Me´dia s tenkou vrstvou Tenka´ vrstva (nebo take´ tenky´ film) je me´dium, ktere´ je tencˇ´ı, tvrdsˇ´ı a le´pe formovane´ nezˇ me´dium s lakovanou vrstvou. Tenky´ film byl vyvinut jako me´dium pro vysokokapacitnı´ disky, ktere´ umozˇnˇovalo nove´ generaci pevny´ch disku˚ mı´t mensˇ´ı provoznı´ vzda´lenost mezi hlavou a povrchem. Du˚sledkem tohoto snı´zˇenı´ provoznı´ vy´sˇky bylo i zvy´sˇenı´ hustoty za´znamu disku. Pu˚vodneˇ se tento typ me´dia pouzˇ´ıval pouze u vysokokapacitnı´ch a kvalitneˇjsˇ´ıch disku˚, ale v soucˇasne´ dobeˇ jej pouzˇ´ıvajı´ jizˇ te´meˇˇr vsˇichni vy´robci pro vesˇkere´ typy disku˚. Pro tenke´ za´znamove´ vrstvy lze pouzˇ´ıt jaky´koliv feromagneticky´ materia´l s pozˇadovany´mi magne9
3.2. ME´DIA PRO MAGNETICKY´ ZA´ZNAM ticky´mi vlastnostmi, ktery´ lze nana´sˇet do uniformnı´ch vrstev o tlousˇt’ka´ch 0,1µm a mensˇ´ıch. Nejcˇasteˇji jsou pouzˇity cˇiste´ kovy nebo jejich slitiny. Jde o slitiny kobaltu s niklem, ale i chro´mem, platinou a wolframem. Pouzˇ´ıvajı´ se vsˇak i dalsˇ´ı nekovove´ prˇ´ısady, naprˇ. fosfor. Podle zpu˚sobu aplikace aktivnı´ vrstvy na disk se tenky´ film da´le deˇlı´ na dva druhy - pla´tovany´ (plated) a strˇ´ıkany´ (sputtered) tenky´ film. Pla´tovana´ tenka´ vrstva Pla´tovana´ tenka´ vrstva se na povrch plotny nana´sˇ´ı elektropla´tovacı´m mechanizmem, prˇi ktere´m hlinı´kova´ cˇi skleneˇna´ plotna procha´zı´ rˇadou chemicky´ch la´znı´, pokry´vajı´cı´ povrch disku neˇkolika vrstvami kovove´ho filmu. Me´dium je obvykle vyrobeno z kobaltove´ slitiny a jeho tlousˇt’ka je okolo 0,08µm. Strˇ´ıkany´ tenky´ film Strˇ´ıkany´ tenky´ film se vyra´bı´ tak, zˇe vlastnı´ povrch hlinı´kove´ cˇi skleneˇne´ plotny je pokryt vrstvou sloucˇeniny niklu a fosforu a pote´ je na takto vznikly´ prˇipraveny´ povrch ve vakuove´ komorˇe nastrˇ´ıka´na vrstva slitiny kobaltu. Takto vyrobene´ magneticke´ vrstvy majı´ tlousˇt’ku 0,03 azˇ 0,05µm. Na´sledneˇ je obdobny´m zpu˚sobem na povrch nastrˇ´ıka´na ochranna´ vrstva z velmi pevne´ uhlı´kove´ sloucˇeniny. Jejı´ tlousˇt’ka je asi 0,03µm. Potrˇeba zajisˇteˇnı´ te´meˇrˇ dokonale´ho vakua da´le zvysˇuje cenu tohoto zpu˚sobu vy´roby. Z du˚vodu velmi hladke´ho povrchu strˇ´ıkany´ch ploten, mu˚zˇe by´t snı´zˇena i vy´sˇka vzna´sˇenı´ hlav nad povrchem. Je mozˇne´ dosa´hnout vy´sˇky vzna´sˇenı´ jen 0,01µm. Cˇ´ım je hlava blı´zˇ k magneticke´mu povrchu, tı´m vysˇsˇ´ı mu˚zˇe by´t hustota zmeˇn magneticke´ho toku, kterou je schopno me´dium zaznamenat. Vy´sledkem je opeˇt na´ru˚st kapacity me´dia. Navı´c zvy´sˇena´ intenzita magneticke´ho pole, vede k vysˇsˇ´ım amplituda´m cˇtene´ho signa´lu a tedy k lepsˇ´ımu odstupu signa´lu od sˇumu.
3.2.3 Me´dia AFC V dnesˇnı´ dobeˇ se u disku˚ zacˇ´ına´ rozma´hat technologie oznacˇovana´ AFC (Antiferomagnetically Coupled media). Zde jsou celkem trˇi vrstvy, dveˇ magneticke´ a mezi nimi tenka´ vrstva ruthenia, ktera´ zpu˚sobı´ vza´jemne´ ovlivneˇnı´ magneticky´ch vrstev v opacˇne´m smeˇru magnetizace. Vrstva ruthenia je pouhy´ch 6 angstromu˚ silna´. Vy´voja´rˇi IBM nazvali tuto vrstvicˇku trpaslicˇ´ım prachem (pixie dust). Zda´nliva´ magneticka´ tlousˇt’ka cele´ te´to struktury pak odpovı´da´ zhruba vzda´lenosti mezi hornı´ a spodnı´ magnetickou vrstvou. Dı´ky tomu je mozˇne´ k vy´robeˇ disku pouzˇ´ıt relativneˇ tlustsˇ´ı magneticke´ vrstvy s vysˇsˇ´ı stabilitou a tı´m i zvy´sˇit hustotu za´znamu. Prvnı´ disky s me´diem AFC byly urcˇeny prˇedevsˇ´ım pro prˇenosne´ pocˇ´ıtacˇe a na trhu se objevily v roce 2001. Prˇedpokla´da´ se, zˇe pouzˇitı´ AFC me´dia umozˇnı´ zvy´sˇenı´ plosˇne´ hustoty za´znamu azˇ na 100Gb/in2 .
3.2.4 Me´dia HAMR V roce 2002 firma Seagate prˇedstavila zcela novou technologii za´pisu na pevny´ disk. Technologie HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) je dalo by se rˇ´ıci revolucı´ v oblasti ukla´da´nı´ dat a dovoluje zaznamenat azˇ stokra´t veˇtsˇ´ı objem dat na palec nezˇ tomu u technologie AFC. Za´kladem je klasicky´ magneticky´ za´znam, ale hlavnı´m faktorem pro tak velke´ zvy´sˇenı´ kapacity je tepelna´ asistence laseru. Technologie HAMR funguje tak, zˇe zahrˇeje me´dium laserovy´m paprskem prˇesneˇ do bodu, kam jsou data zapisova´na. Prˇi vysˇsˇ´ıch teplota´ch se na me´dium snadneˇji zapisuje a rychle´ na´sledujı´cı´ chlazenı´
10
3.2. ME´DIA PRO MAGNETICKY´ ZA´ZNAM stabilizuje zapsana´ data. Vy´sledkem tohoto za´znamu s tepelnou asistencı´ je dosazˇenı´ vy´razne´ho zvy´sˇenı´ hustoty za´pisu. Technologie HAMR, zkombinovana´ s usporˇa´dany´mi magneticky´mi poli zˇelezo-platinovy´ch cˇa´stic, by meˇla prolomit takzvany´ superparamagneticky´ limit magneticke´ho za´znamu vı´ce nezˇ stona´sobneˇ, cˇ´ımzˇ dosa´hne hustoty za´pisu azˇ 50Tb/in2 .
11
3.3. PEVNY´ DISK
3.3 Pevny´ disk Pevny´ disk je uzavrˇena´ jednotka v pocˇ´ıtacˇi, pouzˇ´ıvana´ pro trvale´ ukla´da´nı´ dat (tzv. data zu˚stanou na disku zachova´na i po vypnutı´ napa´jenı´ pocˇ´ıtacˇe). Pouzdro chra´nı´ disk prˇed necˇistotami a posˇkozenı´m. Pevny´ disk obsahuje pevne´ plotny diskove´ho tvaru, ktere´ jsou veˇtsˇinou vyrobeny ze slitiny hlinı´ku nebo skla. Plotny na rozdı´l od disket nelze ohy´bat, proto termı´n pevny´ disk. Ve veˇtsˇineˇ prˇ´ıpadu˚ platı´, zˇe plotny nelze vyjmout. Z teˇchto du˚vodu˚ se neˇkdy pouzˇ´ıva´ termı´n pevna´ diskova´ mechanika (fixed disk drive) nebo hard disk drive HDD.
3.3.1 Cˇa´sti pevne´ho disku Veˇtsˇina disku˚ se skla´da´ z podobny´ch soucˇa´sti. Jsou jimi • plotny disku • hlavy pro cˇtenı´ a za´pis • pohon hlav • vzduchove´ filtry • pohon ploten disku • rˇ´ıdı´cı´ deska (deska s elektronikou) • kabely a konektory Plotny pevne´ho disku Pevny´ disk ma´ jednu nebo vı´ce ploten (disku˚). Beˇhem vy´voje pocˇ´ıtacˇu˚ se pouzˇ´ıvalo neˇkolik velikostı´ pevny´ch disku˚. Standardneˇ se velikosti pevne´ho disku vyjadrˇuje pomocı´ velikosti ploten disku, dane´ v palcı´ch. Nejcˇasteˇji se pouzˇ´ıvajı´ pevne´ disky o velikostech: • 3 1/2” (prˇesneˇ 95mm) • 2 1/2” (prˇesneˇ 65mm) • 1,8” (prˇesneˇ 48mm) • 1” (prˇesneˇ 34mm) V soucˇasne´ dobeˇ se nejcˇasteˇji pouzˇ´ıvajı´ disky o velikosti 3 1/2 palce, 2 1/2 palcove´ a mensˇ´ı disky se vyuzˇ´ıvajı´ hlavneˇ u notebooku˚. Plotny byly vyra´beˇny ze slitiny hlinı´ku a horˇcˇ´ıku, z du˚vodu pevnosti a nı´zke´ hmotnosti. Se vzru˚stajı´cı´mi na´roky na hustotu za´znamu dat a na zmensˇenı´ pevne´ho disku se nynı´ v mnoha pevny´ch discı´ch pouzˇ´ıvajı´ plotny ze skla (prˇesneˇji ze sklokeramicke´ho kompozitnı´ho materia´lu). Dı´ky keramicky´m cˇa´stecˇka´m je vy´sledny´ materia´l me´neˇ la´mavy´ nezˇ cˇiste´ sklo. Navı´c plotny ze skla jsou tuzˇsˇ´ı a me´neˇ ohebne´ nezˇ plotny z hlinı´ku. Proto mohou by´t vyra´beˇny s polovicˇnı´ tlousˇt’kou. Skleneˇne´ desky majı´ take´ podstatneˇ mensˇ´ı tepelnou roztazˇnost, cozˇ znamena´, zˇe prˇi zmeˇna´ch teploty se jejich rozmeˇry prˇ´ılisˇ nemeˇnı´.
12
3.3. PEVNY´ DISK Za´znamova´ me´dia Kazˇda´ plotna bez ohledu na materia´l, z ktere´ho je plotna vyrobena, ma´ na sobeˇ tenkou vrstvu magneticke´ la´tky. Oznacˇuje se jako me´dium nebo aktivnı´ vrstva disku. Jsou na ni uchova´va´ny magneticke´ informace. Aktivnı´ vrstva je dnes te´meˇrˇ vy´hradneˇ tenkovrstva´, nana´sˇena´ elektrolyticky nebo vakuovy´m naparˇova´nı´m. Vı´ce informacı´ viz. me´dia pro mag. za´znam. Hlavy pro cˇtenı´ a za´znam Na kazˇdou plotnu pevne´ho disku ve veˇtsˇineˇ prˇ´ıpadu˚ prˇ´ıslusˇ´ı jedna hlava pro cˇtenı´ a jedna pro za´znam na kazˇdou stranu plotny. Vsˇechny hlavy jsou umı´steˇny na jednom spolecˇne´m rameni a pohybujı´ se tedy za´rovenˇ. Kazˇda´ hlava je zaveˇsˇena na rameni za´veˇsu. Toto rameno je odpruzˇeno tı´m zpu˚sobem, zˇe v klidove´m stavu je hlava dı´ky sı´le pruzˇiny prˇitisknuta k povrchu me´dia. Jakmile se disk zacˇne ota´cˇet plnou rychlostı´, vznikne pod hlavami prˇetlak vzduchu, ktery´ je zvedne nad povrch disku. Vzda´lenost mezi hlavou a diskem je v rozmezı´ 10 azˇ 80nm. V dnesˇnı´ dobeˇ jsou vsˇechny disky vybaveny hlavami, ktere´ startujı´ z povrchu disku, tyto disky se neˇkdy oznacˇujı´ jako Winchestry. Technologie, kterou je hlava vyrobena ma´ velky´ podı´l na dosazˇene´ hustoteˇ za´znamu. Technologie vy´roby hlav pevny´ch disku˚ • Magnetodynamicke´ - tento typ hlav se dnes jizˇ nepouzˇ´ıva´. • Thin Film Inductive - TF - plosˇny´ spoj s miniaturnı´m vinutı´m (indukcˇnı´ hlava). TF hlava se take´ oznacˇuje jako jednosˇteˇrbinova´ hlava, protozˇe se pro za´pis i pro cˇtenı´ pouzˇ´ıva´ jedna sˇteˇrbina. • Magnetorezistivnı´ - MR - za´kladnı´ konstrukce MR hlavy se skla´da´ z oddeˇlene´ho cˇtecı´ho a za´pisove´ho prvku, ktere´ jsou vytvorˇeny prˇes sebe a sdı´lejı´ spolecˇne´ vrstvy materia´lu. Za´pisovy´ prvek je tenkovrstva´ indukcˇnı´ hlava TF. Optimalizovany´ na´vrh je vy´robneˇ snadneˇjsˇ´ı, nezˇ kombinovana´ hlava pro cˇtenı´ a za´pis, protozˇe potrˇebuje me´neˇ meˇdeˇny´ch vinutı´, vrstev materia´lu a kontrol tolerance. Tı´m se mu˚zˇe dosa´hnout vysˇsˇ´ı vy´teˇzˇnosti vy´roby, projevujı´cı´ se v nizˇsˇ´ı vy´robnı´ i uzˇivatelske´ ceneˇ. Cˇtecı´ prvek se skla´da´ z vrstvicˇky slitiny - obvykle nikl-zˇelezo, ktera´ vykazuje zmeˇnu odporu v magneticke´m poli - magnetorezistivnı´ efekt. Stı´nı´cı´ vrstva chra´nı´ MR-prvek od jiny´ch magneticky´ch polı´. Druhe´ stı´neˇnı´ funguje za´rovenˇ jako jeden po´l indukcˇnı´ za´pisove´ hlavy, proto pouzˇ´ıva´me pojem „sloucˇena´ MR hlava“. (obr.3.2) Na obra´zku magneticke´ho za´znamove´ho procesu vidı´me sloucˇenou MR hlavu pohybujı´cı´ se nad rotujı´cı´m diskem. Indukcˇnı´ prvek zapı´sˇe bity informace jako zmagnetizovane´ oblasti ve stopa´ch, ktere´ jsou pozdeˇji cˇteny MR-senzorem. Prˇ´ıtomnost magneticke´ho prˇechodu (reverzace) mezi bity zpu˚sobı´ rotaci magnetizace v MR-senzoru, ktera´ se da´ prˇ´ımo detekovat jako zmeˇna odporu pomocı´ prˇesne´ho zesilovacˇe, ktery´ potom generuje silneˇjsˇ´ı signa´l, prˇeda´vany´ pak da´le elektronice jednotky. • Giant Magnetoresistive - GMR - noveˇjsˇ´ı typ MR hlav. Cˇtecı´ element (GMR senzor) se skla´da´ ze dvou magneticky´ch vrstev obklopujı´cı´ch jako sendvicˇ vodivou vrstvu o tlousˇt’ce jen neˇkolika atomu˚. Jedna magneticka´ vrstva je ze slitin NiFe, druha´ kobaltova´, jejich oddeˇlenı´ zajisˇt’uje vodiva´ vrstvicˇka meˇdi.Soucˇasneˇ musı´ platit, zˇe kobaltova´ vrstva musı´ mı´t pevnou magnetickou orientaci, zatı´mco cˇa´stice v druhe´ vrstveˇ se mohou ota´cˇet libovolneˇ. Podle zmeˇn magneticke´ho 13
3.3. PEVNY´ DISK Stı´neˇnı´ 2/P1 Za´pisovy´ proud Cˇtecı´ proud Stı´neˇnı´ 1
S
N S
Megnetizace
N N
P2
S S
N N
SN
S
Za´znamove´ me´dium
Sˇ´ırˇka stopy
ˇ nı´ MR senzor za´Indukc pisovy´ prvek Obra´zek 3.2: Sloucˇena´ MR hlava
pole vyvolane´ho pru˚chodem me´dia docha´zı´ ke zmeˇna´m vodivosti. Bylo zjisˇteˇno, zˇe je-li oddeˇlovacı´ vrstva dostatecˇneˇ tenka´, majı´ cˇa´stice ve volne´ vrstveˇ tendenci natocˇit se podle orientace cˇa´stic ve vrstveˇ pevne´ (kobaltove´). Odpor takove´ hlavy je pak velmi nı´zky´. Pokud se ale cˇa´stice ve volne´ vrstveˇ otocˇ´ı opacˇny´m smeˇrem, prˇi pru˚chodu nad povrchem disku, odpor hlavy se velmi vy´razneˇ zvy´sˇ´ı. GMR je jev podobny´ MR, ale prˇ´ıvlastek „obrˇ´ı“ nema´ na´hodou. Zatı´mco MR je „skromny´“, nebot’ zmeˇna signa´lu mezi ulozˇenou “1” a “0” cˇinı´ 1 - 3%, GMR vykazuje odchylku azˇ 15%, cozˇ je postacˇujı´cı´ pro ukla´da´nı´ dat. Zminˇovany´ jev GMR bude jesˇteˇ neˇjakou dobu plneˇ postacˇovat pro ukla´da´nı´ dat v dostatecˇne´ hustoteˇ, nicme´neˇ uzˇ nynı´ se v praxi experimentuje s potencia´lneˇ jesˇteˇ le´pe vyuzˇitelny´m a zajı´maveˇjsˇ´ım tunelovy´m jevem (MTJ - Magnetic Tunnel Junctions, resp. TMR - Tunneling Magnetoresistance). • Magnetic Tunnel Junctions - MTJ - tunelovy´ jev byl objeven pocˇa´tkem devadesa´ty´ch let. Od GMR se lisˇ´ı jen pomeˇrneˇ ma´lo. V popisu GMR stacˇ´ı zameˇnit jen tenkou vodivou vrstvu za dielektrikum. Podle „obecny´ch za´konu˚“ by tedy prˇes tuto vrstvu nemeˇl procha´zet zˇa´dny´ proud, ale dı´ky kvantove´ fyzice se elektrony mohou „protunelovat“ skrz tuto barie´ru, je-li dostatecˇneˇ tenka´, a vytvorˇit tak proud, zvany´ podle jevu tunelovy´. Tento proud reaguje na zmeˇny magneticke´ho pole jesˇteˇ mnohem citliveˇji nezˇ proud u GMR - odchylky mohou cˇinit azˇ 50% oproti 15% u GMR. Pohony hlav Mechanismus pohonu hlav pohybuje hlavami naprˇ´ıcˇ diskem a nastavuje je do spra´vne´ polohy nad pozˇadovany´m cylindrem. Pouzˇ´ıvajı´ se dva za´kladnı´ typy pohonu˚. • Pohon krokovacı´m motorkem - pouzˇ´ıva´ se u starsˇ´ıch disku˚. Krokovacı´ motor prˇijı´ma´ elektricke´ impulsy. Prˇi prˇ´ıchodu impulsu se krokovy´ motor pootocˇ´ı jen o zlomek cele´ ota´cˇky, o prˇ´ıru˚stek zvany´ krok. Na jednu ota´cˇku mohou prˇipadat stovky kroku˚, cozˇ umozˇnˇuje jemne´ nastavenı´ prˇi posunu diskovy´ch hlav o pouhy´ch neˇkolik tisı´cin palce na jeden cylindr. Princip spocˇ´ıva´ v tenke´m pruzˇne´m kovove´m pa´sku, ktery´ je namota´n na hrˇ´ıdeli motoru. Kdyzˇ se motor ota´cˇ´ı, 14
3.3. PEVNY´ DISK pa´sek se namota´va´ nebo odmota´va´. Pa´sek je prˇipevneˇn k hlava´m, s ktery´mi pohybuje. Jeden impuls z rˇadicˇe vede k otocˇenı´ motoru o jeden krok, cozˇ vede k posunutı´ hlav o jeden cylindr. Tento syste´m ma´ nevy´hodu v kovovy´ch pa´scı´ch, ktere´ se mohou nata´hnout a vystavenı´ uzˇ nenı´ prˇesne´. Navı´c je krokovy´ motorek mechanicky´ a jeho cˇa´sti se opotrˇebova´vajı´. • Elektromagneticky´ pohon - elektromagneticky´ pohon pracuje pouze s vyuzˇitı´m elektromagneticky´ch sil. V pevne´m disku je cı´vka spojena s koncem za´veˇsu hlav a je umı´steˇna poblı´zˇ pevne´ho magnetu. Mezi magnetem a cı´vkou nenı´ zˇa´dny´ kontakt. Prˇi pru˚chodu proudu cı´vkou je pak cı´vka k magnetu prˇitahova´na nebo naopak od magnetu odpuzova´na. Vy´sledkem je pohyb za´veˇsu hlav. Elektromagneticky´ pohon nema´ zˇa´dne´ zara´zˇky. Aby bylo mozˇne´ prˇesne´ nastavenı´ hlav nad stopu, jsou pro zastavova´nı´ hlav nad jednotlivy´mi stopami vyuzˇ´ıva´ny informace ze specia´lnı´ho nava´deˇcı´ho syte´mu, zvane´ho servo. Servo mechanismus je schopen pohonu hlav prˇedat informaci o jejich poloze vzhledem k cylindru˚m a je schopen hlavy umı´stit prˇesneˇ nad pozˇadovany´ cylindr. Vsˇechny servomechanismy vyuzˇ´ıvajı´ pro nava´deˇnı´ za´veˇsu hlav informace ulozˇene´ na disku beˇhem jeho vy´roby. Informace ma´ podobu specia´lnı´ho ko´du, tzv. sˇedy´ ko´d (grey code). Ma´ podobu bina´rnı´ informace, ve ktere´ se dveˇ na´sledujı´cı´ cˇ´ısla odlisˇujı´ pouze jednı´m bitem. Hlavnı´m rozdı´lem mezi servomechanismy je pak to, kde a jak je na pevne´m disku tento ko´d zapsa´n. Pouzˇ´ıva´me trˇi druhy servomechanismu˚: - Vy´secˇove´ servo - pouzˇ´ıvalo se u starsˇ´ıch disku˚. Nava´deˇcı´ informace je ulozˇena ve vy´secˇi disku, ktera´ prˇedcha´zı´ indexove´ znacˇce. Indexova´ znacˇka informace oznacˇujı´cı´ zacˇa´tek stopy. Nevy´hodou je vy´skyt servoinformace pouze jednou za ota´cˇku disku. - Rozsˇ´ırˇene´ vy´secˇove´ servo - pouzˇ´ıva´ veˇtsˇina dnesˇnı´ch disku˚. Servoinformace je zı´ska´va´na neˇkolikra´t za otocˇku disku, jsou totizˇ ukla´da´ny prˇed zacˇa´tek kazˇde´ho sektoru. Dı´ky tomu je polohova´nı´ hlav rychlejsˇ´ı a prˇesneˇjsˇ´ı. - Vyhrazene´ servo - servoinformace jsou ulozˇeny pru˚beˇzˇneˇ pode´l cele´ stopy z jedne´ strany disku. Druha´ strana je urcˇena pro uzˇivatelska´ data. Zˇa´dna´ dalsˇ´ı strana na disku jake´koliv plotny uzˇ neobsahuje servoinformace, vy´sledkem je tedy zhruba stejna´ ztra´ta kapacity jako u rozsˇ´ırˇene´ho vy´secˇove´ho serva. Typ pouzˇite´ho pohonu hlav ma´ vliv na vy´kon disku a jeho spolehlivost. Nejedna´ se pouze o vliv na rychlost, ale i vliv na prˇesnost, odolnost vu˚cˇi zmeˇna´m teplot, vibracˇnı´ odolnost a celkovou spolehlivost. Hlavy s krokovacı´m motorem se dnes pouzˇ´ıvajı´ pouze v disketovy´ch mechanika´ch, nebot’ hustota stop u diskety je mnohona´sobneˇ mensˇ´ı nezˇ hustota stop u pevne´ho disku. Navı´c je rˇ´ıdı´cı´ syste´m vystavova´nı´ hlav pomocı´ elektromagneticky´ch pohonu˚ samoopravny´ (hlava sta´le sleduje u´daje na disku, aby prˇesneˇ zjistila, kde ma´ zastavit), u krokovacı´ch motoru˚ ne. Pohon disku Pohon disku je tvorˇen motorem, ktery´ je prˇipojen k hrˇ´ıdeli, ota´cˇejı´cı´ plotnami disku. Na motory je kladen velky´ du˚raz, aby byly tiche´ a bez vibracı´. Zvuky nebo vibrace se mohou prˇena´sˇet do ploten disku a mohou narusˇit cˇtenı´ dat nebo jejich za´pis. Motory majı´ velmi prˇesne´ rˇ´ızenı´ rychlosti. Plotny se ota´cˇejı´ rychlostı´ od 5400 do 15000ot/min. Pohony disku˚ obvykle pouzˇ´ıvajı´ klasicka´ kulicˇkova´ lozˇiska. Lepsˇ´ım rˇesˇenı´m jsou tzv. kapalinova´ lozˇiska, u ktery´ch je dosazˇeno utlumenı´ vsˇech vibracı´. U kapalinove´ho lozˇiska se mezi hrˇ´ıdelı´ a jeho pouzdrem nacha´zı´ vysoce viskoznı´ mazacı´ tekutina. Prˇ´ıcˇny´ pohyb takove´ho lozˇiska je 10kra´t mensˇ´ı, nezˇ u lozˇisek kulicˇkovy´ch.
15
3.3. PEVNY´ DISK ˇ ´ıdicı´ desky R Pevny´ disk ma´ obvykle jednu rˇ´ıdı´cı´ desku, ktera´ je prˇ´ımo namontova´na na disku. Obsahuje elektroniku, rˇ´ıdı´cı´ polohova´nı´ hlav, pohon disku, pohon hlav a prˇeda´vajı´cı´ data do rˇadicˇe disku v prˇedem definovane´ podobeˇ. U IDE disku˚ je na rˇ´ıdı´cı´ desce integrova´n i rˇadicˇ, zatı´mco u SCSI disku˚ je na desce ˇradicˇ a adapte´r sbeˇrnice SCSI.
3.3.2 Geometrie disku Pod pojmem geometrie disku se skry´va´ usporˇa´da´nı´ prostoru na disku, konkre´tneˇ pocˇet hlav, cylindru˚ a stop. Data jsou na disk ukla´da´na v bajtech. Bajty jsou usporˇa´da´ny do skupin po 512, nebo-li sektoru˚. Sektor je nejmensˇ´ı jednotka dat, kterou lze na disk zapsat nebo z disku prˇecˇ´ıst. Sektory jsou seskupeny do stop. Stopy jsou usporˇa´da´ny do skupin zvany´ch cylindry nebo va´lce. Prˇedpokladem je, zˇe disk ma´ nejme´neˇ dva povrchy. Syste´m adresuje sektory na pevne´m disku pomocı´ prostorove´ matice cylindru˚, hlav a sektoru˚. Data zapisova´na po jednotlivy´ch cylindrech Cylindr Stopa na jedne´ plotneˇ
Plotny
Obra´zek 3.3: Cylindry
Stopy Kazˇda´ strana kazˇde´ plotny je rozdeˇlena na soustrˇedne´ stopy (kruzˇnice). Jejich pocˇet na pevne´m disku neusta´le naru˚sta´ (vı´ce nezˇ 16 000 stop). Protozˇe povrchu˚ i hlav je neˇkolik, je prˇi jedne´ poloze hlav prˇ´ıstupna´ na kazˇde´m povrchu jedna stopa, stacˇ´ı elektronicky prˇepı´nat hlavy. Cylindry Pevne´ disky majı´ veˇtsˇinou vı´ce ploten (disku˚), umı´steˇny´ch nad sebou, ota´cˇejı´cı´ch se stejnou rychlostı´. Kazˇda´ plotna ma´ dveˇ strany (povrchy), na ktere´ je mozˇno ukla´dat data. Diskove´ hlavy, vzhledem 16
3.3. PEVNY´ DISK k tomu, zˇe jsou pohybova´ny spolecˇny´m mechanismem, nemohou by´t vystavova´ny neza´visle. Souhrn stop v jedne´ poloze hlav se nazy´va´ cylindr (va´lec). (obr.3.3) Pocˇet stop na jednom povrchu je samozrˇejmeˇ totozˇny´ s pocˇtem cylindru˚. Z tohoto du˚vodu veˇtsˇina vy´robcu˚ neuva´dı´ pocˇet stop, ale pocˇet cylindru˚. Sektory Z hlediska efektivnı´ spra´vy ma´ jedna stopa prˇ´ılisˇ velkou jednotku pro ukla´da´nı´ dat. Lze do nı´ ulozˇit azˇ 100kB cˇi vı´ce bytu˚ dat. Z tohoto du˚vodu se stopa rozdeˇluje na neˇkolik ocˇ´ıslovany´ch cˇa´stı´, ktere´ nazy´va´me sektory. Mu˚zˇeme si sektory prˇedstavit jako vy´secˇe na plotneˇ (obr.3.4). U pevny´ch disku˚ mu˚zˇe by´t pocˇet sektoru˚ 900 i vı´ce. Sektor je nejmensˇ´ı adresovatelna´ jednotka na disku. Jejı´ velikost urcˇ´ı rˇadicˇ prˇi forma´tova´nı´ disku. Sektory vytvorˇene´ standardnı´m forma´tova´nı´m majı´ velikost 512B. Sektory, na rozdı´l od hlav nebo cylindru˚, cˇ´ıslujeme od jednicˇky. Stopa 0, Sektor 1
Stopa 1, Sektor 1
Stopa 0, Sektor 8
Obra´zek 3.4: Stopy a sektory
Na zacˇa´tku sektoru v u´vodnı´ cˇa´sti je hlavicˇka, identifikujı´cı´ zacˇa´tek sektoru a obsahujı´cı´ jeho cˇ´ıslo. Konec sektoru je tvorˇen tzv. zakoncˇenı´m sektoru, vyuzˇ´ıvane´ pro ukla´da´nı´ kontrolnı´ho soucˇtu. Kontrolnı´ soucˇet slouzˇ´ıcı´ ke kontrole integrity ulozˇeny´ch dat. Prˇi forma´tova´nı´ se vytva´rˇ´ı prˇed a za kazˇdy´m sektorem specia´lnı´ identifikacˇnı´ oblast, kterou pouzˇ´ıva´ rˇadicˇ pro cˇ´ıslova´nı´ sektoru˚ a pro urcˇenı´ zacˇa´tku a konce kazˇde´ho sektoru. Jednotlive´ sektory se oddeˇlujı´ mezisektorovy´mi mezerami, do ktery´ch nenı´ mozˇne´ ulozˇit data. Proces cˇtenı´ sektoru se skla´da´ ze dvou kroku˚. Nejprve se cˇtecı´ a za´pisova´ hlava musı´ prˇemı´stit nad pozˇadovanou stopu. Potom se cˇeka´, azˇ se disk natocˇ´ı tak, zˇe pozˇadovany´ sektor je pod hlavou, a pak probı´ha´ cˇtenı´. Prˇemı´steˇnı´ hlavy obvykle zabere nejvı´ce cˇasu. Nejrychleji se tedy cˇtou soubory, jejichzˇ sektory jsou vsˇechny na stejne´ stopeˇ a stopy jsou umı´steˇny nad sebou, tedy v jednom cylindru.
3.3.3 Charakteristiky pevny´ch disku˚ Rychlost diskove´ jednotky Rychlost diskove´ jednotky se meˇrˇ´ı podle toho, jak rychle vyhleda´ urcˇita´ data a jak rychle tato data prˇecˇte z disku. Prvnı´m parametrem je tedy pru˚meˇrna´ doba prˇ´ıstupu, ktera´ je soucˇtem pru˚meˇrne´ doby vystavenı´ a latence (rotacˇnı´ doby cˇeka´nı´), druha´ je rychlost prˇenosu dat.
17
3.3. PEVNY´ DISK • Pru˚meˇrna´ doba vystavenı´ - pru˚meˇrna´ doba vystavenı´ se uda´va´ v milisekunda´ch. Jde o pru˚meˇrnou dobu, kterou disk potrˇebuje k prˇesunu hlav z jednoho cylindru na druhy´, na´hodneˇ vybrany´, cylindr. • Latence - latence je pru˚meˇrna´ doba v milisekunda´ch, ktera´ je nutna´ k tomu, aby se hlavy dostaly nad pozˇadovany´ sektor pote´, kdy se nastavily nad spra´vnou stopu. Obvykle je tato doba rovna´ polovineˇ cˇasu, potrˇebne´ k jedne´ ota´cˇce disku (naprˇ. 8,33ms prˇi ota´cˇka´ch 3600ot/min.) Pevny´ disk, ota´cˇejı´cı´ se dvojna´sobnou rychlostı´, bude mı´t polovicˇnı´ latenci. • Pru˚meˇrna´ doba prˇ´ıstupu - pru˚meˇrna´ doba prˇ´ıstupu uda´va´ pru˚meˇrnou dobu, kterou disk potrˇebuje k tomu, aby se hlava dostala nad pozˇadovany´ sektor a disk tak mohl zacˇ´ıt nacˇ´ıtat data, ktera´ jsou v neˇm ulozˇena´. Pru˚meˇrna´ doba prˇ´ıstupu = Pru˚meˇrna´ doba vystavenı´ + Latence • Prˇenosova´ rychlost - prˇenosova´ rychlost je rychlost, s jakou je pevny´ disk s ˇradicˇem schopen prˇeda´vat data do syste´mu. Prima´rneˇ za´visı´ tento ukazatel na sestaveˇ hlav disku˚ a sekunda´rneˇ na rˇadicˇi. Pro vy´pocˇet skutecˇne´ prˇenosove´ rychlosti je nutne´ zna´t dva za´kladnı´ ukazatele: - Skutecˇnou prˇenosovou rychlost - Pru˚meˇrny´ pocˇet sektoru˚ na stopu Maxima´lnı´ prˇenosovou rychlost (MB/s) pak dostaneme jako: pocˇet sektoru˚ ve stopeˇ ∗ 512B ∗ ota´cˇky za minutu / 60 sekund/1MB
Prokla´da´nı´ Kvu˚li vysoke´ rychlosti pevny´ch disku˚ (vysoky´m ota´cˇka´m), se postupem cˇasu zmeˇnilo cˇ´ıslova´nı´ jednotlivy´ch sektoru˚. Data se totizˇ z pevne´ho disku nestı´hala cˇ´ıst. a proto se mezi sektory vlozˇily „mezery“. Tato technika se nazy´va´ prokla´da´nı´ sektoru˚ (obr.3.5). Hodnota prokla´da´nı´ uda´vala, jak jsou sektory na disku rozmı´steˇny. Naprˇ´ıklad prokla´da´nı´ 1:2 znamena´, zˇe se prˇecˇte jeden sektor a jako dalsˇ´ı se cˇte azˇ druhy´ v porˇadı´ za prˇedchozı´m prˇecˇteny´m sektorem, atd. U prokla´da´nı´ 1:1 jdou sektory na stopeˇ postupneˇ za sebou. Dnesˇnı´ modernı´ pevne´ disky s integrovany´mi rˇadicˇi jsou schopny prˇena´sˇet data bez pomoci prokla´da´nı´ sektoru˚ (tedy prokla´da´nı´ 1:1), bez jake´hokoliv snı´zˇenı´ prˇenosove´ rychlosti. Stejneˇ tak fungujı´ i diskety. Velikost disku Velikost disku charakterizujı´ trˇi u´daje: • Neforma´tovana´ kapacita - neforma´tovana´ kapacita je dana´ hustotou za´znamu na pouzˇite´m me´diu. Nenı´ zde zohlednˇova´n fakt, zˇe prˇi nı´zkou´rovnˇove´m forma´tova´nı´ vznikajı´ mezi sektory desı´tky bajtu˚ velke´ mezery, zˇe cˇa´st kapacity odcˇerpa´va´ struktura disku, zˇe se na povrchu vyskytne obcˇas vadne´ mı´sto apod. Vycha´zı´ mnohem veˇtsˇ´ı nezˇ pouzˇitelna´ kapacita. 18
3.3. PEVNY´ DISK
Prokla´da´nı´ 1:1
Prokla´da´nı´ 1:2
1
17
1
15
16
12
2
15
4
9
3
7
14
4
6
10
13
5
3
13
12
17
6 11
7 10
9
16 14
2 11
8
8
5
Obra´zek 3.5: Prokla´da´nı´
• Katalogova´ kapacita - kapacita vycha´zı´ z teoreticke´ho pocˇtu sektoru˚ na disku, od ktere´ho se odecˇ´ıta´ prˇimeˇrˇena´ cˇa´st pro diskove´ struktury a statisticky zjisˇteˇne´ procento vadny´ch souboru˚. • Skutecˇna´ kapacita - je o neˇco veˇtsˇ´ı nezˇ katalogova´ kapacita. Ko´dova´nı´ Prˇi ukla´da´nı´ dat na pevny´ disk vytva´rˇejı´ hlavy magneticke´ pole, ktere´ magnetizuje povrch disku. Nejjednodusˇsˇ´ım prˇ´ıstupem by bylo ko´dovat logickou 1 jako puls a logickou 0 jako stav bez pulsu. Tato metoda ma´ vsˇak jednu vadu. Pokud by po sobeˇ na´sledovalo neˇkolik po sobeˇ jdoucı´ch stejny´ch bitovy´ch hodnot, naprˇ´ıklad 01000001, stojı´ rˇadicˇ pevne´ho disku prˇed proble´mem, jak prˇi cˇtenı´ jednotlive´ bity od sebe rozeznat. Z tohoto du˚vodu se pouzˇ´ıvajı´ ko´dovacı´ sche´mata, ktera´ zajistı´, zˇe na vstupu rˇadicˇe nebude prˇ´ılisˇ dlouho stav bez pulsu. • Ko´dova´nı´ FM - FM ko´dova´nı´ (frekvencˇnı´ modulace) se jizˇ nepouzˇ´ıva´. Je samosynchronizovatelne´ . Synchronizaci zajisˇt’ujı´ cˇasovacı´ bity na zacˇa´tku kazˇde´ho bitove´ho intervalu. Tato metoda ko´duje logickou 1 jako dva pulsy a logickou 0 jako puls, za ktery´m nena´sleduje puls (obr.3.6). Efektivita ko´du se posuzuje podle pocˇtu pulsu˚. Jestlizˇe je me´neˇ pulsu˚, tı´m je efektivneˇjsˇ´ı. Mezi nevy´hody patrˇ´ı vysoka´ redundance. Pro za´znam jednoho bitu potrˇebujeme pru˚meˇrneˇ 1,5 reverzacı´. • Ko´dova´nı´ MFM - modifikacı´ FM vzniklo ko´dova´nı´ MFM (modifikovana´ frekvencˇnı´ modulace). Vycha´zı´ z FM ko´dova´nı´, ale neˇktere´ reverzace jsou jesˇteˇ vypusˇteˇny (obr.3.6). Jsou to vsˇechny synchronizacˇnı´, ktere´ nejsou mezi dveˇma nulami. Pouzˇitı´ ko´du MFM mu˚zˇe vypadat na´sledovneˇ: - 1 je vzˇdy mı´sto bez pulsu na´sledovane´ pulsem - 0, prˇedcha´zı´-li ji dalsˇ´ı 0, je puls a pak mı´sto bez pulsu - 0, prˇedcha´zı´-li ji 1, jsou dveˇ mı´sta bez pulsu˚
• Ko´dova´nı´ M2 FM - dalsˇ´ı modifikace ko´dova´nı´ FM se uzˇ nepouzˇ´ıva´. Vypousˇtı´ se prˇi nı´ navı´c i synchronizacˇnı´ reverzace u poslednı´ z rˇady nul, ktera´ prˇedcha´zı´ prˇed prvnı´ jednicˇkou. Snı´zˇenı´ pocˇtu nadbytecˇny´ch reverzacı´ nevyva´zˇilo slozˇitost rˇadicˇe. 19
3.3. PEVNY´ DISK 1
0
1
1
0
0
1
Zaznamena´vana´ data
FM
MFM
Obra´zek 3.6: Ko´dova´nı´
• Ko´dova´nı´ RLL - neju´sporneˇjsˇ´ı jsou tzv. RLL ko´dy (Run-lenght limited-codes). Nejsou samosynchronizujı´cı´, ale pocˇet bitovy´ch intervalu˚ se zapsany´mi nulami (intervaly bez reverzacı´) je u nich shora i zdola omezen. To plyne uzˇ z jejich na´zvu. Tato vlastnost se navı´c v oznacˇenı´ ko´du neˇkdy explicitneˇ vyznacˇuje. V za´vorce za zkratkou RLL se obvykle uva´dı´ dvojice cˇ´ısel. Naprˇ´ıklad u ko´du RLL(2,7) lezˇ´ı mezi dveˇma jednicˇkami minima´lneˇ dveˇ a maxima´lneˇ sedm nul. Tento ko´d vy´razneˇ zvysˇuje celkovou kapacitu disku a soucˇasneˇ zkracuje dobu pro cˇtenı´ a zaznamena´va´nı´. Vzor 00 01 100 101 111
Ko´dova´nı´ RLL PNNN NPNN NNPNNN PNNPNN NNNPNN
Pocˇet pulsu˚ 1 1 1 2 1
Ko´dova´nı´ MFM PNPN PNNP NPNNPN NPNNNP NPNPNP
Pocˇet pulsu˚ 2 2 2 2 3
Tabulka 3.1: Ko´dova´nı´ RLL v porovna´nı´ s MFM
Prˇi porovna´nı´ ko´dova´nı´ MFM a RLL(2,7) (tab.3.1), potrˇebuje ko´d RLL prˇiblizˇneˇ trˇetinu kapacity. Navı´c RLL prˇipousˇtı´ vysˇsˇ´ı pocˇet sektoru˚ na stopu. Toto ko´dova´nı´ bylo pouzˇ´ıva´no u starsˇ´ıch pevny´ch disku˚. Modernı´ pevne´ disky pouzˇ´ıvajı´ veˇtsˇinou neˇjakou modifikaci 2,7 RLL ko´dova´nı´, oznacˇovanou naprˇ. ARLL, ERLL, EPRML apod., ktera´ poskytuje jesˇteˇ veˇtsˇ´ı u´sporu.
3.3.4 Rozhranı´ Aby pevny´ disk mohl komunikovat s rˇadicˇem - host adapter (deska elektronicky´ch obvodu˚, ktera´ tvorˇ´ı mezicˇlen mezi diskovou jednotkou a za´kladnı´ deskou), musı´ se dohodnout na „jazyku“, ktery´m budou mezi sebou hovorˇit. Tento „jazyk“ se nazy´va´ rozhranı´ (interface). • ST506 - prvnı´ rozhranı´, ktere´ vyvinula firma Shugart Technologies bylo ST 506/412, cˇasteˇji nazy´vane´ ST506. Propojenı´ (mezi diskem a rˇadicˇem) tohoto rozhranı´ bylo zajisˇt’ova´no 20-ti 20
3.3. PEVNY´ DISK vodicˇovy´m kabelem pro data a 34vodicˇovy´m kabelem pro rˇ´ıdı´cı´ signa´ly. Toto rozhranı´ bylo velice pomale´, hloupe´ (znalo jen za´kladnı´ povely) a citlive´ na sˇum. • ESDI - zacˇa´tkem 80.let vzniklo rozhranı´, ktere´ odstranˇovalo neˇktere´ nedostatky ST506. Novy´ standard byl nazva´n ESDI (Enhanced Small Device Interface - rozsˇ´ırˇene´ rozhranı´ maly´ch zarˇ´ızenı´). Toto rozhranı´ bylo daleko rychlejsˇ´ı nezˇ ST506. Diskova´ jednotka ESDI mohla sve´mu rˇadicˇi posı´lat informace o sve´ geometrii tj. pocˇet hlav, cylindru˚ a sektoru˚ a nemusela se da´le slozˇiteˇ konfigurovat, jak tomu bylo v prˇ´ıpadeˇ ST506. Rozhranı´ ESDI se vsˇak nestalo prˇ´ılisˇ popula´rnı´ a bylo pomalu vytlacˇeno rozhranı´mi SCSI a IDE. • SCSI - zhruba ve stejne´ dobeˇ, kdy bylo vyvı´jeno rozhranı´ ESDI, si vy´robci pocˇ´ıtacˇu˚ uveˇdomili, zˇe je trˇeba vymyslet neˇco, co se podoba´ rozhranı´ pevny´ch disku˚, ale co umı´ obslouzˇit nejen pevne´ disky, ale i zarˇ´ızenı´ jako jednotky CD ROM, scannery, kazetopa´skove´ jednotky, tiska´rny. Tak vzniklo rozhranı´ SCSI (Small Computer Systems Interface - rozhranı´ maly´ch pocˇ´ıtacˇovy´ch syste´mu˚). Jeho nejveˇtsˇ´ı prˇednostı´ je, zˇe umozˇnˇuje prˇipojit azˇ sedm zarˇ´ızenı´ na jeden kana´l. Rozhranı´ SCSI je vy´konneˇjsˇ´ı a spolehliveˇjsˇ´ı nezˇ ostatnı´ zna´ma´ rozhranı´ a v soucˇasne´ dobeˇ existuje v mnoha varianta´ch (SCSI, SCSI2, SCSI3, FAST WIDE, ULTRA WIDE,...) (tab.3.2). Vzhledem k vysoky´m cena´m SCSI disku˚, rˇadicˇu˚ a dalsˇ´ıch periferiı´ a take´ kvu˚li poneˇkud slozˇiteˇjsˇ´ı konfiguraci se setka´me s tı´mto rozhranı´m u vy´konny´ch pocˇ´ıtacˇu˚ (serveru˚), kde je vy´kon a spolehlivost SCSI rozhranı´ te´meˇrˇ nutnostı´. Rozhranı´ SCSI-1 SCSI-2 Fast Wide SCSI Ultra SCSI Wide Ultra SCSI Ultra2 SCSI Wide Ultra2 SCSI Ultra3 SCSI Wide Ultra3 SCSI Ultra4 SCSI Ultra5 SCSI
Rychlost (MHz) 5 5 10 20 20 40 40 403 403 803 1603
Prˇenosova´ rychlost (MB/s) 4 10 20 20 40 40 80 80 160 320 640
Max. pocˇet zarˇ´ızenı´ 8 8 16 8 16 8 16 8 16 16 16
Tabulka 3.2: Varianty rozhranı´ SCSI
• IDE - v roce 1986 firmu Compaq napadlo, zˇe cˇ´ım je kabel propojujı´cı´ pevny´ disk s rˇadicˇem delsˇ´ı, tı´m nizˇsˇ´ı je maxima´lnı´ rychlost prˇenosu dat a vysˇsˇ´ı hladina sˇumu. Jejich technici sˇli k firmeˇ Western Digital (v podstateˇ se jednalo o zaka´zku firmy Compaq) a spolecˇneˇ usoudili, zˇe s kratsˇ´ım kabelem mohou z levneˇjsˇ´ıch diskovy´ch jednotek dostat vysˇsˇ´ı vy´kon. Tak vzniklo nove´ rozhranı´ mezi diskovou jednotkou a rˇadicˇem (host adapte´rem) nazvane´ IDE - Integrated Drive Electronics. Pevny´ disk IDE je prˇipojen 40-ti vodicˇovy´m kabelem k desce adapte´ru IDE, ktera´ by´vala zastrcˇena do slotu sbeˇrnice. Toto rozhranı´ se velmi brzy stalo standardem kvu˚li sve´ dostupnosti (bylo levne´), jednoduchosti a dostacˇujı´cı´mu vy´konu. Rozhranı´ IDE se v te´ podobeˇ, v jake´ se dnes vyuzˇ´ıva´ oznacˇuje spra´vneˇ ATA angl. AT Attachment 21
3.3. PEVNY´ DISK a je standardizova´no organizacı´ ANSI. Pı´smena AT ve zkratce ATA jsou odvozena od pu˚vodnı´ho IBM AT, u ktere´ho byla poprve´ pouzˇita 16bitova´ sbeˇrnice ISA. To znamena´, zˇe zkratka ATA obecneˇ oznacˇuje jaky´koliv pevny´ disk, ktery´ se prˇipojuje prˇ´ımo k neˇjake´ verzi sbeˇrnice pocˇ´ıtacˇe AT neboli k 16bitove´ sbeˇrnici ISA. Nenı´ u´plneˇ pravda, zˇe dnesˇnı´ disky pracujı´ na sbeˇrnici PCI. protozˇe v takove´mto prˇ´ıpadeˇ je rozhranı´ ATA prˇipojeno k obvodu „Soouth Bridge“ cˇipove´ sady za´kladnı´ desky, prˇitom pracuje sta´le se signa´ly sbeˇrnice ISA, ovsˇem uzˇ na mnohem vysˇsˇ´ıch prˇenosovy´ch rychlostech. Standardy ATA: - ATA (1986 - 1994) - ATA-2 (1996; nebo take´ na´zev Fast-ATA, Fast-ATA-2 cˇi EIDE) - ATA-3 (1997) - ATA-4 (1998; nebo take´ na´zev Ultra-ATA/33) - ATA-5 (1999; nebo take´ na´zev Ultra-ATA/66) - ATA-6 (2000; nebo take´ na´zev Ultra-ATA/100) - ATA-7 (2002; nebo take´ na´zev Ultra-ATA/133) Vsˇechny varianty ATA jsou zpeˇtneˇ kompatibilnı´. • EIDE - postupem cˇasu zacˇalo by´t rozhranı´ IDE nedostacˇujı´cı´. Pevny´m disku˚m rostla sta´le vı´ce kapacita a rozhranı´ IDE umozˇnˇovalo prˇipojenı´ disku˚ s maxima´lnı´ kapacitou 528 MB. Dalsˇ´ı nevy´hodou byl pocˇet soucˇasneˇ prˇipojitelny´ch zarˇ´ızenı´ k tomuto rozhranı´. K rozhranı´ IDE bylo mozˇno prˇipojit pouze dveˇ diskova´ zarˇ´ızenı´. Uzˇivatele´ pocˇ´ıtacˇu˚ sice mohli pouzˇ´ıt rozhranı´ SCSI, ale to bylo prˇ´ılisˇ drahe´. Tyto nedostatky vyrˇesˇilo rozhranı´ nazvane´ EIDE - Enhanced IDE (rozsˇ´ırˇene´ IDE). Rozhranı´ EIDE definuje dva samostatne´ kana´ly IDE. Na kazˇdy´ kana´l prˇedstavujı´cı´ jeden plochy´ kabel, lze prˇipojit dveˇ jednotky. A to bud’pevny´ disk nebo i CD-ROM mechaniku. Podle pocˇtu zapojeny´ch jednotek rozlisˇujeme trˇi mozˇnosti identifikace kazˇde´ z nich. Pokud je na jednom kana´lu prˇipojena pouze jedna jednotka, je takova´to jednotka nastavena pomocı´ propojek (switch, jumper) jako Drive Only. V prˇ´ıpadeˇ prˇipojenı´ dvou jednotek na jednom kana´lu je prvnı´ z nich nastavena jako Master a druha´ jako Slave. Vzhledem k tomu, zˇe prˇedchu˚dcem tohoto rozhranı´ bylo rozhranı´ IDE, lze k tomuto rozhranı´ prˇipojit i ktery´koli starsˇ´ı disk IDE. • Serial ATA Poslednı´ rozhranı´ uvedene´ na trh, je rozhranı´ pojmenovane´ Serial-ATA. Jde o novy´ prˇ´ıstup k prˇenosu dat. Data jsou prˇena´sˇena nikoliv paralelneˇ, ale se´rioveˇ. Proto se tlusty´ datovy´ kabel da´ nahradit v podstateˇ „dveˇma dra´ty“. Vy´znamneˇ to take´ umozˇnı´ prodlouzˇit de´lku vodicˇu˚ k disku˚m, ta mu˚zˇe by´t azˇ prˇes jeden metr. Dalsˇ´ı vymozˇenostı´ tohoto rozhranı´ je mozˇnost prˇipojova´nı´ a odpojova´nı´ disku˚ za chodu. • Se´riove´ rozhranı´ Se´riove´ rozhranı´ s hveˇzdicovou topologiı´, prˇenosovou rychlostı´ 12 Mbit/s (verze 1.0) nebo 480 Mbit/s (verze 2.0). • Fibre Channel - FC FC je se´riove´ rozhrannı´ o rychlosti 2Gb/s s mozˇnostı´ prˇipojenı´ na vzda´lenost azˇ 10km. Podpora hot-plug a azˇ 127 diskovy´ch jednotek. Nemusı´ slouzˇit pouze pro prˇipojenı´ pevny´ch disku˚, ale mu˚zˇe podporovat dalsˇ´ı protokoly jako SCSI, ATM, Internet Protokol a dalsˇ´ı. • IEEE1394 (FireWire, i-Link) Se´riove´ rozhranı´ s prˇenosovou rychlostı´ 100, 200 nebo 400Mbit/s slouzˇ´ı k prˇipojova´nı´ externı´ch pevny´ch disku˚, digita´lnı´ch videokamer a dalsˇ´ıch zarˇ´ızenı´. 22
3.4. DISKETOVE´ MECHANIKY
3.4 Disketove´ mechaniky Provoz disketove´ mechaniky je pomeˇrneˇ jednoduchy´. Disketa se ota´cˇ´ı rychlostı´ 300ot/min. Nad ota´cˇejı´cı´m se povrchem diskety se pohybujı´ hlavy po maxima´lnı´ dra´ze 2,54cm. Hlavy se pohybujı´ smeˇrem dovnitrˇ, ke strˇedu diskety, nebo smeˇrem ven, k vneˇjsˇ´ımu obvodu diskety. Beˇhem tohoto pohybu mohou hlavy zapsat 80 stop. Stopy jsou zapisova´ny na obeˇ strany diskety. Z tohoto du˚vodu jsou stopy neˇkdy nazy´va´ny cylindry. Jeden cylindr se skla´da´ ze stop nacha´zejı´cı´ch se v dane´m okamzˇiku pod hlavami, a to na hornı´m i spodnı´m povrchu diskety. Za´znam dat je prova´deˇn metodou tunelove´ho maza´nı´. Metoda spocˇ´ıva´ v zapsa´nı´ urcˇite´ sˇ´ırˇky stopy s na´sledny´m smaza´nı´m okraje (te´ same´ stopy), z du˚vodu proble´mu interference se sousednı´mi stopami. Standardnı´ sˇ´ırˇka stopy je 115µm. Rozhranı´ pouzˇ´ıvane´ vsˇemi typy mechanik se nazy´va´ Shugart Associates SA-400, zalozˇene´ na cˇipu NEC 765 nebo cˇipech kompatibilnı´ch.
3.4.1 Cˇa´sti disketove´ mechaniky Vsˇechny typy disketovy´ch mechanik sesta´vajı´ ze spolecˇny´ch hlavnı´ch dı´lu. Jsou jimi hlavy pro cˇtenı´ a za´pis, pohon hlav a mechaniky, rˇ´ıdı´cı´ deska, rˇadicˇ a konektory. Hlavy pro cˇtenı´ a za´pis Disketova´ mechanika ma´ dveˇ hlavy pro cˇtenı´ a za´pis. Kazˇda´ je urcˇena pro jednu stranu diskety. Prvnı´ hlava je spodnı´, prˇicˇemzˇ hornı´ hlava nenı´ umı´steˇna prˇ´ımo nad spodnı´ hlavou, ale v za´vislosti na typu mechaniky je posunuta o 4 nebo 8 stop smeˇrem dovnitrˇ. Hlavy se nemohou pohybovat neza´visle, poneˇvadzˇ jsou umı´steˇny na spolecˇne´m rameni. Hlavy jsou vyrobeny z meˇkke´ zˇelezne´ slitiny, v te´ jsou zality elektromagneticke´ cı´vky. Kazˇda´ hlava je slozˇena ze trˇ´ı hlav, uprostrˇed se nacha´zı´ hlava pro cˇtenı´ a za´pis a na obou okrajı´ch pak hlavy pro maza´nı´ (obr.3.7). Sestava hlavy
Hlavy pro cˇtenı´ a za´pis
Smeˇr pohybu hlav nad stopami
Hlavy pro maza´nı´ Obra´zek 3.7: Sestava hlavy disketove´ mechaniky
Obeˇ hlavy jsou prˇikla´peˇny pomocı´ pruzˇin a vyvı´jejı´ mı´rny´ tlak na povrch diskety. Hlavy jsou prˇi cˇtenı´ a za´znamu v prˇ´ıme´m kontaktu s povrchem diskety. Vzhledem k pomaly´m ota´cˇka´m disketovy´ch mechanik, nezpu˚sobuje tento tlak zˇa´dne´ velke´ proble´my se trˇenı´m. Neˇktere´ noveˇjsˇ´ı typy disket jsou pokryty vrstvou teflonu pro snı´zˇenı´ trˇenı´.
23
3.4. DISKETOVE´ MECHANIKY Pohon hlav Pro pohyb hlav nad povrchem diskety se pouzˇ´ıvajı´ krokove´ motory, ktere´ se mohu ota´cˇet obeˇma smeˇry po krocı´ch. Motor je rˇ´ızen prˇ´ıkazy z rˇadicˇe mechaniky, a to vzˇdy vzhledem k soucˇasne´ pozici hlavy. Krokovacı´ motor je u mechanik o velikosti 3,5” se za´veˇsem hlav ve veˇtsˇineˇ prˇ´ıpadu˚ spojen sˇnekovy´m prˇevodem, ktery´ je prˇ´ımo poha´neˇny´ z hrˇ´ıdele krokovacı´ho motoru. Doba pohybu krokovacı´ho motoru z jedne´ polohy do druhe´ je kolem 200ms. Jedna polovina cyklu je 100ms a jedna trˇetina cyklu 66ms, tyto doby se pouzˇ´ıvajı´ pro vyja´drˇenı´ uda´vane´ pru˚meˇrne´ doby prˇ´ıstupu disketove´ mechaniky. Pru˚meˇrna´ doba prˇ´ıstupu je cˇas potrˇebny´ pro prˇesun hlav z jedne´ na´hodne´ stopy na druhou. Pohon mechaniky Pohon mechaniky ota´cˇ´ı disketou rychlostı´ 300ot/min. U vsˇech modernı´ch mechanik se pouzˇ´ıva´ syste´m prˇ´ıme´ho na´honu. Hrˇ´ıdel motoru a hrˇ´ıdel rozta´cˇejı´cı´ disketu jsou propojeny prˇ´ımo. Tento syste´m na´honu je spolehliveˇjsˇ´ı a prˇesneˇjsˇ´ı nezˇ u starsˇ´ıch prˇevodu˚, u ktery´ch byl pouzˇ´ıva´n rˇemı´nkovy´ prˇevod. ˇ ´ıdı´cı´ deska R Rˇ´ıdı´cı´ deska je deska s elektricky´mi obvody, slouzˇ´ıcı´mi k rˇ´ızenı´ pohonu hlav, hlav pro cˇtenı´ a za´pis, pohonu mechaniky, senzoru˚ diskety a vsˇech soucˇa´stı´ mechaniky. Rˇ´ıdı´cı´ deska prˇedstavuje rozhranı´ mechaniky vu˚cˇi desce rˇadicˇe v syste´move´ jednotce. Disketova´ mechanika ma´ vzˇdy jednu nebo vı´ce teˇchto rˇ´ıdı´cı´ch desek. ˇ adicˇ R V dnesˇnı´ dobeˇ je rˇadicˇ disket soucˇa´stı´ za´kladnı´ desky pocˇ´ıtacˇe. Obvykle je to cˇip Super I/O, ktery´ navı´c obsahuje rozhranı´ pro se´riove´ a paralelnı´ porty apod. Rˇadicˇ se chova´ jako kdyby byl samostatnou rozsˇirˇujı´cı´ kartou, nainstalovanou do slotu sbeˇrnice ISA. U rˇadicˇu˚ disketovy´ch mechanik se v poslednı´ch letech zmeˇnila jen maxima´lnı´ prˇenosova´ rychlost, ktera´ je v dnesˇnı´ dobeˇ 1Mb/s. Starsˇ´ı typy rˇadicˇu˚ podporujı´ pouze prˇenosovou rychlost 500Kb/s. Konektory Disketove´ jednotky majı´ dva konektory, napa´jecı´ konektor a konektor, ktery´ prˇena´sˇ´ı data a rˇ´ıdı´cı´ signa´ly z mechaniky a do mechaniky. Konektory jsou v pocˇ´ıtacˇove´m pru˚myslu standardizova´ny. Konektor pro napa´jenı´ ma´ cˇtyrˇi vy´vody v rˇadeˇ vedle sebe, nazy´vany´ Mate-N-Lock. Prova´dı´ se ve dvojı´ velikosti. Konektor se 34 vy´vody slouzˇ´ı pro prˇenos dat a rˇ´ıdı´cı´ch signa´lu˚.
3.4.2 Typy disketovy´ch mechanik Jednotlive´ typy disketovy´ch mechanik se lisˇ´ı jednak velikostı´ cˇteny´ch a zapisovany´ch disket uda´vany´ch v palcı´ch a velikostı´ disket. Nejstarsˇ´ı dnes jizˇ nepouzˇ´ıvana´ disketa je o velikosti 5,25”. Diskety meˇly 35 nebo 40 stop. Pocˇet sektoru˚ byl 9, 10 nebo 16. Kapacita teˇchto disket byla 180KB, 360KB, 720KB a 1,2MB. V dnesˇnı´ dobeˇ se setka´me uzˇ jen s 3,5” disketami. Pouzˇ´ıvajı´ se trˇi typy mechanik pracujı´cı´ s 3,5” disketami:
24
3.4. DISKETOVE´ MECHANIKY Mechanika 3,5” o kapaciteˇ 720KB (DD - double density) Tyto mechaniky byly poprve´ pouzˇity v roce 1986 jako soucˇa´sti laptopu˚ vyrobene´ firmou IBM. Mechanika obvykle zaznamena´va´ 80 cylindru˚ majı´cı´ch dveˇ stopy. V jedne´ stopeˇ je 9 sektoru˚, cozˇ vede k vy´sledne´ kapaciteˇ 720KB. Mechaniky se nejcˇasteˇji pouzˇ´ıvaly v pocˇ´ıtacˇ´ıch XT, z du˚vodu mozˇnosti fungova´nı´ mechaniky na jake´mkoliv rˇadicˇi pro dvojna´sobnou hustotu za´znamu. Mechanika se ota´cˇ´ı rychlostı´ 300ot/min., vyzˇaduje rychlost rˇadicˇe pouhy´ch 250KHz. Mechanika 3,5” o kapaciteˇ 1,44MB (HD - high density) Mechaniky se poprve´ objevily opeˇt v nabı´dce firmy IBM. Byly soucˇa´stı´ pocˇ´ıtacˇu˚ rˇady PS/2 v roce 1987. Mechanika zaznamena´va´ 80 cylindru˚ se dveˇma stopami, v kazˇde´ stopeˇ je 18 sektoru˚. Vy´sledkem je kapacita o velikosti 1,44MB. Mechaniky se ota´cˇejı´ rychlostı´ 300ot/min. Je to z toho du˚vodu, aby mechaniky byly schopne´ spolupracovat s jizˇ existujı´cı´mi typy rˇadicˇu˚ s vysokou a dvojna´sobnou hustotou za´znamu. Pozˇadovana´ rychlost rˇadicˇe je 500KHz. Mechanika 3,5 o kapaciteˇ 2,88MB (ED - extra high density) Nova´ mechanika byla vyvinuta firmou Toshiba Corporation v 80.letech a oficia´lneˇ byla uvedena na trh v roce 1987. Mechanika je schopna pracovat s disketami o kapaciteˇ 720KB a 1,44MB. Tyto mechaniky pouzˇ´ıvajı´ metodu vertika´lnı´ho nahra´va´nı´, dı´ky nizˇ dosahuje vysoke´ linea´rnı´ hustoty 36 sektoru˚ na stopu. Metoda zvysˇuje hustotu za´znamu zpu˚sobem, zˇe magneticke´ dome´ny jsou magnetizova´ny ve smeˇru kolme´m k povrchu. Prˇi nahra´va´nı´ jsou tedy jednotlive´ dome´ny „postaveny na sve´ konce“ a teˇsneˇ serˇazeny vedle sebe. Pro podporu teˇchto mechanik bylo nutne´ zmeˇnit rˇadicˇe disketovy´ch mechanik. Tyto mechaniky se ota´cˇejı´ rychlostı´ 300ot/min, ale majı´ 36 sektoru˚ na stopeˇ. Protozˇe vsˇechny diskety jsou forma´tova´ny tak, zˇe cˇ´ısla sektoru˚ na´sledujı´ za sebou (prokla´da´nı´ 1:1), vsˇech 36 sektoru˚ musı´ by´t prˇecˇteno za stejnou dobu, kterou potrˇebuje 1,44MB mechanika pro prˇecˇtenı´ 18 sektoru˚. Rˇadicˇe tedy musı´ podporovat vysˇsˇ´ı rychlost a to 1MHz (1 000 000 b/s). Disketove´ mechaniky nejsou o moc drazˇsˇ´ı nezˇ mechaniky pro diskety s kapacitou 1,44MB, ale jsou velmi drahe´ diskety. Me´dium je jine´ nezˇ u klasicke´ diskety. Je pokryto baryum-feritem, ktere´ lze magnetizacı´ velmi snadno orientovat tak, aby jejich magneticke´ osy byly kolme´ k povrchu me´dia a mohla se pouzˇ´ıt metoda vertika´lnı´ho nahra´va´nı´.
3.4.3 Konstrukce 3,5” disket Disketa je uzavrˇena v tuhe´m plastove´m obalu. Otvor pro prˇ´ıstup hlav k povrchu disket je chra´neˇn kovovou clonou. Ve strˇedu diskety se nacha´zı´ kovovy´ strˇedovy´ una´sˇecˇ s vystrˇed’ovacı´m otvorem. Mechanika uchopı´ kovovy´ una´sˇecˇ a dı´ky hranate´mu otvoru se mechanika nastavı´ do spra´vne´ polohy. V leve´ dolnı´ cˇa´sti diskety je otvor s plastickou posunovatelnou clonou, ktery´ zajisˇt’uje ochranu proti za´pisu. Je-li otvor zakryty´, je za´pis mozˇny´ a naopak. Na prave´m dolnı´m okraji, naproti otvoru, zajisˇt’ujı´cı´mu ochranu za´pisu, je otvor slouzˇ´ıcı´ pro vy´beˇr hustoty za´znamu na me´dium. Pokud je tento otvor prˇesneˇ naproti otvoru pro ochranu proti za´pisu, jedna´ se o 1,44MB disketu. Jestlizˇe je otvor posunut vy´sˇe ke kovove´ cloneˇ, je to 2,88MB disketa. Nenı´-li na prave´ straneˇ zˇa´dny´ otvor, jedna´ se o disketu s nı´zkou hustotou za´znamu. Veˇtsˇina mechanik je vybavena senzorem detekce me´dia pro rˇ´ızenı´ za´znamu na disketu podle existence cˇi neexistence teˇchto otvoru˚.
25
3.4. DISKETOVE´ MECHANIKY
3.4.4 Vy´meˇna diskety Standardnı´ rˇadicˇ a mechanika pouzˇ´ıvajı´ na datove´m vodicˇi specia´lnı´ signa´l. Rˇ´ıka´ se mu vy´meˇna diskety. ´ cˇelem tohoto signa´lu je urcˇit, zda disketa byla vymeˇneˇna nebo zda je v mechanice sta´le stejna´ disketa, U ze ktere´ byly data nacˇtena prˇi prˇedchozı´m prˇ´ıstupu k disketeˇ. Vy´meˇna diskety je pulsnı´m signa´lem, ktery´ meˇnı´ stavovy´ registr rˇadicˇe tak, aby se syste´m dozveˇdeˇl je-li disketa vlozˇena nebo vyjmuta. Pokud rˇadicˇ vysˇle pulsnı´ signa´l do mechaniky a mechanika odpovı´, je obsah registru vymaza´n. To znamena´, zˇe se hlavy pohnuly. V tomto okamzˇiku syste´m zjistı´, zˇe v mechanice je disketa. Pokud rˇadicˇ neobdrzˇ´ı odpoveˇd’ do doby dalsˇ´ıho odesla´nı´ signa´lu, syste´m prˇedpokla´da´, zˇe je v mechanice sta´le stejna´ disketa. Proto mu˚zˇe syste´m pouzˇ´ıt vsˇechny informace, ktere´ byly z diskety nacˇteny do pameˇti beˇhem prˇedchozı´ho prˇ´ıstupu, nemusı´ znovu nacˇ´ıtat obsah diskety.
3.4.5 Rozhranı´ disketovy´ch mechanik Klasicke´ internı´ rozhranı´ Rozhranı´ vyvinute´ Alanem Shugartem a jeho spolupracovnı´ky. Pouzˇ´ıva´ se u veˇtsˇiny disketovy´ch mechanik. Zacˇ´ınajı´ se objevovat pocˇ´ıtacˇe bez teˇchto rozhranı´. Pote´ je trˇeba pouzˇ´ıt k prˇipojenı´ externı´ mechaniku s rozhranı´m USB, paralelnı´m nebo FireWire.
26
3.5. PRˇENOSNA´ ME´DIA S VYSOKOU KAPACITOU
3.5 Prˇenosna´ me´dia s vysokou kapacitou Existujı´ dva druhy prˇenosny´ch magneticky´ch me´diı´ s vysokou kapacitou: diskova´ a pa´skova´ me´dia.
3.5.1 Diskova´ me´dia Cena jednoho megabytu je veˇtsˇineˇ prˇ´ıpadech vysˇsˇ´ı nezˇ u pa´skovy´ch me´diı´, jejich kapacita je nizˇsˇ´ı a naopak diskova´ me´dia umozˇnˇujı´ rychlejsˇ´ı prˇ´ıstup k jednotlivy´m souboru˚m. Prˇ´ıcˇinou je metoda na´hodne´ho prˇ´ıstupu k datu˚m, ktera´ se u diskovy´ch me´diı´ vyuzˇ´ıva´. Diskova´ me´dia jsou rychlejsˇ´ı prˇi kopı´rova´nı´ jednoho cˇi vı´ce souboru˚, jsou ale pomalejsˇ´ı prˇi kopı´rova´nı´ velky´ch objemu˚ dat, nebo cely´ch celku˚. Bernoulliho disky Tyto typy disku˚ jsou svou technologiı´ obdobne´ floppy disku˚m, s tı´m rozdı´lem, zˇe disk ma´ pevne´ hlavicˇky (ve smeˇru rovnobeˇzˇne´m s osou disku) a disk se v mı´stech po hlavicˇkou prohy´ba´ a tı´m vytva´ˇr´ı potrˇebnou vzda´lenost od hlavicˇky. Tyto disky vyra´bı´ firma Iomega a dosahujı´ kapacit 90,150 nebo 230MB prˇi velikosti 5,25”. • Mechaniky ZIP - tyto 3,5” mechaniky jsou pu˚vodnı´ verzı´ pruzˇne´ho disku Bernoulli. Mechaniky ZIP jsou urcˇeny pro me´dia o kapaciteˇ 100 cˇi 250MB, prˇicˇemzˇ tyto nelze pouzˇ´ıt v jiny´ch mechanika´ch. Existujı´ internı´ mechaniky s rozhranı´m IDE i SCSI a externı´ s rozhranı´m SCSI, paralelnı´m nebo USB. Jsou i specia´lnı´ verze s rozhranı´m PC Card, majı´cı´ snı´zˇenou vy´sˇku, ktere´ jsou prˇedevsˇ´ım urcˇeny pro prˇenosne´ pocˇ´ıtacˇe. Me´dia majı´ ve srovna´nı´ se standardnı´ 3,5” disketou prˇiblizˇneˇ dvojna´sobnou tlousˇt’ku. Magneticka´ vrstva poslednı´ch verzı´ me´diı´ Zip 250 obsahuje titanove´ cˇa´stice, ktere´ zvysˇujı´ sta´lost zapsany´ch dat. Flopticke´ mechaniky Technologie (s aktivnı´ vrstvou beryliumferrit) je opeˇt obdobou floppy diskove´ technologie, ale s laserovy´m nebo holograficky´m polohovacı´m servomechanismem. Tento umozˇnˇuje mnohem prˇesneˇjsˇ´ı nastavenı´ magneticke´ hlavy na magneticky´ povrch disku a tı´m zvy´sˇit kapacitu diskety 3,5” (na pohled nerozlisˇitelnou od klasicke´ diskety 3,5”) na 21MB. Zvy´sˇenı´ kapacity se dosahuje vy´razny´m zvy´sˇenı´m pocˇtu stop na jedne´ straneˇ me´dia. Dalsˇ´ı vy´hodou teˇchto disku˚ je, zˇe disketove´ jednotky mohou cˇ´ıst i klasicke´ 3,5” diskety. Prvnı´ flopticka´ zarˇ´ızenı´ byla vyvinuta pocˇa´tkem 90.let. Prvnı´ zarˇ´ızenı´ tohoto typu se na trhu moc neuchytila, z du˚vodu˚ vysoke´ ceny mechanik, me´diı´ a nı´zke´ podporˇe ze strany vy´robcu˚ syste´movy´ch BIOSu˚. Odstartovala ale vy´voj podobny´ch mechanik urcˇity´m smeˇrem. • LS-120 SuperDisk - v podstateˇ stejny´ zpu˚sob polohova´nı´ hlav jako u flopticky´ch disku˚ dnes pouzˇ´ıva´ zarˇ´ızenı´ LS-120 SuperDisk. Hlavnı´ vy´hodou je prˇ´ıma´ kompatibilita s 3,5” disketami. Prˇi vy´voji teˇchto mechanik bylo hlavnı´m cı´lem nahradit zastarale´ mechaniky pro 3,5” diskety. Urcˇite´ho u´speˇchu se dosa´hlo, ale v dnesˇnı´ dobeˇ se jizˇ mechaniky nedoda´vajı´, pouze me´dia. Mechanika umozˇnˇuje ulozˇit azˇ 120 MB dat na me´dium. Rychlost cˇtenı´ je 27kra´t a rychlost za´pisu 20kra´t vysˇsˇ´ı nezˇ u klasicke´ disketove´ mechaniky. Mechaniky se lisˇ´ı pouzˇity´m rozhranı´m, prˇicˇemzˇ platı´, zˇe jsou podporova´na prakticky vsˇechna beˇzˇna´ rozhranı´ (IDE, USB, PC Card a paralelnı´ port). 27
3.5. PRˇENOSNA´ ME´DIA S VYSOKOU KAPACITOU Mechaniky vycha´zejı´cı´ z technologie pevny´ch disku˚ Mezi zarˇ´ızenı´ vycha´zejı´cı´ prˇedevsˇ´ım z technologie pevny´ch disku˚ patrˇ´ı: • Mechaniky Jaz - prˇipojujı´ se pomocı´ rozhranı´ SCSI. Pouzˇ´ıvajı´ se u nich vy´meˇnne´ disky s kapacitou 1GB nebo 2GB. Disky se v mechanice ota´cˇejı´ rychlostı´ 5400 ota´cˇek za minutu. Prˇ´ıstupova´ doba te´to mechaniky je 10ms a prˇenosova´ rychlost u 1 GB disku je 5,4MB/s, u 2GB disku 7,35MB/s. Mechanika se doda´va´ v internı´ i externı´ verzi. Verze pro me´dia o kapaciteˇ 2GB je zpeˇtneˇ kompatibilnı´ s verzı´, urcˇenou pro me´dia o kapaciteˇ 1GB. • Mechaniky Castlewood Orb - tato mechanika pouzˇ´ıva´ hlavy, vyrobene´ stejnou magnetorezistivnı´ technologiı´, jaka´ se pouzˇ´ıva´ prˇi vy´robeˇ hlav pevny´ch disku˚. Dı´ky tomu dosahujı´ tyto mechaniky srovnatelny´ch vy´konu˚ s pevny´m diskem, prˇicˇemzˇ cena za 1GB je podstatneˇ nizˇsˇ´ı nezˇ v prˇ´ıpadeˇ mechaniky Jaz. Mechanika Orb je vyra´beˇna ve verzı´ch se vsˇemi standardnı´mi rozhranı´mi (ATA, internı´ a externı´ SCSI, paralelnı´ port, IEEE-1394 a USB). Kapacita teˇchto mechanik je 2,2GB a 5,7GB, prˇ´ıstupova´ doba 11ms a ota´cˇky me´dia 5400 ota´cˇek za minutu. Prˇenosova´ rychlost je od 2MB/s do 12,2MB/s v za´vislosti na pouzˇite´m rozhranı´. • Mechaniky Peerless - poprve´ byly prˇedstaveny v lednu roku 2001. Jsou urcˇeny prˇedevsˇ´ım pro prˇenosne´ pevne´ disky o kapacita´ch 10 a 20GB. Soucˇa´sti teˇchto disku˚ jsou hlavy pro cˇtenı´ a za´znam, ktere´ jsou umı´steˇne´ v uteˇsneˇne´m pouzdrˇe, vy´meˇnny´ modul rozhrannı´ a vesˇkera´ elektronika potrˇebna´ pro pra´ci s me´diem. Mechaniky jsou doda´va´ny s rozhranı´mi IEEE-1394 a USB1.1. • Mechaniky SyQuest - jsou to vy´meˇnna´ me´dia typu Winchester. Disky jsou ulozˇeny v pouzdrech (cartridge), ktere´ se cele´ zasouvajı´ do jednotky, roztocˇ´ı se a pak se vysunou hlavy. Vzhledem k tomu, zˇe disky nejsou vzduchoteˇsneˇ uzavrˇeny, musı´ by´t vzda´lenost plavajı´cı´ch hlav veˇtsˇ´ı, nezˇ u klasicky´ch disku˚. Proto i dosahovana´ hustota za´znamu je mensˇ´ı. (EZFlyer s kapacitou 135 a 230MB; SparQ s kapacitou 1GB; SyJet pro me´dia o kapaciteˇ 1,5GB, SyDOS pro me´dia o kapaciteˇ 44 nebo 88MB). Prˇitom platı´, zˇe vsˇechna me´dia o kapaciteˇ nizˇsˇ´ı nezˇ 1GB majı´ rozmeˇr 5,25” a jsou uzavrˇena do pru˚hledny´ch kazet. Me´dia s vysˇsˇ´ı kapacitou majı´ rozmeˇr 3,5” a jejich obal je vyroben z plastu cˇerne´ barvy. Celkova´ robustnost konstrukce i robustnı´ hlavy umozˇnˇujı´ prˇi du˚myslne´m syste´mu uzavı´ra´nı´ sˇteˇrbiny plava´nı´ hlav i prˇi na´hodne´ necˇistoteˇ. Mechaniky SparQ jsou s paralelnı´m rozhranı´m a rozhranı´m ATA. SyJet a EzFlyer navı´c s rozhranı´m SCSI. • Microdrive - tento prˇenosny´ pevny´ disk o velikosti 1” od firmy IBM je uzavrˇen do pouzdra CompactFlash+ typu II. Lze jej vyuzˇ´ıt jako prˇ´ımou na´hradu teˇchto typu˚ karet u vsˇech zarˇ´ızenı´, podporujı´cı´ch karty CompactFlash. Vyra´beˇjı´ se disky s kapacitou 170MB, 340MB 512MB a 1GB, a take´ s adapte´rem do slotu˚ PC Card.
3.5.2 Pa´skova´ me´dia Celkoveˇ je toto me´dium vhodneˇjsˇ´ı prˇi prˇ´ıstupu k mnoha souboru˚m soucˇasneˇ oproti diskovy´m me´diı´m. Prˇi prˇ´ıstupu k pa´skovy´m me´diı´m se totizˇ vyuzˇ´ıva´ sekvencˇnı´ prˇ´ıstup, cozˇ znamena´, zˇe cela´ pa´ska musı´ by´t cˇtena od zacˇa´tku a jednotlive´ soubory mohou by´t nacˇ´ıta´ny v tom porˇadı´, v jake´m jsou ulozˇeny na pa´sce. Obvykle take´ nelze jednotlive´ soubory na pa´sce meˇnit cˇi mazat. Je nutne´ nejprve celou pa´sku vymazat a pote´ ji prˇepsat zmeˇneˇny´m obsahem. Z teˇchto du˚vodu˚ jsou pa´skova´ me´dia vhodna´ zejme´na pro prova´deˇnı´ za´loh cely´ch disku˚ nebo syste´mu. Cenoveˇ jsou pa´sky dostupne´, ale provedeny´ 28
3.5. PRˇENOSNA´ ME´DIA S VYSOKOU KAPACITOU backup (za´lohova´nı´), vzhledem k nejhorsˇ´ım magneticky´m vlastnostem ze vsˇech magneticky´ch mediı´, je doporucˇen k uchova´va´nı´ maxima´lneˇ na dobu 5 let. Pa´skove´ kazety majı´ kapacitu azˇ 10GB prˇi toku dat 9MB/s. Nahra´va´nı´ se deˇje azˇ 36 stopou hlavou umozˇnˇujı´cı´ i cˇtenı´ obeˇma smeˇry. Na trhu existuje mnoho pa´skovy´ch mechanik, odpovı´dajı´cı´ch neˇktere´mu z nı´zˇe uvedeny´ch standardu˚: • QIC, QIC-Wide, Travan - jedna´ se o trˇi rozsa´hle´ skupiny levneˇjsˇ´ıch pa´skovy´ch mechanik, umozˇnˇujı´cı´ch zaza´lohova´nı´ azˇ 20GB dat na jedno me´dium prˇi kompresi 2:1. • DAT (Digital Audio Tape) - noveˇjsˇ´ı technologie nezˇ QIC. Pouzˇ´ıvajı´ spira´lovity´ za´znam dat. Hlavy jsou soucˇa´stı´ otocˇne´ho bubnu. Stopy dat jsou zapisova´na pod urcˇity´m u´hlem, sevrˇeny´m stopou a osou pa´sky. K za´znamu dat se mu˚zˇe vyuzˇ´ıt cely´ povrch pa´sky. Mechanika DAT umozˇnˇuje za´lohovat azˇ 40GB dat na jedno me´dium prˇi kompresi 2:1. Sˇ´ırˇka pa´sky je 4mm. • AIT (Advanced Inteligent Tape) - princip za´znamu stejny´ jako u DAT technologie. Mechaniky pouzˇ´ıvajı´ servosyste´m ATF (Auto Tracking Following), umozˇnˇujı´cı´ prˇesny´ za´pis dat do jednotlivy´ch stop. Sˇ´ırˇka pa´sky je 8mm. • On Stream ADR (Advanced Digital Recording) - nejnoveˇjsˇ´ı technologie. Zameˇrˇuje se prˇedevsˇ´ım na za´lohova´nı´ pracovnı´ch stanic a mensˇ´ıch sı´tı´. Na jedno me´dium lze ulozˇit azˇ 50GB dat prˇi kompresi 2:1. Mechaniky jsou vyra´beˇny jak s rozhranı´m SCSI, tak i rozhranı´m ATA. Externı´ mechaniky umozˇnˇujı´ ulozˇenı´ 30GB dat prˇi kompresi 2:1. • Mechaniky Ecrix VXA - za´znam prˇipomı´na´ spira´lovity´ za´znam technologie DAT, pa´ska je ale prˇes magneticky´ buben vedena odlisˇny´m mechanismem. Umozˇnˇujı´ za´lohovat azˇ 66GB dat prˇi kompresi 2:1. Pouzˇ´ıva´ se s rozhranı´m SCSI nebo IEEE-1394. • DLT (Digital Linear Tape) - technologie DLT zapisuje a cˇte na vı´ce kana´lech soucˇasneˇ. Za´znamove´ me´dium je rozdeˇleno do paralelnı´ch, horizonta´lnı´ch stop a prˇenos dat se uskutecˇnˇuje z jedine´ staciona´rnı´ hlavy nad pohybujı´cı´ se magnetickou pa´skou o sˇ´ırˇce jednoho palce. Pa´ska je prˇesouva´na vysokou rychlostı´ (250-380 cm/s).
29
Kapitola 4
Pameˇti opticke´ 4.1 Princip ukla´da´nı´ dat Objev laseru se datuje k roku 1960. Jednou z mozˇnostı´, jak laser vyuzˇ´ıt ve vy´pocˇetnı´ technice, jsou vneˇjsˇ´ı pameˇti. Hlavnı´m du˚vodem je mozˇnost zaostrˇenı´ paprsku optickou soustavou na plochu o rozmeˇrech mensˇ´ıch nezˇ 1µm. Laserovy´ za´znam je vysoce odolny´ proti pu˚sobenı´ vneˇjsˇ´ıch magneticky´ch polı´ a proti prachu. Proti posˇkozenı´ povrchu je mozˇne´ jej chra´nit pru˚hlednou ochrannou vrstvou. K dispozici byla rˇesˇenı´ osveˇdcˇena´ z pameˇtı´ magneticky´ch, naprˇ. me´dium ve tvaru rotujı´cı´ho disku, metody ko´dova´nı´, atd. Rˇesˇily se vsˇak i nove´ proble´my, naprˇ. interakce intenzivnı´ho opticke´ho svazku s tenky´mi vrstvami, cˇasova´ sta´lost zmeˇn a jejich opticka´ detekce. Rozhodujı´cı´ zlom nastal na pocˇa´tku 90. let, kdy opticke´ vneˇjsˇ´ı pameˇti prˇekonaly veˇtsˇinu pozitivnı´ch vlastnostı´ magneticky´ch pameˇtı´. Jisteˇ na tom meˇlo svu˚j podı´l i rozsˇ´ırˇenı´ digita´lnı´ho za´znamu zvuku CD-DA (Compact Disc - Digital Audio). Nejrozsˇ´ırˇeneˇjsˇ´ımi opticky´mi pameˇt’mi jsou dnes CD-ROM. Jako materia´l je pouzˇ´ıva´n polykarbona´t, do ktere´ho jsou lisova´nı´m podle matrice data zapsa´na. Strana se za´znamem je pokryta reflexnı´ vrstvou a opatrˇena ochranny´m lakem, na ktere´m je take´ natisˇteˇn popis CD. Za´znam se prova´dı´ v podobeˇ prohlubnı´ a ostru˚vku˚, pitu˚ a polı´. Jednicˇky v datech jsou na opticke´m me´diu zapsa´ny jako prˇechody mezi pitem a polem, prˇ´ıp. naopak. Datove´ nuly se nezapisujı´. Prˇechody jsou obdobou magneticky´ch reverzacı´ zna´my´ch z magneticky´ch me´diı´. Prˇi cˇtenı´ dopada´ laserovy´ paprsek nejprve na ten povrch disku, na ktere´m nejsou vylisova´ny pity. Procha´zı´ celou tlousˇt’kou pru˚hledne´ho polykarbona´tu, odra´zˇ´ı se od vnitrˇnı´ strany vrchnı´ roviny kotoucˇku pokryte´ reflexnı´ kovovou vrstvou a znovu procha´zı´ celou jeho tlousˇt’kou ke cˇtecı´mu senzoru. Procha´zı´ tedy cele´ me´dium dvakra´t. Pokud se v mı´steˇ odrazu svazku od hornı´ho povrchu nacha´zı´ pit, dojde k cˇa´stecˇne´mu rozpty´lenı´ odrazu, a to vyvola´ na cˇtecı´m senzoru jinou odezvu, nezˇ v prˇ´ıpadeˇ odrazu cˇiste´ho. Celou cestu paprsku zna´zornˇuje obra´zek (obr.4.1). Opticke´ pameˇti CD-WORM (Write Once Read Many times), nebo-li CD-R, byly velky´m technologicky´m krokem vprˇed. Na ty mu˚zˇe zapisovat uzˇivatel, ale jen jednou, jak je patrno z na´zvu. Dopadne-li na neˇjaky´ materia´l silny´ impuls laserove´ho za´rˇenı´ ve formeˇ silneˇ zaostrˇene´ho paprsku a absorbuje-li se alesponˇ cˇa´st jeho energie, docha´zı´ k intenzivnı´mu loka´lnı´mu ohrˇa´tı´ a tı´m i ke zmeˇna´m vlastnostı´ materia´lu. Jako nejvhodneˇjsˇ´ı se uka´zalo vypa´lenı´ otvoru v kovove´ vrstveˇ nebo loka´lnı´ deformace vrstvy. Princip cˇtenı´ je v obou teˇchto prˇ´ıpadech podobny´ cˇtenı´ CD-ROM, pity zde nejsou do za´kladnı´ho materia´lu vylisova´ny, ale jsou vytvorˇeny na specia´lnı´ kovove´ vrstveˇ. Za´znam se prova´dı´ vypa´lenı´m pitu˚ do specia´lnı´ za´znamove´ vrstvy. Za´znamovy´ rezˇim pouzˇ´ıva´ vy´razneˇ vysˇsˇ´ı vy´kon laserove´ diody nezˇ prˇi cˇtenı´. Ve vrstveˇ prˇitom docha´zı´ k nevratny´m zmeˇna´m, prˇi ktery´ch se v dane´m mı´steˇ zmeˇnı´ neˇktery´ charakteristicky´ opticky´ parametr (naprˇ. koeficient reflexe). Ve cˇtecı´m rezˇimu ke zmeˇna´m ve vrstveˇ nedocha´zı´. Jen odraz je ve vypa´lene´m mı´steˇ jiny´, cˇtecı´ senzor indikuje tuto skutecˇnost jako pit. 30
4.1. PRINCIP UKLA´DA´NI´ DAT
Laserova´ dioda
Fotodioda
Reflexnı´ zrcadlo
Objektiv CD-ROM
Zaostrˇovacı´ cˇocˇka
Obra´zek 4.1: Princip opticke´ho za´znamu
Jesˇteˇ vysˇsˇ´ı stupenˇ prˇedstavujı´ prˇepisovatelne´ opticke´ disky CD-RW, ktere´ jsou zalozˇeny na fyzika´lnı´ch principech loka´lnı´ zmeˇny krystalicke´ struktury, nebo loka´lnı´ prˇemeˇny amorfnı´ la´tky na krystalickou. Obeˇ tyto zmeˇny jsou vratne´, cozˇ pra´veˇ zajisˇt’uje prˇepisovatelnost.
4.1.1 Jamky a pevniny CD-ROM Cˇtenı´ informacı´ z disku je zalozˇeno na rozdı´lne´m odra´zˇenı´ laserove´ho paprsku od jamek (pitu˚) a pevnin (land). Jedno datove´ CD me´dium obsahuje kolem dvou bilio´nu˚ pitu˚. Jamky na CD disku majı´ hloubku 0, 125 µm a sˇ´ırˇku 0, 6 µm. Jamky i pevniny jsou promeˇnne´ v de´lce, a to v rozmezı´ prˇiblizˇneˇ od 0, 9 µm do 3, 3 µm (obr.4.2). Vy´sˇka jamek nad pevninami je odvozena od vlnove´ de´lky laserove´ho sveˇtla, pouzˇ´ıvane´ho pro cˇtenı´ dat. Tato vy´sˇka je rovna prˇesneˇ 1/4 vlnove´ de´lky. Sveˇtlo ktere´ dopada´ na pevninu a na´sledneˇ se z nı´ odra´zˇ´ı, urazı´ vzda´lenost prˇesneˇ o polovinu vlnove´ de´lky laserove´ho sveˇtla delsˇ´ı nezˇ sveˇtlo, dopadajı´cı´ a odra´zˇejı´cı´ se z jamky. Sveˇtlo odrazˇene´ z jamky je oproti ostatnı´mu sveˇtlu fa´zoveˇ posunuto o jednu polovinu vlnove´ de´lky. V du˚sledku vza´jemne´ interakce fa´zoveˇ posunute´ho sveˇtla se sveˇtlem bez fa´zove´ho posunu, docha´zı´ k u´bytku intenzity sveˇtla odrazˇene´ho z jamek. Z toho du˚vodu se jamky jevı´ jako podstatneˇ tmavsˇ´ı nezˇ zby´vajı´cı´ cˇa´sti disku, i prˇesto, zˇe jsou pokryty stejnou odrazovou vrstvou hlinı´ku. Vlnova´ de´lka laserove´ho sveˇtla pouzˇ´ıvany´ch v CD mechanika´ch ma´ vlnovou de´lku 780nm a vy´kon
31
4.1. PRINCIP UKLA´DA´NI´ DAT Jamky
Pevniny
0, 6 mikronu Sousedı´cı´ za´vity spiralovite´ stopy
111 000 000 111 000 111 000 111 000 111 000 111 000 111 000 111
1111 0000 0000 1111 0000 1111 000000 0000 111111 1111 0000 000000 1111 0000 111111 1111 0000 1111 000000 111111 000 11111 111 000000 111111 0 1 00000 000 111 0 1 000000 111111 0 1 00000 11111 000 111 0 1 000000 111111 0 1 00000 000 111 0 11111 1 000000 111111 0 1
1, 6 mikronu
0, 9 mikronu 3, 3 mikronu (minimum) (maximum) Obra´zek 4.2: Jamky a pevniny u CD me´diı´
okolo 1mW. Prˇi za´pisu se vy´kon laseru zvy´sˇi prˇiblizˇneˇ 10x, nezˇ prˇi cˇtenı´. Polykarbona´tovou vrstvou, o indexu lomu 1,55, procha´zı´ sveˇtlo 1,55kra´t pomaleji nezˇ vzduchem. Frekvence sveˇtla zu˚sta´va´ stejna´, proto je vy´sledkem odpovı´dajı´cı´ zmensˇenı´ vlnove´ de´lky. Pak sveˇtlo, ktere´ ma´ vlnovou de´lku ve vzduchu 780nm, se v polykarbona´tu zmeˇnı´ na sveˇtlo o vlnove´ de´lce 780/1,55=500nm. Jedna cˇtvrtina z 500nm je 125nm. Vy´sˇka jamky je tedy oneˇch uva´deˇny´ch 0,125 µm. DVD Za´znam je stejneˇ jako u CD disku˚ tvorˇen stopou s jamkami a pevninami. Lisˇ´ı se pouze v rozmeˇrech, ktere´ jsou mensˇ´ı z du˚vodu dosazˇenı´ veˇtsˇ´ı kapacity (tab. 4.1).
De´lka jamky Hloubka jamky Sˇ´ırˇka jamky Vzda´lenost sousednı´ch stop Plocha me´dia pro za´znam dat Kapacita
DVD 0,4 - 1,9µm 0,105µm 0,4µm 0,74µm 8,759mm2 4,7 - 17GB
CD 0,9 - 3,3µm 0,125µm 0,6µm 1,6µm 8,605mm2 650 - 700MB
Tabulka 4.1: Rozdı´ly mezi CD a DVD
4.1.2 Stopy a sektory CD-ROM Data jsou na povrchu disku zaznamena´va´na do stopy, majı´cı´ tvar spira´ly (obr.4.6). Jednotlive´ za´vity spira´ly jsou od sebe vzda´leny 1,6 µm (viz obr.4.2). Jedno CD se za´znamovou sˇ´ırˇ´ı 3,3 cm a kapacitou 74 minut (700MB) obsahuje 22188 za´vitu˚, celkova´ de´lka stopy je 5,77km. Stopa je da´le rozdeˇlena na sektory, ktere´ se cˇtou rychlostı´ 75 sektoru˚ za sekundu(prˇi rychlosti 1x). Sektory se deˇli na 98 ra´mcu˚ informacı´, z nichzˇ kazˇdy´ obsahuje 33 bytu˚ (24 bytu˚ pro data, 1 byte obsahuje subko´d, 8 bytu˚ pro kontrolnı´ ko´d a opravu chyb). Kapacita jednoho sektoru je 3234 bytu˚.
32
4.2. ME´DIA PRO OPTICKY´ ZA´ZNAM DVD Stopa ve formeˇ spira´ly, ma´ celkovou de´lku 11,84km. Za´vity jsou od sebe vzda´leny 0,74µm, vy´sledna´ hustota stop je 1351 za´vitu˚ na milimetr. Celkem je v jedne´ za´znamove´ vrstveˇ 49324 za´vitu˚. Stopa je tvorˇena sektory, z nichzˇ kazˇdy´ obsahuje 2048 bytu˚ dat. Prˇi za´pisu jsou nejprve data zforma´tova´na do datovy´ch ra´mcu˚ o velikosti 2064 bytu˚. Z toho je 2048 bytu˚ pro data, 4 byty obsahujı´ identifikacˇnı´ informace, 2 byty obsahujı´ informace pro detekci chyb v identifikacˇnı´ch informacı´ch (ID Error Detection - IED), 6 bytu˚ dat pro ochranu autorsky´ch pra´v, a 4 byty obsahujı´ ko´d pro detekci a opravu chyb pro cely´ ra´mec. K ra´mcu˚m jsou da´le prˇida´ny ECC informace. Vytvorˇ´ı se tak ECC ra´mce obsahujı´cı´ datovy´ ra´mec o velikosti 2064 bytu˚, 182 bytu˚ vneˇjsˇ´ı parity (Parity Outer - PO) a 120 bytu˚ vnitrˇnı´ parity (Parity Inter - PI). Vy´sledna´ velikost ra´mcu˚ ECC je 2366 bytu˚. Nakonec se ECC ra´mce prˇeva´deˇjı´ do forma´tu, v neˇmzˇ jsou ukla´da´ny do sektoru˚ na me´dia. Z kazˇde´ho ECC ra´mce je najednou nacˇteno 91 bytu˚, ktere´ jsou modulacı´ 8 na 16 prˇevedeny na bity, nahra´vane´ na me´dium. Po prˇevodu kazˇde´ skupiny 91 bytu˚ je ke vznikle´mu rˇeteˇzci bitu˚ prˇida´no 32 bitu˚ (4 byty) synchronizacˇnı´ch informacı´. Po prˇevedenı´ cele´ho ra´mce ECC na forma´t fyzicke´ho sektoru, se na me´dium zaznamena´ 4836 bytu˚.
4.2 Me´dia pro opticky´ za´znam 4.2.1 CD disky CD nebo-li kompaktnı´ disky mu˚zˇeme rozdeˇlit do trˇ´ı skupin: CD Hromadneˇ vyra´beˇna´ CD me´dia jsou lisova´na a nikoliv vypalova´na. Laser se pouzˇ´ıva´ pouze pro vypa´lenı´ dat do skleneˇne´ matrice, pokryte´ fotocitlivy´m materia´lem. Lisovany´ kompaktnı´ disk se skla´da´ ze trˇ´ı vrstev: - dolnı´, nepotisˇteˇna´ vrstva, je tvorˇena pru˚hledny´m polykarbona´tem, ktery´ slouzˇ´ı jako ochrana vytisˇteˇny´ch (nebo vypa´leny´ch) dat prˇed posˇkozenı´m - strˇednı´ vrstva je z reflexnı´ho kovu, veˇtsˇinou hlinı´ku - vrchnı´ vrstva je ochranny´ lakovany´ obal. Ochranny´ lak se nana´sˇ´ı ve fina´le vy´roby, je vytvrzova´n ultrafialovy´m sveˇtlem. Na tuto vrstvu se CD potiskujı´. Celkova´ tlousˇt’ka CD je 1,2mm a jeho pru˚meˇr je 12cm s centra´lnı´m otvorem 1,5cm. CD va´zˇ´ı bez obalu 18 gramu˚. CD-R CD-R je cˇasto nazy´va´no te´zˇ jako CD-WORM nebo CD-WO (Write Once - mozˇno jedenkra´t zapsat, WORM - Write Once Read Many - mozˇno jedenkra´t zapsat a mnohokra´t cˇ´ıst). CD-R jsou vyra´beˇna obdobny´m zpu˚sobem jako lisovana´ CD. Rozdı´l je v pouzˇite´ matrici. U CD-R matrice vyra´zˇ´ı obraz spira´love´ dra´zˇky, ktera´ se jevı´ ze strany, ze ktere´ je me´dium cˇteno, jako vystoupla´ bra´zda. Dra´zˇka nenı´ hladka´, je lisova´na v podobeˇ vlnovky. Amplituda teˇchto vln je ve srovna´nı´ za´vitu˚ spira´love´ stopy (1,6µm) velmi mala´, a to 0,03µm. Signa´l, ktery´ je do vlnovky ulozˇen je dalsˇ´ım nositelem informace.
33
4.2. ME´DIA PRO OPTICKY´ ZA´ZNAM Signa´l je frekvencˇneˇ modulova´n s cˇasovy´m ko´dem a dalsˇ´ımi daty, proto se nazy´va´ absolutnı´ cˇas v dra´zˇce (Absolute Time In Pre-groove - ATIP). Strˇednı´ vrstva CD-R me´dia se skla´da´ z reflexnı´ fo´lie a organicke´ho barviva (obr.4.3). Pouzˇ´ıva´ se zlato, ktere´ nereaguje s barvivem a koroduje mnohem me´neˇ, nezˇ ktery´koliv jiny´ kov. Zlato je navı´c velmi reflexnı´. Pouzˇ´ıva´ se 24kara´tove´ zlato. Zlato se cˇasto nahrazuje strˇ´ıbrem, ktere´ je podstatneˇ levneˇjsˇ´ı. Organicka´ sloucˇenina je vlastnı´m za´znamovy´m me´diem. Prˇi vypalova´nı´ se organicke´ barvivo zahrˇeje, cozˇ zpu˚sobı´ jeho fyzickou zmeˇnu. Vypalovacı´ paprsek vytva´rˇ´ı miniaturnı´ kopecˇky (pity). Prˇestozˇe se vypa´leny´ pit od pitu lisovane´ho fyzika´lneˇ lisˇ´ı, porˇa´d mluvı´me o pitu. Pit meˇnı´ odrazivost od zlate´ho podkladu. Rozdı´l mezi vypa´leny´m a lisovany´m pitem je du˚vodem, procˇ na neˇktery´ch stary´ch CD-ROM mechanika´ch nesˇla vypa´lena´ CD prˇecˇ´ıst. Vy´robci proto museli u mechanik upravit algoritmus ostrˇenı´ a vyhodnocova´nı´ logicky´ch u´rovnı´. ´ daje o velikosti disku jsou stejne´, jako u CD lisovany´ch. U Barva CD-R me´diı´ se cˇasto ru˚znı´. Je to zpu˚sobeno ru˚zny´m strˇ´ıda´nı´m zlate´ barvy za odstı´ny zelene´, modre´, dokonce i hneˇde´. Barva me´dia je da´na barvou odrazove´ho me´dia a barvou organicke´ho barviva. Drˇ´ıve cˇasto pouzˇ´ıvane´ zlato je nahrazova´no strˇ´ıbrnou odrazovou plochou. Je sice levneˇjsˇ´ı, ale ma´ sve´ nedostatky. Strˇ´ıbro je agresivneˇjsˇ´ı nezˇ zlato, je tedy vı´ce na´chylne´ k oxidaci. Vzhledem k tomu, zˇe se zˇivotnost me´diı´ pocˇ´ıta´ azˇ na sto let, je snı´zˇenı´ zˇivotnosti teˇchto me´diı´ pomeˇrneˇ nezajı´mave´. Me´dia, ktera´ se jevı´ jako zelena´, pouzˇ´ıvajı´ jako barvivo cyanin. Zlatave´ disky vyuzˇ´ıvajı´ phtalocyanin, u ktere´ho je deklarova´na vysˇsˇ´ı odolnost proti slunecˇnı´mu UV za´rˇenı´, ktere´ data na disku posˇkozujı´. Me´dia pouzˇ´ıvajı´cı´ vrstvu Azo jsou z datove´ strany zabarvena modrˇe. CD-R me´dia s vrstvou Azo cˇasto pouzˇ´ıvajı´ strˇ´ıbrnou reflexnı´ vrstvu. Vy´robci CD-R me´diı´ se snazˇ´ı zkombinovat ru˚zne´ materia´ly a tlousˇt’ky tak, aby dosa´hly mozˇnosti za´pisu vysokou rychlostı´, velke´ odolnosti proti vneˇjsˇ´ım vlivu˚m, zvla´sˇt’slunecˇnı´mu za´rˇenı´ a kompatibility s CD-ROM mechanikami pro cˇtenı´ zapsany´ch me´diı´. Me´dia CD-R majı´ kapacitu u starsˇ´ıch 650MB (74 minut), standardnı´ soucˇasna´ me´dia jsou o kapaciteˇ 700MB (80 minut). Zvy´sˇenı´ kapacity o 50MB je da´no zmensˇenı´m roztecˇe za´vitu˚ spira´lovite´ stopy.
1 0 0 1 Ochranna´ lakovana´ vrstva
Ochranna´ lakovana´ vrstva Reflexnı´ fo´lie
Reflexnı´ fo´lie
Za´znamovy´ film
Al
CD a)
Za´znamove´ barvivo Polykarbona´tovy´ za´klad
CD−R b)
Dilektricka´ vrstva
CD−RW Polykarbona´tovy´ za´klad
c)
Obra´zek 4.3: Vrstvy CD, CD-R a CD-RW me´diı´
34
4.2. ME´DIA PRO OPTICKY´ ZA´ZNAM CD-RW Me´dium CD-RW je konstruova´no na podobne´m za´kladu jako me´dium CD-R (obr.4.3). Stejneˇ jako u jiny´ch kompaktnı´ch disku˚, je jako nosne´ me´dium pouzˇit dra´zˇkovany´ polykarbona´tovy´ substra´t, na ktere´m je naneseno neˇkolik vrstev. Vrstva pro za´znam je z obou stran obklopena vrstvou dielektrika, slitina silikonu, kyslı´ku, zinku a sı´ry. Tyto vrstvy majı´ za u´kol modifikovat odezvu opticke´ho me´dia, aby poskytovalo cˇisty´ signa´l, zvy´sˇit u´cˇinnost laseru pro dosazˇenı´ zˇa´doucı´ teploty na za´znamove´ vrstveˇ, pu˚sobit jako tepelna´ izolace mezi substra´tem, prˇedlisovanou dra´zˇkou a odraznou vrstvou a v poslednı´ rˇadeˇ slouzˇ´ı jako mechanicka´ brzda za´znamove´ho me´dia, aby nedocha´zelo k jeho posunu vlivem odstrˇedivy´ch sil . Za´znamove´ barvivo je jine´ nezˇ u CD-R. Prˇi nahra´va´nı´ CD-R docha´zı´ k nevratne´ zmeˇneˇ tohoto barviva. CD-RW proto pouzˇ´ıva´ technologii fa´zove´ zmeˇny. Namı´sto vytva´rˇenı´ deformacı´ v barvivu vyuzˇ´ıva´ zmeˇnu struktury materia´lu z krystalicke´ do amorfnı´ formy. K tomu slouzˇ´ı specia´lnı´ chemicka´ sloucˇenina strˇ´ıbra, india, antimonu a teluru. Tato slitina meˇnı´ pu˚sobenı´m energie svu˚j stav, krystalicky´ - vysoce odrazivy´ a amorfnı´ na stav s nı´zkou odrazivostı´, a je schopna se rovneˇzˇ pu˚sobenı´m energie vra´tit do pu˚vodnı´ho stavu. Materia´l pouzˇity´ u CD-RW me´diı´ ma´ tu vlastnost, zˇe kdyzˇ je zahrˇa´ty´ na jistou teplotu a pak ochlazen, docha´zı´ k jeho krystalizaci, zatı´mco dojde-li k jeho vysˇsˇ´ımu zahrˇa´tı´ a opeˇtovne´mu ochlazenı´, prˇejde do nekrystalicke´ho - amorfnı´ho stavu. Krystalicky´ stav odra´zˇ´ı vı´ce sveˇtla nezˇ amorfnı´, tı´m je docı´leno dvoustavove´ho efektu, ktery´ je nezbytny´ pro prˇenos informace. Krystalicky´ stav tedy vytva´rˇ´ı pevniny (land) a amorfnı´ stav zase pit. Mechaniky schopne´ zapisovat CD-RW disky pracujı´ ve trˇech rezˇimech: s nejvysˇsˇ´ım vy´konem laseru (Write Power) vznika´ amorfnı´ forma, se strˇednı´m vy´konem laseru (Erase Power) vznika´ krystalicka´ forma a nı´zky´m vy´konem (Read Power) se disk cˇte. Beˇhem za´pisu je slitina zahrˇa´ta´ na vysokou teplotu (500 azˇ 700◦ C), a rychly´m ochlazenı´m dojde ke vzniku amorfnı´ vrstvy. Pracuje-li laser se strˇednı´m vy´konem, slitina se ohrˇeje (cca na 200◦ C) pod teplotu ta´nı´, ale po dostatecˇneˇ dlouhou dobu, a dojde ke vzniku krystalicke´ formy. U CD-RW hraje roli slozˇenı´ slitiny, tlousˇt’ka vrstvy a cˇas, po kterou je slitina vystavena laseru. Fyzika´lnı´ vlastnosti slitiny a polykarbona´tu urcˇujı´ minima´lnı´ dobu pro zmeˇnu fa´ze a ta na´sledneˇ ma´ vliv na zapisovacı´ (mazacı´) rychlost. CD disk mu˚zˇeme rozdeˇlit na 6 cˇa´stı´, ktere´ jsou pro veˇtsˇinu me´diı´ stejna´. Jsou jimi: - Oblast pro uchycenı´ me´dia (Hub Camping Area - HCA) - Oblast kalibrace vy´konu (Power Calibration Area - PCA) - pouze pro me´dia CD-R/CD-RW. Oblast pro nastavenı´ optima´lnı´ho vy´konu laseru pro za´znam dat. - Oblast programove´ pameˇti (Program Memory Area - PMA) - pouze pro me´dia CD-R/CDRW. Do oblasti se ukla´da´ tabulka obsahu (Table of Contens - TOC) do te´ doby, dokud nenı´ za´znamova´ sekce dokoncˇena. Po dokoncˇenı´ se TOC prˇepı´sˇe do zava´deˇcı´ oblasti. - Oblast zava´deˇcı´ (Lead-In) - tato oblast obsahuje tabulku obsahu. V tabulce jsou zaznamena´ny informace o pocˇa´tecˇnı´ch adresa´ch, de´lce vsˇech stop, celkove´ de´lce oblasti pro data a programy a nakonec jednotlive´ informace o jednotlivy´ch sekcı´ch. Data zaznamena´na na disk najednou metodou Disc At Once - DAO, majı´ jedinou zava´deˇcı´ oblast. U disku˚ s vı´ce provedeny´mi za´pisy v neˇkolika sekcı´ch, zacˇ´ına´ kazˇda´ sekce jednou zava´deˇcı´ oblastı´. V zava´deˇcı´ oblasti je take´ ulozˇena informace o pocˇtu ulozˇeny´ch sekcı´ a zda jesˇteˇ disk nenı´ ukoncˇen. Pokud nenı´, je v zava´deˇcı´ oblasti ulozˇena adresa na dalsˇ´ı za´znamovou sekci. - Oblast pro data a programy (Program/Data Area)
35
4.2. ME´DIA PRO OPTICKY´ ZA´ZNAM - Ukoncˇovacı´ oblast (Lead - Out) - obsahuje informaci o konci oblasti pro data a programy, nebo konec oblasti jedne´ sekce.
4.2.2 DVD disky Za´kladem je polykarbona´tovy´ disk o pru˚meˇru 120mm a tlousˇt’ce 1,2mm s otvorem ve strˇedu o pru˚meˇru 15mm, stejneˇ jako u disku CD. Za´znam je take´ tvorˇen stopou s jamkami a pevninami. Avsˇak jedna strana DVD mu˚zˇe obsahovat dveˇ za´znamove´ vrstvy a navı´c mu˚zˇe by´t me´dium oboustranne´. Obeˇ za´znamove´ vrstvy jsou lisova´ny oddeˇleneˇ a na´sledneˇ jsou pla´tky polykarbona´tu slepeny k sobeˇ. Vy´sledkem je disk o tlousˇt’ce 1,2mm. Nejveˇtsˇ´ım rozdı´lem mezi CD a DVD diskem je jejich kapacita. Z du˚vodu veˇtsˇ´ı kapacity DVD me´diı´ je pouzˇit jiny´ laser o kratsˇ´ı vlnove´ de´lce, ktery´ je zaostrˇen blı´zˇe k povrchu me´dia. U dvouvrstvy´ch me´diı´ platı´, zˇe prvnı´ odrazova´ kovova´ vrstva je slabsˇ´ı, aby byl umozˇneˇn pru˚chod laserove´ho paprsku k vnitrˇnı´ straneˇ za´znamu. Prˇi cˇtenı´ za´znamu z vnitrˇnı´ vrstvy se laserovy´ paprsek zaostrˇuje na jinou vzda´lenost. U oboustranny´ch me´diı´ lze etiketu lepit pouze na malou plochu prstence poblı´zˇ strˇedu disku. Cely´ disk je opeˇt rozdeˇlen, obdobneˇ jako u CD, na cˇtyrˇi za´kladnı´ cˇa´sti. Oblast pro uchycenı´ me´dia, zava´deˇcı´ oblast, oblast pro data a ukoncˇovacı´ oblast. V prˇ´ıpadeˇ dvouvrstve´ho me´dia nahrane´ho rezˇimem OTP (Opposite Track Path), zacˇ´ına´ druha´ vrstva za´znamu na vneˇjsˇ´ım okraji a pokracˇuje smeˇrem ke strˇedu. Disk se prˇitom ota´cˇ´ı stejny´m smeˇrem jako prˇi cˇtenı´ vneˇjsˇ´ı vrstvy. Prˇi nahra´va´nı´ OTP rezˇimem, se ukoncˇovacı´ oblast nazy´va´ strˇednı´. Veˇtsˇ´ı kapacita DVD oproti CD byla dosazˇena: - veˇtsˇ´ı u´cˇinnostı´ modulace prˇi za´znamu kazˇde´ho kana´lu - veˇtsˇ´ı u´cˇinnostı´ ko´du pro opravy chyb - veˇtsˇ´ım vyuzˇitı´m celkove´ de´lky sektoru pro samotna´ data (u CD je 2048 bytu˚ na sektor o velikosti 2352, u DVD 2048 bytu˚ na sektor velikosti 2064) V soucˇasnosti existujı´ cˇtyrˇi za´kladnı´ typy DVD, lisˇ´ıcı´ se pocˇtem za´znamovy´ch vrstev a pocˇtem stran, na ktery´ch je za´znam ulozˇen, tedy i kapacitou, ktera´ je uvedena v tabulce 4.2. (Na obr.4.4 jsou vyobrazeny vrstvy me´diı´ DVD-5 a DVD-9, obr.4.5 ukazuje me´dia DVD-10 a DVD-18) Typ me´dia Kapacita me´dia
DVD-5 4,7GB
DVD-9 8,5GB
DVD-10 9,4GB
DVD-18 17,1GB
Tabulka 4.2: Kapacita DVD me´diı´
DVD-5 Jednostranne´, jednovrstve´ me´dium o celkove´ kapaciteˇ 4,7GB. Me´dium DVD-5 se vyra´bı´ ze dvou vrstev polykarbona´tu, ktere´ jsou k sobeˇ prˇilepeny. Do jedne´ vrstvy, nazy´vane´ vrstva 0, je vylisova´n za´znam a druha´ je pra´zdna´. Odrazna´ aluminiova´ vrstva se vytva´rˇ´ı jen na vrstveˇ se za´znamem.
36
4.2. ME´DIA PRO OPTICKY´ ZA´ZNAM
DVD−5
Etiketa
Polykarbona´t
Lepidlo
Za´znamova´ vrtsva 0, strana 0 (zadnı´ strana pokryta aluminiem) Polykarbona´t Laserovy´ paprsek cˇtoucı´ data z vsrtvy 0
DVD−9
Etiketa
Za´znamova´ vrtsva 1, strana 0 (zadnı´ strana pokryta aluminiem)
Polykarbona´t Lepidlo
Za´znamova´ vrtsva 0, strana 0 (zadnı´ strana pokryta zlatem) Polykarbona´t Laserovy´ paprsek cˇtoucı´ data z vsrtvy 1 Laserovy´ paprsek cˇtoucı´ data z vsrtvy 0
Obra´zek 4.4: Typy DVD diskovy´ch me´diı´ (DVD-5, DVD-9) DVD-9 Jednostranne´, dvouvrstve´ me´dium o celkove´ kapaciteˇ 8,5GB. Toto me´dium je slozˇeno ze dvou slepeny´ch vrstev s vylisovany´m za´znamem, ke ktery´m je prˇilepena jesˇteˇ trˇetı´, pra´zdna´ vrstva, vytva´ˇrejı´cı´ druhou stranu me´dia. Vneˇjsˇ´ı lisovana´ vrstva, vrstva 0, je pokryta polopropustnou odrazovou vrstvou zlata, ktera´ odra´zˇ´ı sveˇtlo, jezˇ je na ni zaostrˇene´, a propousˇtı´ vesˇkere´ sveˇtlo, jezˇ na ni zaostrˇene´ nenı´. Pro cˇtenı´ obou vrstev se vyuzˇ´ıva´ jediny´ laserovy´ paprsek, u ktere´ho se meˇnı´ pouze jeho zaostrˇenı´. DVD-10 Dvoustranne´, jednovrstve´ me´dium o celkove´ kapaciteˇ 9,4GB. Za´kladem me´dia jsou dveˇ vylisovane´ vrstvy, slepene´ k sobeˇ svy´mi zadnı´mi stranami. Vrstva se za´znamem, na kazˇde´ straneˇ vrstva 0, je ze zadnı´ strany pokryta aluminiem. Acˇkoliv me´dium je dvoustranne´, mechanika DVD-ROM cˇi prˇehra´vacˇ DVD majı´ jediny´ laserovy´ paprsek. Proto musı´ by´t disk po skoncˇenı´ prˇehra´va´nı´ jedne´ strany rucˇneˇ otocˇen. DVD-18 Dvoustranne´, dvouvrstve´ me´dium o celkove´ kapaciteˇ 17,1GB. Kazˇda´ strana me´dia je tvorˇena dveˇma slepeny´mi vylisovany´mi vrstvami. Dveˇ dvojice takovy´ch vrstev jsou pak slepeny k sobeˇ, a to svy´mi zadnı´mi stranami. Vneˇjsˇ´ı vrstvy na kazˇde´ straneˇ, vrstvy 0, jsou ze zadnı´ strany pokryty polopropustnou vrstvou zlata, zatı´mco vnitrˇnı´ vrstvy, vrstvy 1, jsou pokryty aluminiem. Odrazivost jednovrstve´ho disku se pohybuje v rozmezı´ 45% azˇ 85%, zatı´mco u dvouvrstve´ho je to pouze 18% azˇ 30%. Ke kompenzaci
37
4.2. ME´DIA PRO OPTICKY´ ZA´ZNAM rozdı´lne´ odrazivosti ru˚zny´ch typu˚ me´diı´ pak slouzˇ´ı obvody automaticke´ kontroly zisku (Automatic Gain Kontrol - AGC). U dvouvrstvy´ch me´diı´ jsou nakresleny dva laserove´ paprsky, ale ve skutecˇnosti se pouzˇ´ıva´ jeden, ktery´ se ru˚zneˇ zaostrˇuje. Polykarbona´t
DVD−10
Za´znamova´ vrtsva 0, strana 1 (zadnı´ strana pokryta aluminiem)
Lepidlo
Za´znamova´ vrtsva 0, strana 0 (zadnı´ strana pokryta aluminiem)
Polykarbona´t
Laserovy´ paprsek cˇtoucı´ data z vsrtvy 0
Polykarbona´t
Za´znamova´ vrtsva 0, strana 1 (zadnı´ strana pokryta zlatem)
DVD−18 Za´znamova´ vrtsva 1, strana 1 (zadnı´ strana pokryta aluminiem)
Lepidlo
Za´znamova´ vrtsva 1, strana 0 (zadnı´ strana pokryta aluminiem) Polykarbona´t
Za´znamova´ vrtsva 0, strana 0 (zadnı´ strana pokryta zlatem)
Laserovy´ paprsek cˇtoucı´ data z vsrtvy 0 Laserovy´ paprsek cˇtoucı´ data z vsrtvy 1
Obra´zek 4.5: Typy DVD diskovy´ch me´diı´ (DVD-10, DVD-18)
38
4.3. CD ROM
4.3 CD ROM CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) se oznacˇujı´ opticka´ me´dia pro ukla´da´nı´ dat, umozˇnˇujı´cı´ jejich na´sledne´ cˇtenı´, ale take´ mechaniky, slouzˇ´ıcı´ k pra´ci s teˇmito me´dii. Dalsˇ´ı forma´ty jsou CD-R (CD - Recordable) a CD-RW (CD - ReWritable). Prˇ´ıstup k datu˚m, ulozˇeny´m na CD-ROM, je rychlejsˇ´ı nezˇ prˇ´ıstup k datu˚m, ulozˇeny´m na disketa´ch, je vsˇak podstatneˇ delsˇ´ı nezˇ u soucˇasny´ch novy´ch disku˚. Na rozdı´l od magneticky´ch nosicˇu˚, nemajı´ opticka´ zarˇ´ızenı´ mechanickou cˇtecı´ a za´znamovou hlavu. Cˇtenı´ zaznamenany´ch dat probı´ha´ zpu˚sobem, kdy laser v prˇehra´vacˇi CD snı´ma´ z povrchu disku zaznamenany´ vzor. Laser je umı´steˇn rovnobeˇzˇneˇ s povrchem disku, paprsek je na disk odra´zˇen zrcadlem prˇes dveˇ cˇocˇky. Fotodetektor pak meˇrˇ´ı intenzitu odrazˇene´ho sveˇtla. Laser nemu˚zˇe posˇkodit nosicˇ a na neˇm ulozˇena´ data, i pokud dojde k hava´rii mechanismu. Prˇi cˇtenı´ se paprsek odra´zˇ´ı od leskle´ho povrchu disku CD-ROM a nijak ho neposˇkodı´. Mechanismus laseru je od disku asi jeden milimetr. Protozˇe se nejedna´ o mechanicky´ princip, lze paprsek laseru velmi u´zce zaostrˇit na male´ plochy disku CD-ROM.
Obra´zek 4.6: Spira´lovita´ stopa
Opticke´ technologie jsou stabilneˇjsˇ´ı nezˇ magneticka´ zarˇ´ızenı´, protozˇe nemajı´ mechanicke´ hlavy, ktere´ by mohly havarovat a znicˇit me´dium. Opticky´ nosicˇ sa´m je me´neˇ citlivy´, na´chylny´ k mechanicke´mu posˇkozenı´, navı´c jej nelze ponicˇit pu˚sobenı´m magneticke´ho pole. Du˚lezˇite´ je take´ to, zˇe me´dia pro jeden za´pis CD-R vylucˇujı´ prˇepsa´nı´ nebo dokonce vymaza´nı´ du˚lezˇity´ch dat. Dalsˇ´ım rozdı´lem mezi pevny´m diskem a CD diskem je stopa, ktera´ ma´ na CD me´diu podobu spira´ly (obr.4.6). Z tohoto du˚vodu musı´ prˇehra´vacˇ meˇnit rychlost ota´cˇenı´ disku, aby zajistil sta´lou rychlost rotace (konstantnı´ linea´rnı´ rychlost - CLV - Constant Linear Velocity). Mechanika CD-ROM zacˇ´ına´ cˇ´ıst disk smeˇrem od vnitrˇnı´ch stop k vneˇjsˇ´ım. Mechanika se za´kladnı´ rychlostı´ (1x), se prˇi cˇtenı´ ota´cˇ´ı rychlostı´ 540ot/min, zatı´mco na okraji uzˇ jen rychlostı´ 212ot/min. Tı´mto zpu˚sobem se docı´lı´ konstantnı´ rychlostı´ cˇtenı´. Cˇasovy´ ko´d (ATIP) ma´ forma´t : minuta : sekunda : sektor Tato metoda je pomalejsˇ´ı nezˇ syste´m u pevny´ch disku˚: stopa : sektor Mechanika musı´ zaostrˇit laser na odhadnute´ pozice, nastavit rychlost ota´cˇenı´ disku dle informace o adrese, a pak teprve prˇecˇ´ıst data ze specifikovane´ho sektoru. 39
4.3. CD ROM Cˇtenı´ dat z CD me´dia probı´ha´ za pomocı´ laserove´ diody, ktera´ emituje infracˇerveny´ laserovy´ paprsek smeˇrem k pohyblive´mu zrca´tku. Na stopu, z ktere´ majı´ by´t cˇtena data, prˇesune servomotor zrca´tko na za´kladeˇ prˇ´ıkazu˚ z mikroprocesoru. Po dopadu paprsku na jamky a pevniny se sveˇtlo la´me a odra´zˇ´ı zpa´tky, kde je da´le zaostrˇova´no cˇocˇkou, nacha´zejı´cı´ se pod me´diem. Od cˇocˇky sveˇtlo procha´zı´ pohyblivy´m zrca´tkem, ktere´ je smeˇrova´no na opticky´ hranol. Ten odrazˇene´ sveˇtlo smeˇruje na dalsˇ´ı cˇocˇku. Poslednı´ cˇocˇkou cele´ soustavy dopada´ sveˇtlo na fotocitlivy´ senzor, jenzˇ prˇeva´dı´ sveˇtelne´ impulsy na elektricke´. Samotne´ elektricke´ impulsy jsou deko´dova´ny mikroprocesorem a prˇeda´ny do pocˇ´ıtacˇe ve formeˇ dat.
4.3.1 Cˇa´sti mechaniky CD-ROM Mechanika CD-ROM obsahuje cˇtyrˇi servomotory, optickou hlavu, ovla´dacı´ cˇip, dynamickou vyrovna´vacı´ pameˇt’a elektroniku pro deko´dova´nı´ signa´lu˚ a ˇr´ızenı´ procesu˚. Hlavnı´mi cˇa´stmi prˇi cˇtenı´ a ostrˇenı´ jsou: Laserova´ (opticka´) hlava Hlava je umı´steˇna na posuvne´m rameni. Ma´ svu˚j vlastnı´ zaostrˇovacı´ servomechanismus, ktery´ zaostrˇuje paprsek podle informacı´ z obvodu˚ kontroly zaostrˇenı´ prˇiblizˇneˇ na velikost jednoho pitu. U mechanik CD-ROM se pouzˇ´ıvajı´ polovodicˇove´ lasery (laserove´ diody). Vy´hodou laserovy´ch diod je pouzˇitı´ maly´ch mechanismu˚ a nı´zkonapeˇt’ove´ho napa´jenı´. Pro cˇtenı´ vystacˇ´ı laser s vy´konem 0,5mW. Pro za´pis uzˇ je potrˇeba vy´kon veˇtsˇ´ı - 4 azˇ 8mW pro jednoduchou rychlost, pro dvojna´sobnou je jizˇ trˇeba 8 10mW. Energie je trˇeba k dosazˇenı´ zmeˇny za´znamove´ho barviva. U CD-RW mechanik je nutny´ jesˇteˇ silneˇjsˇ´ı laser pro zmeˇnu fa´ze me´dia do amorfnı´ho stavu. Vy´kon se pohybuje okolo 20mW. Pro prˇechod do krystalicke´ho stavu nenı´ jizˇ zapotrˇebı´ tolik vy´konu, kolem 4 - 8mW. Laser u CD-RW mechanik prˇi za´znamu pulsuje, dle potrˇeby mezi vysˇsˇ´ım a nizˇsˇ´ım vy´konem, na rozdı´l od CD-R mechanik. Fotodetektor Zachycuje sveˇtlo odrazˇene´ od disku a prˇeva´dı´ jej na digita´lnı´ signa´l. Pokud se laser sˇpatneˇ zaostrˇ´ı, fotodetektor to rozpozna´ a vysˇle signa´l do obvodu˚ kontroly zaostrˇenı´ k provedenı´ potrˇebny´ch korekcı´. Pro monitorova´nı´ tvaru zachycene´ho sveˇtla na detektoru a opravu zaostrˇenı´, je fotodetektor rozdeˇlen na cˇtyrˇi cˇa´sti. Kruhova´ skvrna na detektoru vyvola´ shodny´ vy´stup ze vsˇech cˇtyrˇ kvadrantu˚. Vy´stupy detektoru jsou kombinova´ny do dvou pa´ru˚. Tyto vy´stupnı´ pa´ry jsou pote´ porovna´va´ny v kompara´toru. Pokud jsou si vsˇechny vy´stupy rovny, je na vy´stupu kompara´toru napeˇtı´ 0V. To indikuje spra´vne´ zaostrˇenı´, nenı´ prova´deˇna zˇa´dna´ korekce. Servomechanismus Zarˇ´ızenı´, ktere´ prova´dı´ mechanicky´ posun po velmi maly´ch krocı´ch na za´kladeˇ elektricke´ho signa´lu. CD mechanika potrˇebuje cˇtyrˇi serva pro ota´cˇenı´ disku, zaostrˇova´nı´ paprsku, vyhleda´va´nı´ stop a sledova´nı´ stop. • Servo pro ota´cˇenı´ disku - z du˚vodu rozdı´lne´ hustoty za´znamu na stopeˇ CD, ktere´ je zpu˚sobeno nahra´va´nı´m dat konstantnı´ obvodovou rychlostı´, musı´ by´t rychlost ota´cˇenı´ mensˇ´ı prˇi cˇtenı´ u strˇedu CD, zatı´mco smeˇrem k okraji se zvysˇuje. Cˇtecı´ hlava jde po pru˚meˇru disku azˇ narazı´ na korekcˇnı´ stopu. Pak cˇeka´ azˇ prˇecˇte korekcˇnı´ sektor. Po kazˇde´ takove´to operaci se musı´ servo, rˇ´ıdı´cı´ ota´cˇenı´ disku, synchronizovat podle jednotlive´ho korekcˇnı´ho sektoru. 40
4.3. CD ROM • Zaostrˇovacı´ servo - zajisˇt’uje redukci zaostrˇenı´ paprsku pohybem, nahoru a dolu˚ k pohybu ota´cˇenı´ CD. Pouzˇ´ıva´ dveˇ cˇocˇky - norma´lnı´ a cylindrickou. Cˇocˇky vytvorˇ´ı na detektoru jedinecˇny´ vzorek v tom prˇ´ıpadeˇ, zˇe je laserovy´ paprsek dobrˇe zaostrˇen. Norma´lnı´ cˇocˇka je zakrˇivena podle sve´ vertika´lnı´ i horizonta´lnı´ osy, zaostrˇuje procha´zejı´cı´ paralelnı´ paprsky do jedine´ho bodu. Cylindricka´ cˇocˇka je zakrˇivena´ pouze podle sve´ horizonta´lnı´ osy. Sveˇtlo procha´zı´ postupneˇ norma´lnı´ cˇocˇkou, pak cˇocˇkou cylindrickou. Po pru˚chodu sveˇtla cˇocˇkou norma´lnı´, nenı´ sveˇtlo zaostrˇeno. Jakmile projde cylindrickou cˇocˇkou, vznikne prˇed detektorem vertika´lnı´ sveˇtelna´ cˇa´ra. • Servo pro vyhleda´va´nı´ stop - umozˇnˇuje pohyb hlavy dovnitrˇ a ven. Prˇi blı´zke´m hleda´nı´ se pohybuje hlava relativneˇ pomalu, z du˚vodu pocˇ´ıta´nı´ prosˇly´ch stop. Prˇi vzda´lene´m vyhleda´va´nı´ se hlava mu˚zˇe pohybovat rychleji a nestı´ha´ tak pocˇ´ıtat stopy. Mı´sto toho se pocˇ´ıta´ cˇas potrˇebny´ k prˇesunu, a prˇesun se provede pro urcˇeny´ cˇas. Pak se zastavı´ a prˇecˇte data pro zjisˇteˇnı´, kde se zrovna nacha´zı´. Podle toho se pak donastavı´. Ke konecˇne´mu nalezenı´ hledane´ stopy mu˚zˇe ve´st i neˇkolik takovy´ch kroku˚. • Servo pro sledova´nı´ stop - ma´ za u´kol sta´le udrzˇovat laserovy´ paprsek na datove´ stopeˇ. Jednou z metod pro sledova´nı´ stopy je metoda roztrojene´ho paprsku. Mechanika vysı´la´ trˇi paralelnı´ sveˇtelne´ svazky, ktere´ vznikly rozdeˇlenı´m laserove´ho paprsku prˇes mrˇ´ızˇku. Dva paprsky, ktere´ nesledujı´ stopu, jsou odrazˇeny mimo, zatı´mco trˇetı´ prˇena´sˇejı´cı´ datovou informaci, se vracı´ k fotocitlive´mu snı´macˇi. Servo se snazˇ´ı docı´lit u dvou paprsku˚ konstantnı´ho signa´lu, cˇ´ımzˇ si udrzˇ´ı paprsek laseru sta´le ve stopeˇ.
4.3.2 Charakteristiky CD-ROM Rychlost CD mechanik Me´dia CD byla pu˚vodneˇ vyrobena za u´cˇelem za´znamu zvuku. Proto byly mechaniky CD sestrojeny tak, aby rychlost cˇtenı´ dat byla sta´le stejna´. Z toho du˚vodu jsou zvukova´ CD nahra´va´na metodou CLV. Data se cˇtou stejnou rychlostı´ 1,3m/s. Jenzˇe stopa ma´ podobu spira´ly a poblı´zˇ strˇedu ma´ jiny´ pru˚meˇr nezˇ na okraji. Proto take´ rychlost ota´cˇenı´ mechaniky je promeˇnna´. Mechanika, cˇtoucı´ data rychlostı´ 1x, se u strˇedu ota´cˇ´ı rychlostı´ 540ot/min, zatı´mco u konce stopy je rychlost ota´cˇenı´ pouhy´ch 212ot/min. Z du˚vodu zvysˇova´nı´ na´roku˚ na vy´kon mechanik, zacˇali vy´robci zvysˇovat rychlost ota´cˇenı´. Mechaniky ota´cˇejı´cı´ se dvojna´sobnou rychlostı´ se oznacˇujı´ symbolem 2x, cˇtyrˇna´sobnou 4x, apod. Tento zpu˚sob vyhovoval do te´ doby, nezˇ se narazilo na 12x rychlostnı´ mechaniky, rozmezı´ ota´cˇek 2568 azˇ 5959ot/min. Dalsˇ´ı zvysˇova´nı´ vy´konu prˇi zachova´nı´ konstantnı´ obvodove´ rychlosti jizˇ nebylo mozˇne´. Z toho du˚vodu byla na trh uvedena mechanika, ota´cˇejı´cı´ se konstantnı´ u´hlovou rychlostı´ CAV. CAV (Constant Angular Velocity) mechaniky jsou tisˇsˇ´ı nezˇ mechaniky CLV. U CAV nenı´ trˇeba, aby pohon mechanik rychle akceleroval nebo deceleroval. Existujı´ i mechaniky kombinujı´cı´ technologii CAV a CLV, oznacˇujı´ se P-CAV. U vypalovacˇek se za´znam prova´dı´ v rezˇimu CLV, zatı´mco prˇi cˇtenı´ dat jsou mechaniky prˇepnuty do rezˇimu CAV. Prˇenosova´ rychlost Jedna´ se o usta´lenou rychlost mechaniky roztocˇenou na plnou rychlost ota´cˇenı´ a po najetı´ na pozˇadovane´ mı´sto. Urcˇuje, s jakou rychlostı´ mu˚zˇe mechanika cˇ´ıst velke´ soubory. Prˇenosova´ rychlost je uda´va´na jako na´sobek za´kladnı´ prˇenosove´ rychlosti. Za´kladnı´ prˇenosova´ rychlost u CD-ROM mechanik je 153,6KB/s. Vsˇechny rychlejsˇ´ı mechaniky nezˇ 12x, pouzˇ´ıvajı´ technologii CAV. Maxima´lnı´ uda´vane´ prˇenosove´ rychlosti je pak mozˇno dosa´hnout pouze prˇi cˇtenı´ na okraji CD me´dia. 41
4.3. CD ROM Prˇ´ıstupova´ doba Meˇrˇ´ı se stejneˇ jako u pevny´ch disku˚. Doba se uda´va´ v milisekunda´ch, je da´na zpozˇdeˇnı´m mezi prˇijetı´m prˇ´ıkazu pro cˇtenı´ a okamzˇite´m nacˇtenı´ prvnı´ho bitu dat. Prˇ´ıstupova´ doba u mechanik s prˇenosovou rychlostı´ 32x azˇ 52x je 85ms azˇ 75ms, u neˇktery´ch mechanik i me´neˇ (u pevny´ch disku˚ se pohybuje okolo 8ms). Jedna´ se o pru˚meˇrnou prˇ´ıstupovou dobu, vypocˇtenou na za´kladeˇ neˇkolika na´hodny´ch cˇtenı´ z disku. Ko´dova´nı´ dat Jakmile jsou data pro za´pis na disk prˇipravena, prˇedajı´ se dekode´ru. Ten data zpracuje metodou EFM (Eight to Fourteen Modulation). Prˇi ko´dova´nı´ docha´zı´, jak uzˇ na´zev metody napovı´da´, k prˇeko´dova´nı´ ze zobrazenı´ 256 hodnot do 8 bitu˚, do zobrazenı´ 256 hodnot do 14 bitu˚. Toto ko´dova´nı´ a deko´dova´nı´ je prova´deˇno pomocı´ ko´dovacı´ tabulky, ktera´ je ulozˇena v kazˇde´ mechanice CD-ROM v pameˇti ROM. Konverznı´ ko´dy jsou navrzˇeny tak, aby nikdy nenastala situace, kdy po sobeˇ na´sleduje vı´ce nezˇ 10 logicky´ch hodnot 0. Za´rovenˇ ale platı´, zˇe se logicka´ 0 nemu˚zˇe nikdy vyskytovat sama, vzˇdy obsahuje alesponˇ dveˇ nuly za sebou. Prˇedejde se tak ukla´da´nı´ dlouhy´ch rˇeteˇzcu˚ nul. Dalsˇ´ım cı´lem je omezenı´ minima´lnı´ a maxima´lnı´ frekvence pocˇtu prˇechodu˚, vytva´rˇene´ na me´diu. Platı´ tedy, zˇe minima´lnı´ pocˇet nul je veˇtsˇ´ı nezˇ 2 a me´neˇ nezˇ 10 logicky´ch. Minima´lnı´ vzda´lenost mezi dveˇma logicky´mi 1 je pak 3 cˇasove´ intervaly, ktere´ se oznacˇujı´ jako 3T, a maxima´lnı´ 11 cˇasovy´ch intervalu˚, 11T. Protozˇe bity procha´zı´ k dekode´ru prˇeva´deˇcı´m kana´lem, nazy´va´ se obraz skutecˇny´ch bitu˚ „kana´love´ bity“ (channel bits). Vlivem pouzˇite´ vlnove´ de´lky sveˇtla pro cˇtecı´ laser, je nejmensˇ´ı pru˚beˇzˇna´ vzda´lenost 3T. Maxima´lnı´ cˇasovy´ interval 11T je z du˚vodu cˇasova´nı´ datove´ho toku z CD, podle ktere´ho mechanika rˇ´ıdı´ ota´cˇenı´ disku tak, aby byla zajisˇteˇna konstantnı´ obvodova´ rychlost. Secˇtenı´ 3T a 11T channel bitu˚ da´va´ vy´sledek 14 channel bitu˚. Z fyzika´lnı´ch du˚vodu˚ nenı´ mozˇne´, aby za sebou byly dveˇ logicke´ 1. Jenzˇe pokud za sebou pu˚jdou dva 14 bitove´ ko´dy, z nichzˇ jeden bude koncˇit jednicˇkou a druhy´ zacˇ´ınat logickou 1, mu˚zˇe tento stav nastat. Proto se mezi jednotliva´ slova vkla´dajı´ jesˇteˇ 3 propojovacı´ bity (merge bits). Tyto propojovacı´ bity obvykle obsahujı´ logicke´ 0, ale v prˇ´ıpadeˇ potrˇeby oddeˇlenı´ dlouhy´ch rˇeteˇzcu˚ logicky´ch 0, je mozˇne´ aby naby´valy logicky´ch 1. Jedno 8 bitove´ slovo je pak tvorˇeno 17 kana´lovy´mi bity. Kazˇdy´ byte je pak po prˇevodu tvorˇen 17 bity. Na zacˇa´tek kazˇde´ho ra´mce je navı´c prˇida´no synchronizacˇnı´ slovo o de´lce 24 bitu˚ a dalsˇ´ı 3 propojovacı´ bity. Pocˇet 98 ra´mcu˚ na jeden sektor vyna´sobeny´ velikostı´ ra´mce 588 bitu˚ (73,5 bytu˚), da´va´ velikost jednoho sektoru o kapaciteˇ 7203 bytu˚. Disk o de´lce 74 minut ma´ tak kapacitu kolem 2,4GB, z nı´zˇ pouhy´ch 682MB je urcˇeno pro vlastnı´ uzˇivatelska´ data. U zvukovy´ch me´diı´ je pro data v jednom sektoru urcˇeno celkem 2323 bytu˚ dat. V prˇ´ıpadeˇ datovy´ch me´diı´ se dalsˇ´ıch 304 bytu˚ vyuzˇ´ıva´ pro ulozˇenı´ identifikacˇnı´ch a synchronizacˇnı´ch bitu˚ a dat ko´du ECC a EDC. Proto lze u datove´ho CD do jednoho sektoru ulozˇit pouze 2048 bytu˚ dat. To znamena´ prˇenosovou rychlost 2048 ∗ 75 = 153600 bytu˚/s u jedno-rychlostnı´ch mechanik. Zpracova´nı´ chyb prˇi cˇtenı´ Data zaznamena´va´na na disk jsou prˇipravena tak, aby se dala prˇ´ıpadneˇ opravit. Chyby se mohu vyskytnout prˇi posˇkra´ba´nı´ povrchu disku, necˇistotami, prachem, nepravidelnostmi v polykarbona´tove´ vrstveˇ. CD me´dia vyuzˇ´ıvajı´ pro kontrolu chyb a jejich prˇ´ıpadnou opravu kontrolu parity spojenou s prokla´da´nı´m. Tento mechanismus se nazy´va´ CIRC (Gross Interleaved Reed Salomon Code). Je implementova´n do veˇtsˇiny audio a CD-ROM prˇehra´vacˇu˚. CIRC je samoopravny´ ko´d, pracuje na u´rovni jednotlivy´ch ra´mcu˚. Prˇi ukla´da´nı´ je prvnı´ch 24 bytu˚ ra´mce prˇeda´no do kode´ru CIRC. Ten vytvorˇ´ı dalsˇ´ı cˇtyrˇi byty paritnı´ho ko´du Q, ktere´ se prˇidajı´ k pu˚vodnı´m 24 bytu˚m. K vy´sledny´m 32 bytu˚m 42
4.3. CD ROM se prˇida´ 1 byte subko´du. Posˇkozenı´ sousednı´ch ra´mcu˚ je da´le minimalizova´no tı´m, zˇe cˇa´sti ra´mcu˚ jsou ukla´da´ny s prokla´da´nı´m. U zvukovy´ch me´diı´ doka´zˇe CIRC opravit chyby o maxima´lnı´ de´lce 3847 bitu˚, cozˇ odpovı´da´ 2,6mm de´lce stopy. U zvukovy´ch CD lze tento ko´d vyuzˇ´ıt i ke skrytı´, interpolaci, dalsˇ´ıch chyb, jenzˇ majı´ de´lku azˇ 13282 bitu˚, 8,9mm de´lky stopy. Interpolace je zde proces vy´pocˇtu chybeˇjı´cı´ch dat na za´kladeˇ jejich zna´my´ch pru˚meˇrny´ch nebo okamzˇity´ch hodnot. Vypocˇtena´ data se pouzˇijı´ k nahrazenı´ dat chybeˇjı´cı´ch cˇi posˇkozeny´ch. Velikost za´sobnı´ku nebo pameˇti Cache Za´sobnı´ky umozˇnˇujı´ ukla´da´nı´ nacˇteny´ch dat prˇed jejich odesla´nı´m do PC. Velikost za´sobnı´ku u mechanik umozˇnˇujı´cı´ch za´pis by´va´ 2 azˇ 4MB.
4.3.3 Rozhranı´ U jednotek CD se mu˚zˇeme setkat s rozhranı´mi IDE, SCSI, ATA/ATAPI, USB, FireWire nebo se prˇipojujı´ prˇes zvukove´ karty nebo paralelnı´ port. Od roku 1997 take´ pomocı´ rozhranı´ SDX Storage data Acceleration. IDE Starsˇ´ı jednotky IDE se proda´valy se specia´lnı´ rˇadicˇovou kartou, protozˇe ru˚znı´ vy´robci meˇli ru˚zna´ rozhranı´. Prˇes zvukovou kartu Prˇi prˇipojenı´ jednotky CD prˇes zvukovou kartu, byla vy´robci rˇesˇena ru˚zny´mi rozhranı´mi s integrovany´mi konektory. Pokud nenı´ kupova´n cely´ kit, nastane proble´m prˇi spojenı´ zvukove´ karty s CD (nenormalizovane´ konektory). ATA/ATAPI Rozsˇ´ırˇenı´ standardnı´ho ATA pro prˇipojenı´ pevny´ch disku˚. ATAPI zobecnilo rozhranı´ tak, zˇe se disky obejdou bez zvla´sˇtnı´ch karet. Pak je ale nutne´ zapojit CD jako slave disk, kdezˇto hard disk jako master. Pokud je CD jako trˇetı´ disk, pak se musı´ pouzˇ´ıt druha´ karta rˇadicˇe, nakonfigurovana´ jako sekunda´rnı´ rˇadicˇ. Tento proble´m je vyrˇesˇen u EIDE rˇadicˇu˚. Prˇipojenı´ prˇes klasicky´ 40ti pinovy´ IDE konektor. SCSI SCSI rˇadicˇe jsou vy´hodne´, kde se pocˇ´ıta´ s vı´ce disky (sedm azˇ patna´ct). Tento rˇadicˇ odstranˇuje take´ proble´my s prˇipojenı´m na operacˇnı´ syste´my OS2 nebo Unix. Komunikaci mezi jednotlivy´mi zarˇ´ızenı´mi a hostitelsky´m adapte´rem pak zprostrˇedkova´va´ standardnı´ softwarove´ rozhranı´, oznacˇovane´ ASPI. USB Prˇes USB port se prˇipojujı´ veˇtsˇinou externı´ jednotky CD-ROM. Velkou vy´hodou je mozˇnost prˇipojenı´ jednotky za beˇhu syste´mu, jsou rychle´ a snadno se nastavujı´. U rozhranı´ USB verze 1.1 umozˇnˇuje prˇenos dat rychlostı´ 1145 azˇ 1200KB/s. USB 2.0 podporuje prˇenosovou rychlost azˇ 60MB/s.
43
4.3. CD ROM FireWire Vysoce vy´konne´ rozhrannı´, prˇedevsˇ´ım pro prˇenos videa. Rozhranı´ vyvinute´ firmou Apple, proto nenı´ prˇ´ılisˇ vhodne´ pro klasicka´ PC. Je optima´lnı´ pouze v prˇ´ıpadeˇ kombinacı´ dvou operacˇnı´ch syste´mu˚ Windows a MacOS, nebo prˇida´nı´m rozsˇirˇujı´cı´ karty s teˇmito porty. SDX Storage data Acceleration SDX Storage data Acceleration, je prˇipojenı´ CD disku prˇ´ımo na pevny´ disk (pozdeˇji i dalsˇ´ıch zarˇ´ızenı´) pomocı´ 10ti (2x5) pinove´ho konektoru. CD je prˇipojen prˇes vnitrˇnı´ 133MB buffer (vyhrazena´ cˇa´st na pevne´m disku) na rychly´ disk. Pro BIOS je pevny´ disk zapojen jako master, CD jako rychly´ slave. Na pozici slave u tohoto IDE portu uzˇ ale nejde napojit jine´ zarˇ´ızenı´. Prˇipojenı´m prˇes buffer na rychly´ IDE zrychlı´ i cˇinnost CD u neˇktery´ch programu˚. Rychlost prˇenosu je pak limitova´na rychlostı´ mezi diskem a periferii a to na 8,62MB/s (cozˇ odpovı´da´ mechanice s 32na´sobnou rychlostı´). Pro Ultra DMA to je rychlost 33MB/s. SDX urychluje zejme´na aplikace beˇzˇ´ıcı´ v rea´lne´m cˇase.
4.3.4 Forma´ty CD-ROM Postupem cˇasu byly vyvinuty forma´ty definujı´cı´ pravidla pro za´pis. Pro uzˇivatele PC jsou nejdu˚lezˇiteˇjsˇ´ı Cˇervena´ a Zˇluta´ kniha. Celkem existuje osm forma´tu˚. Cˇervena´ kniha (Red Book) byla vytvorˇena jako prvnı´ firmou Philips a Sony, ta pak byla prˇevzata i noveˇjsˇ´ımi standardy. Vsˇechny noveˇjsˇ´ı standardy vlastneˇ jen urcˇujı´ zpu˚sob, jak vyuzˇ´ıt 2352 bytu˚ v kazˇde´m sektoru, typy dat, ktere´ lze do nich ulozˇit, zpu˚sob jejich forma´tova´nı´ apod. Red Book - CD-DA Nejstarsˇ´ı, pu˚vodnı´ standard mechanik a me´diı´ CD. Urcˇuje za´kladnı´ fyzicke´ parametry me´dia, technologii detekce a opravy chyb,specifikaci opticke´ technologie pouzˇ´ıvane´ pro cˇtenı´, syste´m ˇr´ızenı´, specifikaci zaznamena´vane´ho zvuku apod. Yellow Book - CD-ROM Standard prˇevzaty´ ze za´kladnı´ch parametru˚ cˇervene´ knihy. Jsou zde prˇida´ny nove´ mechanismy detekce a opravy chyb, umozˇnˇujı´cı´ vyuzˇ´ıt CD me´dia pro spolehlivy´ za´znam dat. Tento standard take´ definuje synchronizacˇnı´ informace a hlavicˇky sektoru˚, ktere´ slouzˇ´ı k prˇesneˇjsˇ´ımu vyhleda´va´nı´ jednotlivy´ch sektoru˚ na me´diu. Zˇluta´ kniha ma´ dveˇ ru˚zne´ varianty sektoru˚, Mode1 a Mode2. Rozdı´l spocˇ´ıva´ prˇedevsˇ´ım ve vyuzˇ´ıva´nı´ mechanismu kontroly a opravy chyb. Firmy vytva´rˇejı´cı´ tento standard totizˇ vycha´zely z toho, zˇe neˇktere´ pocˇ´ıtacˇove´ soubory nesmı´ obsahovat chyby, zatı´mco prˇi cˇtenı´ neˇktery´ch jiny´ch dat jsou mensˇ´ı chyby prˇ´ıpustne´. Prˇi pouzˇitı´ mechanismu s mensˇ´ı kontrolou a opravou chyb lze pak zvy´sˇit vyuzˇitelnou kapacitu me´dia. CD-ROM XA Doplneˇk standardu Yellow book. Definice tohoto standardu byla reakcı´ na potrˇebu pohodlneˇ mı´chat na jednom CD programova´, zvukova´ a obrazova´ data. Tento standard ma´ vyuzˇitı´ zejme´na pro multime´dia. CD-ROM XA tedy rozsˇirˇuje zˇlutou knihu o trˇi za´kladnı´ vlastnosti. Rozsˇ´ırˇene´ forma´ty sektoru˚, prokla´da´nı´ a ADPCM komprese pro zvuk. Prokla´da´nı´m je zde mysˇleno strˇ´ıdave´ ukla´da´nı´ sektoru˚ obsahujı´cı´ch video nebo zvuk. Z tohoto du˚sledku jsou za kazˇdou identifikacˇnı´ znacˇkou sektoru informace,
44
4.3. CD ROM urcˇujı´cı´ zda se jedna´ o grafiku, text, cˇi zvuk. ADPCM (adaptive differential pulse code modulation) je norma pro kompresi zvukovy´ch dat, ve veˇtsˇineˇ prˇ´ıpadeˇ v pomeˇru 4:1. CD-ROM tak musı´ umeˇt spra´vneˇ vyslat do reproduktoru˚ zvukovy´ signa´l spra´vneˇ deko´dovany´ a komprimovany´. Green Book - CD-i Forma´t vyuzˇ´ıva´ stejny´ forma´t sektoru˚ jako CD-ROM/XA, navı´c ale obsahuje video sekvence ko´dovane´ pomocı´ MPEG. Nabı´zı´ rˇadu interaktivnı´ch operacı´, naprˇ. prˇepı´na´nı´ z jednoho beˇzˇ´ıcı´ho filmu do jine´ho. Me´dia v tomto forma´tu nelze prˇehra´vat v pocˇ´ıtacˇi. Orange Book - CD-R, CD-RW Popisuje forma´t pro zapisovatele´ CD. Za´pis mu˚zˇe probı´hat najednou, kde se data zapı´sˇou na disk v jedine´ neprˇerusˇovane´ sekvenci (single session), nebo postupneˇ v neˇkolika za´znamech (multissesion). White Book - Video CD Tento standard vycha´zı´ z Green Book a CD-ROM XA. Definuje me´dium o kapaciteˇ 74 minut, na ktere´ lze nahra´t hudbu komprimovanou algoritmem ADPCM, a video ulozˇene´ v kompresi MPEG-1. Tato me´dia lze povazˇovat za levneˇjsˇ´ı variantu DVD. Blue Book - CD EXTRA Rozsˇ´ırˇenı´ standardu CD-DA. Me´dia v tomto forma´tu umozˇnˇujı´ prˇehra´t hudbu ve standardnı´m CD prˇehra´vacˇi a cˇ´ıst data v pocˇ´ıtacˇi. CD EXTRA me´dia obsahujı´ dveˇ sekce. Prvnı´ je zvukova´, ktera´ je tvorˇena azˇ 98 stopami standardu Red Book. Druha´ datova´, sesta´va´ ze sektoru˚ standardu˚ CD-ROM XA.
45
4.4. DVD
4.4 DVD O DVD (Digital Versatile Disc - univerza´lnı´ digita´lnı´ disk) me´diu se da´ rˇ´ıci, zˇe je vysokokapacitnı´m CD. Dı´ky kompatibiliteˇ lze v mechanika´ch DVD-ROM cˇ´ıst i vsˇechna me´dia CD-ROM. Proti klasicky´m CD ma´ DVD zvy´sˇenou kapacitu, danou prˇedevsˇ´ım zvy´sˇenı´m frekvence sveˇtelne´ho paprsku, jine´ ostrˇenı´ i zpu˚sob ko´dova´nı´ dat. Aby bylo mozˇne´ na disk o rozmeˇrech klasicke´ho CD me´dia nahra´t veˇtsˇ´ı mnozˇstvı´ dat, pouzˇ´ıva´ se laser ve viditelne´m spektru. Jeho barva je cˇervena´ o vlnove´ de´lce 650nm. Mechaniky DVD vsˇak mohou mı´t proble´my i s kompatibilitou, prˇedevsˇ´ım prˇi cˇtenı´ me´diı´ typu CD-R a CD-RW. Prˇ´ıcˇinou je pouzˇite´ barvivo v za´znamove´ vrstveˇ. Odrazivost barviv silneˇ za´visı´ na vlnove´ de´lce laserove´ho sveˇtla, pouzˇite´ho pro cˇtenı´. Prˇi pouzˇitı´ sveˇtla o vlnove´ de´lce 780nm, ktere´ se pouzˇ´ıva´ u standardnı´ch mechanik CD-RW, je odrazivost vysoka´. Sveˇtlo o vlnove´ de´lce 650nm, pouzˇ´ıvane´ u DVD mechanik, ma´ odrazivost vy´razneˇ nizˇsˇ´ı. Rˇesˇenı´m je pouzˇitı´ dvou ru˚zny´ch diod, kazˇde´ o vyzarˇovane´m sveˇtle jine´ vlnove´ de´lky. Tento standard se nazy´va´ MultiRead a MultiRead2 definovany´ organizacı´ OSTA (Optical Storage Technology Association). Kapacita DVD se pohybuje od 4,7GB u jednostranny´ch jednovrstvy´ch me´diı´ do 17,1GB u dvouvrstvy´ch oboustranny´ch me´diı´. Obvodova´ rychlost me´dia v DVD-ROM CAV mechanice s 20x rychlostı´, dosahuje hodnot azˇ 251km/hod. Rozhranı´ pouzˇ´ıvana´ u DVD mechanik jsou stejna´, jako u mechanik CD-ROM.
4.4.1 Charakteristiky DVD mechanik Charakteristiky jsou obdobne´ jako u CD-ROM mechanik s neˇkolika rozdı´ly. Rychlost DVD mechanik U veˇtsˇiny DVD me´diı´ jsou data zaznamena´va´na s konstantnı´ obvodovou rychlostı´ CLV. U jednorychlostnı´ch mechanik je tato rychlost 3,49m/s, u dvouvrstvy´ch disku˚ 3,84m/s. Poblı´zˇ strˇedu se mechanika ota´cˇ´ı rychleji. Rozmezı´ rychlosti ota´cˇenı´ me´dia v mechanice je od 1515ot/min (blı´zˇe strˇedu) azˇ 570ot/min (na okraji). Prˇenosova´ rychlost Za´kladnı´ prˇenosova´ rychlost u DVD-ROM mechanik je 1,385MB/s ( u CD-ROM 153,6KB/s). Vzhledem ke kompatibiliteˇ CD a DVD, se u DVD mechanik uva´deˇjı´ dveˇ hodnoty prˇenosovy´ch rychlostı´, z nichzˇ druha´ uva´dı´ rychlost prˇi cˇtenı´ CD me´diı´. Prˇ´ıstupova´ doba Protozˇe cˇtenı´ DVD me´diı´ vyzˇaduje prˇesneˇjsˇ´ı nava´deˇnı´ laserove´ho paprsku, platı´ zˇe prˇ´ıstupova´ doba pro cˇtenı´ dat z DVD by´va´ o 10 azˇ 20ms delsˇ´ı nezˇ prˇi cˇtenı´ z CD me´dia. Ko´dova´nı´ dat Stopa na disku DVD me´dia je rozdeˇlena do cˇasovy´ch intervalu˚. Platı´, zˇe jamka nebo pevnina je dlouha´ minima´lneˇ 3T a maxima´lneˇ 11T. Jamka de´lky 3T je posloupnost bitu˚ 1001, jamka de´lky 11T je bitova´ posloupnost 100000000001. Data se prˇed ukla´da´nı´m na disk transformujı´ modulacı´ 8 na 16 (u CD disku modulace 8 na 14), oznacˇuje se EFM+. Na rozdı´l od CD se prˇi spojova´nı´ jednotlivy´ch znaku˚ nepouzˇ´ıva´ propojovacı´ rˇeteˇzec, proto je metoda EFM+ efektivneˇjsˇ´ı. 46
4.4. DVD Zpracova´nı´ chyb prˇi cˇtenı´ Metody pouzˇ´ıvane´ pro detekci a kontrolu chyb prˇi za´znamu DVD jsou podstatneˇ efektivneˇjsˇ´ı, nezˇ mechanismy pouzˇ´ıvane´ u CD. Navı´c u CD za´visı´ u´rovenˇ detekce a opravy chyb na obsahu za´znamu, zda-li obsahuje data, video nebo za´znam zvuku. U DVD je kontrola chyb prova´deˇna u vsˇech sektoru˚ stejneˇ. Za´kladnı´ kontrola je prova´deˇna na u´rovni ECC ra´mce. K datove´mu ra´mci se prˇida´va´ vneˇjsˇ´ı sloupcova´ a vnitrˇnı´ rˇa´dkova´ parita. Informace z datove´ho ra´mce jsou rozdeˇleny na 12 rˇa´dku˚, obsahujı´cı´ch 172 bytu˚. Pomocı´ polynomia´lnı´ rovnice se pak pro kazˇdy´ rˇa´dek vypocˇ´ıta´ 10 bytu˚ vnitrˇnı´ parity. De´lka rˇa´dku˚ tak vzroste na 182 bytu˚. Pote´ za pomocı´ podobne´ polynomia´lnı´ rovnice je vypocˇ´ıta´n pro kazˇdy´ sloupec 1 byte (rˇa´dek) vneˇjsˇ´ı parity. Vy´sledna´ matice ma´ rozmeˇry 13 na 182 bytu˚. Na DVD se take´ prˇi za´pisu prˇesouvajı´ bity v jednotlivy´ch ra´mcı´ch a neˇktere´ ECC ra´mce jsou prokla´da´ny. Zabra´nı´ se tı´m, aby jeden sˇkra´banec na nosicˇi dat posˇkodil navazujı´cı´ oblasti dat.
4.4.2 Typy mechanik umozˇnˇujı´cı´ch za´pis Mezi prvnı´mi byly mechaniky DVD-RAM a DVD-R. Pozdeˇji prˇibyl standard DVD-RW. Standardy DVD+R a DVD+RW byly vy´sledkem vzniku nove´ organizace, zaby´vajı´cı´ se vy´vojem pro opticky´ za´znam. Du˚vodem vzniku byla nespokojenost s prˇedchozı´mi standardy, proto je mezi uvedeny´mi forma´ty omezena vza´jemna´ komptabilita. Zatı´m je DVD+RW mechanika s nejveˇtsˇ´ı kompatibilitou se vsˇemi mozˇny´mi druhy me´diı´. Mechaniky DVD-RAM Umozˇnˇujı´ prˇepis dat, jsou zalozˇeny na technologii zmeˇn struktury podobneˇ jako u mechanik CD-RW. Ne vsˇechna me´dia tohoto typu jsou cˇitelna´ v mechanika´ch DVD-ROM, z du˚vodu nı´zke´ odrazivosti me´dia a jine´ho forma´tu. Mechaniky DVD-ROM schopne´ cˇ´ıst tato me´dia majı´ oznacˇenı´ MultiRead2. Za´pis lze prova´deˇt pouze v jedne´ vrstveˇ. Na trhu existujı´ jednostranna´ a dvoustranna´ me´dia o velikostech 2,6GB, 4,7GB a 5,2GB, 9,4GB. Za´pis je prova´deˇn do zvlneˇny´ch pevnin a dra´zˇek obdobneˇ jako u me´diı´ CD-RW. Data se zapisujı´ jak do pevnin, tak i do samotny´ch dra´zˇek, ty jsou na me´dium vytvorˇeny jizˇ v pru˚beˇhu vy´roby. Beˇhem vy´roby jsou do me´dia take´ vylisova´ny specia´lnı´ jamky hlavicˇek sektoru˚. Vlneˇnı´ dra´zˇky je z du˚vodu spra´vne´ho cˇasova´nı´ mechaniky. Oboustranna´ me´dia jsou uzavrˇena ve specia´lnı´ch pouzdrech. Mechaniky DVD-R Mechaniky DVD-R umozˇnˇujı´ jednora´zovy´ za´pis na me´dia tohoto typu. Me´dia lze pak prˇehra´vat v mechanika´ch DVD-ROM. Kapacita jednostranny´ch me´diı´ je 4,7GB a 9,4GB u oboustranny´ch. Za´pis je stejneˇ jako u DVD-RAM prova´deˇn do zvlneˇny´ch dra´zˇek, ale data jsou ukla´da´na pouze do dra´zˇek vytvorˇeny´ch na me´diu prˇi jeho vy´robeˇ. Roztecˇ dra´zˇek je mensˇ´ı nezˇ u me´diı´ DVD-RAM. Mechaniky DVD-RW Za´pis dat vyuzˇ´ıva´ zmeˇn struktury podobneˇ jako u DVD-RAM s tı´m rozdı´lem, zˇe me´dia jsou analogicka´ s teˇmi, ktere´ se pouzˇ´ıvajı´ v mechanika´ch DVD-R. Forma´t je kompatibilnı´ te´meˇrˇ se vsˇemi DVD-ROM mechanikami.
47
4.4. DVD Mechaniky DVD+RW Tento forma´t je obecneˇ nejvı´ce podporova´n softwarovy´mi firmami, zaby´vajı´cı´ se za´znamem dat na opticka´ me´dia. Mechaniky DVD+RW jsou kompatibilnı´ s me´dii DVD+R i DVD+RW, prˇicˇemzˇ DVD+RW umozˇnˇuje i prˇepis dat. Me´dia vytvorˇena´ v mechanika´ch DVD+RW, lze cˇ´ıst v mechanika´ch DVD-ROM. Kapacita jednostranny´ch disku˚ je 4,7GB, u dvoustranny´ch 9,4GB. Prˇi za´pisu dat na me´dium se pouzˇ´ıva´ laserovy´ paprsek o vlnove´ de´lce 650nm. Za´pis mu˚zˇe by´t prova´deˇn technologiı´ CAV i CLV. Navı´c mechaniky DVD+RW umozˇnˇujı´ pozastavenı´ za´znamu a na´sledne´ pokracˇova´ni v neˇm beze ztra´ty kapacity me´dia. Dı´ky tomu lze velmi prˇesneˇ nahradit ktery´koliv z datovy´ch bloku˚ o velikosti 32kB, cozˇ je nejmensˇ´ı za´znamova´ jednotka, blokem novy´m. Prˇesne´ cˇasova´nı´ a adresova´nı´ je u DVD+RW dosazˇeno vysˇsˇ´ı frekvencı´ stranovy´ch vy´chylek zvlneˇne´ dra´zˇky. Proto je mechanika schopna najı´t pozˇadovane´ mı´sto s prˇesnostı´ 1µm. Po vlozˇenı´ zapisovatelne´ho me´dia do mechaniky DVD+RW, je mozˇno te´meˇrˇ okamzˇiteˇ zapisovat, v du˚sledku rychle´ho forma´tova´nı´. To probı´ha´ v pozadı´ a je prova´deˇno prˇed tı´m, nezˇ jsou data do dane´ho mı´sta zapsa´na data.
48
Kapitola 5
Pameˇti magneto-opticke´ 5.1 Princip ukla´da´nı´ dat Magnetoopticky´ disk MO-CD kombinuje oba principy - magneticky´ i opticky´. V te´to souvislosti se cˇasto pouzˇ´ıva´ oznacˇenı´ termomagnetoopticky´ disk. Vyuzˇ´ıva´ se totizˇ loka´lnı´ zmeˇny magneticke´ orientace, vznikajı´cı´ za soucˇasne´ho pu˚sobenı´ tepla a elektromagneticke´ho pole. I tento proces je vratny´. Cˇocˇka objektivu
Laserovy paprsek Povrch disku
Smeˇr ota´cˇenı´
S Za´znamova´ vrstva N
Elektromagnet
Obra´zek 5.1: Za´znam dat u magnetoopticky´ch disku˚
Informace se na MO disk zaznamena´va´ magneticky prˇi soucˇasne´m oza´rˇenı´ dane´ho mı´sta vy´konny´m laserovy´m svazkem. Za´kladem MO disku je magneticka´ vrstva, jejı´zˇ Curieu˚v bod lezˇ´ı v okolı´ 180◦ . Curieu˚v bod je teplota, prˇi ktere´ la´tka prˇecha´zı´ z chova´nı´ feromagneticke´ho na chova´nı´ paramagneticke´. Magneticky´ stav la´tky paramagneticke´ se da´ zmeˇnit podstatneˇ slabsˇ´ım magneticky´m polem nezˇ stav la´tky feromagneticke´. Tohoto faktu se vyuzˇ´ıva´ prˇi za´znamu. Laserovy´ paprsek se zaostrˇ´ı do stopy o pru˚meˇru mensˇ´ım nezˇ jeden mikrometr a laserova´ dioda se prˇepne do vy´konove´ho rezˇimu. Dopadem svazku se osveˇtlene´ mı´sto ohrˇeje na teplotu prˇesahujı´cı´ Curieovu a magneticke´ pole za´znamove´ hlavy prˇemagnetuje ohrˇa´tou oblast do prˇ´ıslusˇne´ho smeˇru. Prˇestane-li laserovy´ paprsek na dane´ mı´sto pu˚sobit, dojde rychle k ochlazenı´ a tı´m i k prˇechodu magneticke´ vrstvy do stavu feromagneticke´ho. Vneˇjsˇ´ı magneticke´ pole za´znamove´ hlavy vsˇak jizˇ k prˇemagnetova´nı´ nestacˇ´ı, je prˇ´ılisˇ slabe´. Celou situaci 49
5.1. PRINCIP UKLA´DA´NI´ DAT ukazuje obra´zek 5.1. Cˇtenı´ dat (obr.5.3) je zalozˇeno na tzv. Kerroveˇ jevu (obr. 5.2). Spocˇ´ıva´ v tom, zˇe rovina polarizovane´ho sveˇtla odrazˇene´ho od magneticke´ho povrchu se otocˇ´ı ve smeˇru hodinovy´ch rucˇicˇek, nebo proti jejich smeˇru v za´vislosti na magneticke´ orientaci povrchu. Rychlost cˇtenı´ je obdobna´ jako u magneticky´ch disku˚. θk
−θk
Normalneˇ odrazˇeny´ paprsek 0◦
Vliv Kerrova jevu na odrazˇeny´ paprsek 0◦
Bitova´ oblast Obra´zek 5.2: Kerru˚v efekt Noveˇjsˇ´ı technologiı´ magnetoopticky´ch disku˚ je LIMDOW (Light Intensity Modulation Direct OverWrite od firmy Nicon) . Mechanizmus spocˇ´ıva´ v za´pisu a maza´nı´ ve dvou fa´zı´ch pomocı´ zmeˇny modulace laserove´ho paprsku. Aby se dosa´hlo soucˇasneˇ i magneticky´ch zmeˇn, vyzˇaduje tato metoda specia´lnı´ me´dium, ktere´ je slozˇeno z osmi velmi tenky´ch vrstev. Kazˇda´ vrstva je optimalizova´na pro pozˇadovanou optickou nebo magnetickou zmeˇnu. Data jsou uchova´va´na magnetizacı´ v pameˇt’ove´ vrstveˇ (Memory layer). Za´pisova´ vrstva (Writing Layer) rˇ´ıdı´ magnetizaci pameˇt’ove´ vrstvy prˇi za´pisu. Spra´vnou magnetizaci pameˇt’ove´ vrstvy zarucˇujı´ inicializacˇnı´ a prˇepı´nacı´ (initializing and switching) vrstva. Kazˇda´ vrstva ma´ takovou Curieho teplotu, aby byly vytvorˇeny podmı´nky pro generace za´pisu. Proces inicializace se jevı´ jako teplota pod Curieovy´m bodem prˇepı´nacı´ vrstvy (150◦ C). V te´ chvı´li za´pisova´ vrstva kopı´ruje magnetizaci inicializacˇnı´ vrstvy prostrˇednictvı´m vrstvy prˇepı´nacı´. Stav vysoke´ho vy´konu laseru se projevı´ jako teplota v blı´zkosti Curiehova bodu zapisovane´ vrstvy (260◦ C), kdy za´pisova´ vrstva je magnetizova´na vneˇjsˇ´ım polem. Stav nı´zke´ho vy´konu generuje teplotu blı´zko Curieova bodu pameˇt’ove´ vrstvy (210◦ C), kdy magnetizace za´pisove´ vrstvy je prˇenesena do pameˇt’ove´ vrstvy pomocı´ vy´meˇnne´ vazby. Prˇepı´nacı´ a za´pisova´ vrstva jsou v datove´ oblasti nastaveny automaticky do inicializacˇnı´ho stavu dı´ky inicializacˇnı´ vrstveˇ, kdy teplota cele´ho svazku vrstev klesa´ k Curieoveˇ teploteˇ prˇepı´nacı´ vrstvy. Jakmile za´pisovy´ sektor probeˇhne kolem opticke´ hlavy, laser je modulova´n ve dvou vy´konovy´ch u´rovnı´ch a tak dojde k za´pisu informacı´ na toto me´dium. Jak za´pis tak i cˇtenı´ je provedeno v dobeˇ jedne´ ota´cˇky. Kapacita je obvykle do 1,3GB, maxima´lneˇ 4,6GB. Novelizace te´to technologie probeˇhla v roce 1999 a je nazy´va´na LIMDOW MSR. Dalsˇ´ı technologiı´ je MO7, ktera´ je schopna konkurovat DVD disku˚m. Pouzˇ´ıva´ technologii fa´zovy´ch zmeˇn. Velikost disku˚ je stejna´ jako u DVD tj. 12cm. Kapacita disku je 6 azˇ 7GB.
50
5.2. ME´DIA PRO MAGNETOOPTICKY´ ZA´ZNAM
Dioda laseru Kolima´tor Analyza´tor
Linea´rneˇ polarizovany´ paprsek sveˇtla
Detektor
”0” ”1” Kerrova rotace
Polopropustne´ zrcadlo
Cˇocˇka objektivu
Za´znamova´ vrstva Obra´zek 5.3: Cˇtenı´ dat u magnetoopticky´ch disku˚
5.2 Me´dia pro magnetoopticky´ za´znam Slitina MnBi byla jednou z prvnı´ch studovany´ch materia´lu˚. Nevy´hodou te´to slitiny je velka´ Curieova teplota 360◦ C. Velmi dobre´ vy´sledky majı´ amorfnı´ slitiny vza´cny´ch zemin, oxidy s grana´tovou strukturou obsahujı´cı´ vizmut Bi zvysˇujı´cı´ zmeˇnu polarizace odrazˇene´ho paprsku. Tyto materia´ly se pru˚mysloveˇ nana´sˇejı´ ve formeˇ tenky´ch polykrystalicky´ch vrstev, naprˇ´ıklad naprasˇova´nı´m na pru˚hledne´ podlozˇky.
5.3 Magnetoopticke´ disky Existujı´ dveˇ standardnı´ velikosti me´diı´ pro magnetoopticky´ za´znam, a sice 3,5” a 5,25”. Disky o velikosti 3,5 palce majı´ maxima´lnı´ kapacitu 1,3GB, na veˇtsˇ´ı 5,25 palcove´ me´dia lze ulozˇit azˇ 5,2GB dat. U starsˇ´ıch verzı´ me´diı´ bylo mozˇno data ukla´dat pouze jednora´zoveˇ, nebylo mozˇno disk prˇemazat (WORM - Write Once Read Many). MO mechaniky jsou zkonstruova´ny tak, zˇe me´dium nenı´ v mechanice zabudova´no pevneˇ. Prˇed pouzˇitı´m se do mechaniky vkla´da´ podobneˇ jako disketa. Magneticke´ prvky cˇtecı´ a za´pisove´ hlavy jsou umı´steˇny z jedne´ strany disku a laserove´ prvky jsou umı´steˇny na straneˇ druhe´. Proto mechanika doka´zˇe zapisovat pouze na jednu stranu me´dia a pro ulozˇenı´ dat na druhou stranu je potrˇeba me´dium z mechaniky vyndat a otocˇit. Magnetoopticke´ disky jsou uza-
51
5.3. MAGNETOOPTICKE´ DISKY vrˇeny do plastikovy´ch pouzder, ktera´ je chra´nı´ prˇed mechanicky´m posˇkozenı´m. Za norma´lnı´ch teplot je magneticky´ povrch magnetoopticke´ho disku velmi stabilnı´ a umozˇnˇuje archivaci dat azˇ po dobu 30 let.
5.3.1 Geometrie disku Za´znam magnetoopticke´ho disku je podobneˇ jako u CD me´diı´ tvorˇen spira´lou. Disk se ota´cˇ´ı konstantnı´ rychlostı´. Stopa je rozdeˇlena na 25 sektoru˚ po 512B nebo 1024B.
5.3.2 Vy´konove´ charakteristiky Prˇenosova´ rychlost U me´diı´ 3,5 palcovy´ch s kapacitou 1,3GB je maxima´lnı´ prˇenosova´ rychlost azˇ 5,9MB/s. Me´dia 5,25” o velikosti 5,2GB majı´ prˇenosovou rychlost o neˇco nizˇsˇ´ı, a to 5,07MB/s prˇi cˇtenı´ a 2,48MB/s prˇi za´pisu. Oprava chyb Prˇi za´znamu se pouzˇ´ıva´ samoopravny´ ko´d, ktery´ doka´zˇe opravit shluky chyb o de´lce azˇ 40 byte. Tyto zabezpecˇovacı´ informace ovsˇem znamenajı´, zˇe z neforma´tovane´ kapacity disku je pro za´znam dat vyuzˇito jen jeho 70%.
5.3.3 Rozhranı´ Z pocˇa´tku byla velka´ nevy´hoda nutnost pouzˇ´ıt pro prˇipojenı´ rozhranı´ SCSI, ktere´ bylo drahe´ a meˇlo malou podporu operacˇnı´ch syste´mu˚ MS-DOS a Windows 3.x. V dnesˇnı´ dobeˇ jsou rozhranı´ SCSI podporova´ny operacˇnı´mi syste´my mnohem le´pe a jsou levneˇjsˇ´ı. Navı´c lze pouzˇ´ıt externı´ rozhranı´ FireWire.
52
Kapitola 6
Za´veˇr Diplomova´ pra´ce popisuje externı´ pameˇti pocˇ´ıtacˇu˚. Za´meˇrem bylo vytvorˇit srozumitelny´ studijnı´ materia´l pro studenty Katedry informatiky, VSˇB-TU Ostrava, jako doprovodny´ text k prˇedna´sˇka´m, na ktery´ch nenı´ vzˇdy dostatek prostoru probrat dane´ te´me podrobneˇ do detailu˚. Pra´ce je samozrˇejmeˇ urcˇena´ take´ vsˇem, kdo ma´ za´jem prohloubit si znalosti a doveˇdeˇt se neˇco nove´ho o te´to problematice. Tato pra´ce by meˇla by´t pouzˇita spolu s dalsˇ´ımi texty katedry informatiky, popisujı´cı´ externı´ pameˇti pocˇ´ıtacˇu˚, a tı´m vytvorˇit kompletnı´ studijnı´ materia´l. Principy technologiı´ jsou popsa´ny srozumitelnou formou, text je doprova´zen kvalitneˇ zpracovany´mi obra´zky. Pra´ce mu˚zˇe by´t kdykoli v budoucnu podle potrˇeb doplnˇova´na o nove´ poznatky a technologie.
53
Literatura [1] LICˇEV, L.: Architektura pocˇ´ıtacˇu˚ II., skriptum FEI VSˇB-TU Ostrava, 1999 [2] SˇNOREK, M.: Perifernı´ zarˇ´ızenı´.,skriptum FE CˇVUT Praha, 2002 ISBN 80-01-02553-5 ´ TIL, Z.: PC XT + AT, Velka´ encyklopedie PC., 1. vyd. Sokolov: GETHON audio and [3] VRA computer, 1995 ˇ , M.: Velka´ kniha o vypalova´nı´ CD., 1. vyd. 602 00: UNIS Publishing s.r.o., 1999 ISBN [4] BARTON 80-86097-26-9 [5] MUELLER, S.: Osobnı´ pocˇ´ıtacˇ, hardware-upgrade-opravy., 14. vyd. Brno: Computer Press a.s., 2004 ISBN 80-7226-796-5 [6] MINASI, M.: Velky´ pru˚vodce Hardwarem., 12. vyd. Praha: Grada Publishing a.s. [7] COMPUTERWORLD, 7/99 [8] PCWORLD 8/01 [9] CHIP 1/97 [10] PCWORLD 2/97 [11] COMPUTERWORLD 12/97 [12] PC MAGAZIN 7/97 [13] Magnetorezistivnı´ hlavy pevny´ch disku˚ [online].[cit. 2005-02-28]. Dostupne´ z: http://www.vahal.cz/html/mrhead.html [14] Hard Disk Read/Write Head Technologies [online].[cit. 2005-03-03]. Dostupne´ z: http://www.pcguide.com/ref/hdd/op/heads/tech.htm
54
Prˇ´ıloha A
Souhrn nejpouzˇ´ıvaneˇjsˇ´ıch technologiı´
55
