OPTICKÉ PAMĚTI Optická paměť (optické záznamové médium) je disk o průměru 120 mm s unášecím otvorem uprostřed o průměru 15 mm. Na rozdíl od FD a HDD plotny nemá soustředné kruhové stopy a sektory o různých délkách, ale má jedinou spirálovitou stopu začínající u středu disku, na které jsou stejně dlouhé sektory. HDD
CD
sektor
stopa Jako každá paměť i optické paměti musí umožnit realizovat dva logické stavy (log.0 a log.1), které představují binární informaci. Tyto logické hodnoty jsou realizovány odraznými ploškami (pole, land) a rozptylovými dírami (pity). Při průchodu snímací (čtecí) optické hlavy potom dochází k odrazu nebo rozptylu laserového paprsku (viz princip optické čtecí hlavy). Optické paměti jsou určeny především pro čtení zaznamenané informace. Celková kapacita paměti je dána především velikostí jednotlivých pitů, vlnovou délkou laseru a vzdáleností stop. Čím menší velikost pitu, tím větší celková kapacita optické paměti. Pro čtení, popřípadě záznam dat (pouze typ R, RW) vyžadují optickou mechaniku.
Rozdělení optických pamětí 1. Podle typu záznamového média a. CD (Compact Disc) b. DVD (Digital Versatile Disc) c. BD (Blu-Ray Disc) d. HD DVD (High Definition DVD) – v současnosti již není téměř podporován 2. Podle možnosti zápisu / přepisu informace a. ROM (Read Only Memory) – paměťové médium je určeno výhradně pro čtení. Informace je do paměťového média zaznamenána lisováním jednotlivých pitů. b. R (Recordable) – paměťové médium obsahuje speciální vrstvu barviva, do které lze informaci jednorázově zapsat vypálením pitu pomocí laseru ve vypalovací mechanice. Zapsanou informaci již nelze změnit ani vymazat. c. RW (Rewritable) – paměťové médium obsahuje záznamovou vrstvu ze speciální chemické sloučeniny, která mění působením tepelné energie laseru svůj stav z krystalického (vysoce odrazivý) na amorfní (rozptyluje laserový paprsek). Zároveň má schopnost působením tepelné energie laseru vrátit se do původního stavu. Umožňuje tedy vymazání původní informace a zapsání nových dat (v praxi asi 1000x přepis).
Typy optických pamětí 1. Kompaktní disky CD (Compact Disc) 1.1 CD-DA a CD-ROM Nejstarší představitel optické paměti. V roce 1980 byl za přispění firem Sony a Philips přijat standard CD-DA (Digital Audio) určený pro záznam zvuku v digitální podobě. V roce 1985 došlo k rozšíření možností CD a možnost záznamu dat, vznikl standard CD-ROM. Jedná se o paměť určenou pouze pro čtení. Záznam dat je prováděn lisováním přímo při výrobě CD pomocí raznice (matrice), na níž je vytvořen obraz budoucí stopy a pitů. 0,83 µm ochranná vrstva reflexní vrstva (Al, Au) stopa
1,2 mm
polykarbonová vrstva pit
ploška
směr čtení Původní standard CD-DA hovořil o možnosti uložení maximálně 74 minut hudby při použití digitálního stereo záznamu se vzorkovací frekvencí 44,1 kHz a 16 bity na každý vzorek (sampl). Tento standard byl převzatý do standardu ISO-9660 pro účely datových disků, neboli CD-ROM. Výsledkem byl disk s maximální kapacitou 650 MB. Mechanika optických pamětí – čtení dat Nejdůležitější část optické mechaniky je optická hlava skládající se z polovodičového laseru (laserová dioda), čočky pro usměrnění laserového paprsku, polopropustného zrcadla a fotodiody. Laser pro práci s CD má vlnovou délku 780 nm (červený laser), DVD 650 nm a Blu-Ray i HD DVD 405 nm (modrofialový laser). disk
zaostřovací čočka odražený laserový paprsek objektiv fotodioda polopropustné zrcadlo kužel vyzařovaného laserového paprsku zdroj laseru
Princip čtecí hlavy u optické mechaniky
Čtení dat je prováděno laserem, který je pomocí vystavovacího mechanismu (typicky se jedná o krokový motorek) naváděn přesně nad střed stopy. hlavička pohon disku
vystavovací mechanizmus
Laserový paprsek o výkonu řádově jednotek mW emitovaný laserovou diodou je zaostřen pomocí speciálních čoček na velmi malé místo reflexní vrstvy, přičemž prochází (tam i zpět) přes silnou polykarbonátovou nosnou vrstvu. Vzhledem k tomu, že při průchodu touto vrstvou není laserový paprsek zaostřen (má větší průměr), může se na povrchu této vrstvy nacházet i menší množství nečistot a škrábanců, aniž by to vedlo k chybám při čtení dat.
Dopadne-li laserový paprsek na reflexní, tedy odrazovou plošku (land), odráží se zpět v téměř plné intenzitě přes optickou soustavu a polopropustné zrcadlo na fotodiodu, na jejímž výstupu se objeví napěťový impuls. Při dopadu paprsku na díru (pit) je rozptýleno větší množství energie, přičemž na výstupu fotodiody je téměř nulové napětí. Pohon disku zajišťuje elektronický motorek. Jelikož se informace na paměťovém médiu ukládají do jedné spirálové stopy, u středu média lze zaznamenat méně informací na jednu otočku, než u okraje média. Proto musí pohon disku řešit problém s různou obvodovou rychlostí uprostřed a na okrajích disku: a. CLV (Constant Linear Velocity) – Jednotky pro práci s audio CD mění při čtení dat průběžně otáčky tak, aby byl zajištěn konstantní datový tok. V praxi to znamená, že u středu disku se používá 530 otáček za minutu a u vnějšího okraje pouze 230 otáček za minutu. Datový tok je v tomto případě konstantní, protože laser za jednotku času přečte data vždy ze stejné délky stopy (stejný počet bitů). U CD je základní rychlost 1x určena datovým tokem 150 kB/s. Násobek základní rychlosti je násobkem přenosové rychlosti. Např. označení 52x představuje teoretickou přenosovou rychlost 150 x 52 = 7500 kB/s. b. CAV (Constant Angular Velocity) – U datových CD se však požaduje co možná nejvyšší přenosová rychlost, k čemuž neustálé změny rychlosti (při náhodném přesunu laseru) nevedou, neboť samotný disk má po roztočení na velké otáčky značnou setrvačnost a není možné čekat na ustálení otáček. Při čtení datových disků jsou proto otáčky konstantní a řadič čte data na vnějších stopách rychleji.
Optický disk se vkládá na tzv. nosič disku, který je z mechaniky vysunován pomocí motorku. Nosič disku obsahuje výlisky pro vložení 12 cm i 8 cm média. Ovládání nosiče disku lze provádět hardwarové (tlačítko na předním panelu mechaniky), popř. programové. Méně používaným řešením pro vkládání disku jsou mechaniky s tzv. štěrbinou o velikosti disku. Po vsunutí média dojde k jeho posunu přímo na pohon disku a čtecí optickou hlavu. Elektronika sestává z desky s plošnými spoji, kde se nacházejí: řadič, paměti RAM (registry, cache), ROM (firmware), obvody rozhraní (ATA, SATA, SCSI, LPT, USB), konektory pro napájení a propojení mechaniky se zvukovým obvodem, konfigurační přepínače, atd.. Hlavními funkcemi elektroniky jsou: kontrola rychlosti otáčení disku. kontrola přesunu hlavičky nad stopou. zprostředkování operací čtení správa vyrovnávací paměti (cache) a její optimalizace. Zesilování el. signálů jdoucí z hlavy a jejich převedení na „1 a 0“.
1.2 CD-R V roce 1988 byla vytvořena specifikace zapisovatelných disků, označovaných CD-R. Kvůli zpětné kompatibilitě s CD-DA i CD-ROM má paměťové médium CD-R stejné základní rozměry (průměr 12 cm, popřípadě 8 cm), vzdálenost datové vrstvy od povrchu disku (1,2 mm), formát záznamu, strukturu dat i způsob kódování. Maximální kapacita je shodná s CD-DA (maximálně 74 minut hudby) a CD-ROM (650 MB dat), i když se dnes používají média s vyšší deklarovanou kapacitou, přesněji 700 MB / 80minut záznamu, 790 MB / 90 minut záznamu nebo 870 MB / 99 minut záznamu. U těchto médií se v rozporu se specifikací zmenšuje vzdálenost mezi jednotlivými stopami a také se zkracuje část stopy rezervovaná pro vypálení jednoho bitu. Tyto disky nemusí být čitelné ve všech přehrávačích a mechanikách CD-ROM. CD-R se skládá ze tří základních vrstev: - vrchní ochranné lakované vrstvy - reflexní fólie a organického barviva - spodní polykarbonátové vrstvy. Při vypalování se organické barvivo zahřeje pomocí laseru čímž vznikají pity (díry). Pit mění odrazivost od reflexní fólie. Vypálený pit není tak kvalitní jako pit lisovaný, nemá pravidelné okraje a je mělčí. To je důvod proč staré mechaniky nečtou CD-R.
Předlisovaná drážka
lisovaný pit
pálené pity
Čistý disk CD-R má ve své záznamové vrstvě předlisovanou spirálovou stopu (angl. pregroove), kterou záznamová hlava s laserem sleduje. Tato předlisovaná stopa obsahuje značky ATIP, neboli Absolute Time in Pregroove, které slouží k přesnému zaměření hlavy s laserem nad stopu i k synchronizaci zápisu dat konstantní rychlostí. Kromě toho jsou ve značkách uloženy i další informace, například: Informace o výrobci optického média kapacita disku podporované rychlosti zápisu požadované parametry zápisu (výkon laseru) typ barviva apod. Mechanika optických pamětí – záznam dat na CD-R Konstrukčně je řešena stejně jako mechanika CD-ROM určená pouze pro čtení. Rozdíl je v použití speciálního laseru, který musí být schopen pracovat v několika úrovních: Musí být schopen docílit fyzické změny barviva (vypálení pitu) Musí číst formáty CD-R, CD-ROM, CD-DA a další bez jejich poškození Pro čtení vystačí laser s poměrně nízkým výkonem (0,5 mW), ale pro zápis CD-R je již třeba energie mnohem větší. Pro zápis jednoduchou rychlostí vystačí 4-8 mW, pro dvojnásobnou rychlost je již třeba 8-10 mW, čtyřnásobnou 10-12 mW a šestinásobnou pak až 14 mW. Této energie je třeba k tomu, aby se v místě, kde má dojít ke změně barviva, dosáhlo teploty 250 °C až 400 °C.
1.3 CD-RW Dalším stádiem vývoje optických pamětí byly přepisovatelné kompaktní disky označované zkratkou CD-RW. Čtení a zápis dat pomocí laserového paprsku zůstává shodný se standardem CD-R. Samotný způsob zápisu informace i materiál použitý pro vytvoření datové vrstvy je však odlišný. Datová vrstva je v případě CD-RW vytvořena ze sloučeniny, která při určité teplotě (teplota tání dané sloučeniny) mění svou původně krystalickou strukturu na strukturu amorfní a při odlišné teplotě (teplota nižší než bod tání dané sloučeniny) naopak opět krystalizuje (mazání dat). Krystalické fáze sloučeniny odráží značnou část laserového paprsku na fotodetektor (chová se jako ploška, tedy land), amorfní fáze sloučeniny značně rozptyluje laserový paprsek (chová se tedy jako díra, tedy pit). Mazání dat, které předchází zápisu, se provádí zpětnou změnou fáze, tj. z původně amorfní fáze do fáze krystalické. Dvojici operací mazání dat + zápis dat je možné opakovat cca 1000×, pak dojde k degradaci datové vrstvy vlivem neustálého lokálního zahřívání.
Mechanika optických pamětí – mechaniky CD-RW CD-RW mechaniky musí obsahovat ještě silnější laser, neboť pro změnu fáze záznamové vrstvy (do amorfního stavu) musí být dosaženo teploty až 600 °C. Lasery CD-RW mechanik se svým výkonem blíží 20 mW. Pro přechod do krystalického stavu postačuje teplota 200 °C, a tudíž výkon asi 4-8 mW. Laser tedy při záznamu CD-RW média neustále přepíná podle potřeby mezi vyšším a nižším výkonem (na rozdíl od CD-R mechanik, kde vystačí pouze se stavem zapnuto-vypnuto).
1.4 Logická struktura zapisovatelného disku Logická struktura CD disků je specifikována mezinárodním standardem ISO 9660. Pouze CD vytvořené ve formátu ISO 9660 je plně přenositelné mezi různými operačními systémy (DOS, Windows, UNIX, MAC, atd.). Původní standard umožňoval pojmenovat soubor pomocí 8 znaků + 3 znaky pro příponu. Rozšíření standardu ISO 9660, které vyvinul Microsoft (platí tedy výhradně v OS Windows) pro zápis dlouhých názvů souborů a použití Unicode mezinárodní znakové sady na CD se nazývá Joliet (povoluje až 64 znaků v názvu souboru včetně mezer) a Romeo (povoluje až 128 znaků v názvu souboru včetně mezer). Logická struktura optického disku se sestává z těchto částí: Kalibrační oblast (PCA) Obvykle bývá hned na začátku. Slouží ke kalibraci (nastavení) výkonu laseru pro vypálení daného disku (různé disky se liší především záznamovou vrstvou, která mírně odlišně reaguje na laserový paprsek). Program Memory Area (PMA) Obsahuje informaci o počtu stop a jejich umístění. Stopa (track) – určitý počet sektorů, které na sebe navazují, do nichž se ukládají informace určitého typu (audio, video, data). Session Jedná se o zapsaný segment CD, který může obsahovat jednu nebo více stop (tracků) jednoho typu (audio, video, data). Při zápisu dat se jedná o jednu stopu (track) na session. Při audio záznamu jsou všechny stopy (tracky) nahrány v jedné session. Každá session má tzv. lead-in a lead-out. Jeden disk může obsahovat i více session (Multisession) Lead In Oblast, která je na začátku každé session vyhrazená pro zápis TOC (Table Of Contents) neboli tabulky oblastí (obdoba partition table u HDD). Zde jsou zaznamenány čísla stop a jejich začátky. Lead-in se zapisuje při uzavírání session. Lead-in také označuje, že disk je multisession a zároveň říká, která následující adresa je k dispozici pro zápis.
Lead Out Oblast, která ukončuje každou session. Do části Lead-out nejsou nahrávána žádná aktuální data.
2. DVD disky (Digital Versatile Disc, Digital Video Disc) Nástupce kompaktního disku (CD). Původně určený pro ukládání videa v digitální podobě (kvalitnější záznam oproti VHS), dnes se využívá také k ukládání dat. Rozměry jsou shodné s formátem CD. Velká kapacita disku je dána větší hustotou záznamu, disk může být oboustranný a dvouvrstvý. Používá se přesnější laser s kratší vlnovou délkou, který rozezná menší pity a plošky. Je-li záznam ve dvou vrstvách, pak se laserový paprsek zaostřuje vždy jen na jednu vrstvu. Spodní vrstva musí být polotransparentní.
průměr v mm tloušťka v mm vzdálenost pitů v nm minimální délka pitů v nm vlnová délka laseru v nm
DVD
CD
120 1,2 740 400 640
120 1,2 1600 834 780
2.1 Formáty DVD Formát DVD-video
DVD-audio
DVD-ROM
DVD-R/RW
Popis Slouží k uložení videozáznamu. Ke kompresi obrazu se používá standard MPEG-2. Pro kódování zvukové stopy se standardně používá formát Dolby Digital (AC-3), někdy bývá použit i kvalitnější zvuk ve formátu DTS. Náhrada audio CD disku. Výhodou je kromě velké kapacity, také možnost uložit na disk digitální záznam zvuku s vyšší vzorkovací frekvencí (48, 96 nebo 192 kHz), větší bitovou hloubkou (místo 16 bitů u audio CD až 24 bitů u DVD Audio) a větším počtem kanálů (stereo, popřípadě prostorový zvuk formátu 5+1) Read Only - jen pro čtení, pity jsou vyráběny lisováním, potenciální nástupce formátu CD-ROM, tedy víceúčelový formát pro ukládání počítačových dat, audia a videa. (R = Recordable, jeden zápis, RW = ReWritable, až 1.000x přepis) Tento formát byl navržen tak, aby byl co nejvíce kompatibilní s lisovanými DVD disky (DVD-ROM). Z toho plyne výhoda tohoto formátu, kterou je kompatibilita se staršími mechanikami a přehrávači, které vznikly dříve, než se dalo na DVD zapisovat. Tato výhoda se však v dnešní době ztrácí, protože téměř všechny vyráběné přehrávače a mechaniky dokáží přehrávat jak DVD-R tak DVD+R formáty. DVD-R DL (DL = DualLayer, dvě záznamové vrstvy). Novější standard než DVD-R/RW, nejprve bylo vyvinuto přepisovatelné médium DVD+RW, posléze pak DVD+R. Mechaniky mají o něco větší odolnost proti chybám při zápisu a lépe pracují s méně kvalitními médii.
DVD+R/RW
Hlavní důvod vzniku standardu DVD+R/RW tkví v tom, že původní licence na DVD-R/RW byly pro výrobce přehrávačů a mechanik poměrně nákladné, nehledě na to, že se muselo platit přímým konkurentům (taková platba je vlastně dvojnásobná). Právě z tohoto důvodu vznikla DVD+RW Aliance (konsorcium firem Sony, Philips, Hewlett-Packard, Ricoh, Yamaha a Mitsubishi), které vytvořily konkurenční technologii k DVD-R/RW. V současnosti existují mechaniky a přehrávače, které umí pracovat se standardy DVD-R/RW i DVD+R/RW.
Namísto jedné stopy ve tvaru spirály (běžné optické disky) je u DVD-RAM použit systém kruhových stop rozdělených na sektory (obdobně jako u HDD), přičemž vždy několik desítek stop umístěných vedle sebe má stejné množství sektorů. Jedná se o přepisovatelné médium (až 100.000x). DVD-RAM se uživateli jeví jako další pevný disk, ze kterého může data číst či na něj zapisovat. Velmi dobrá detekce a korekce chyb při zápisu, dlouhá životnost záznamu.
DVD-RAM
Není nutný žádný vypalovací program, pouze některé velmi staré operační systémy vyžadují ovladač, popř. pomocný program, aby dokázaly pracovat se souborovým formátem UDF, který je vhodný pro DVD-RAM). Na rozdíl od ostatních formátů je DVD-RAM uložen v ochranném pouzdře. Podle toho, zda je možné disk z pouzdra vyjmout a dále podle tvaru pouzdra se rozděluje na různé typy, přičemž těchto typů existuje celkem 9. Nejčastěji používaný je typ 1, který není možné z pouzdra vyjmout, dále potom typy 2 a 4, které je možné z pouzdra vyjmout. Rozdíl mezi typem 2 a 4 je v tom, že verze 4 je oboustranná. Kapacita disku je stejně tak jako u DVD-ROM 4.7 GB.
2.2 DVD mechanika Současně se zvýšením hustoty záznamu (zvýšením kapacity) muselo dojít ke změnám ve vlastní optické mechanice: zpřesnění vedení čtecí hlavy s laserovou diodou (dvojnásobná přesnost oproti CD) zmenšení vlnové délky laseru ze 780 nm na 650 nm (červená barva). Nelze tedy běžně číst CD-R a CD-RW, proto mechaniky používají dvojí laser a umožňují řízení intenzity laserového paprsku. DVD mechanika zaostřuje paprsek na vzdálenost 0.6 mm (tloušťka polykarbonátové vrstvy na které je nanesena reflexní, tedy odrazivá vrstva), oproti CD mechanikám, které laser zaostřují na vzdálenost 1.2 mm. DVD mechanika musí přečíst i dvouvrstvá média, ve kterých jsou obě datové vrstvy (čtené z jedné strany) od sebe vzdálené pouze o desítek nanometrů.
3. Blu-Ray disky (BD) Nástupce DVD disků. Původně určený pro ukládání videa ve vysoké kvalitě (HD formát) včetně prostorového zvuku, využívaný také pro ukládání dat. Rozměry jsou shodné s formátem CD a DVD. Velká hustota záznamu je dána dalším zmenšením pitů, což zároveň vede ke zmenšení vlnové délky laserového paprsku emitovaného laserovou diodou ze 650 nm u DVD (červená barva) až na 405 nm u Blu-Ray (modofialová barva). Základní kapacita jednovrstvého BD média je 25 GB. Definovány jsou tři základní formáty Blu-Ray: BD-ROM (Blu-Ray Read Only Memory) BD-R (Blu-Ray Recordable) BD-RE (Blu-Ray REwritable)
Současně došlo ke zmenšení tloušťky polykarbonátové vrstvy na čtecí straně (0,1 mm), aby nedocházelo k nežádoucímu rozptylu úzkého laserového paprsku. To má ovšem za následek menší odolnost vůči škrábancům (nejvíce odolné jsou z tohoto pohledu kompaktní disky). Velká kapacita optického paměťového média a vysoká přenosová rychlost předurčuje formát BD pro přehrávání filmů (videa) v rozlišeních HDTV (z tohoto důvodu se přehrávače Blu-Ray většinou připojují k HDTV, protože na klasických televizích s obrazovkami uzpůsobenými pro normy PAL a NTSC není vyšší rozlišení využito. Pro HDTV rozlišení se používá buď kompresní standard MPEG-2 (stejně jako u DVD) nebo novější H.264.
4. HD DVD disky (High definition DVD) Formát HD DVD má stejnou základní strukturu disku jako formát DVD, která spočívá ve spojení dvou vrstev o průměru 120 mm, z nichž každá má tloušťku 0,6 mm (jsou tedy méně náchylné na poškrábání než Blu-Ray disky). Disky HD DVD mohou být vytvářeny stejnými výrobními postupy, jako jsou postupy aktuálně používané pro technologii DVD. Na rozdíl od formátu DVD, který využívá technologii červeného laseru (vlnová délka 650 nm), používá formát HD DVD technologii modrofialového laseru (405 nm), která umožňuje zmenšení pitů a tedy zvýšení kapacity disku. Disk HD DVD může mít až tři vrstvy. Jednotlivé vrstvy mohou obsahovat 15 GB obsahu s vysokým rozlišením a výsledná kapacita disku je tedy maximálně 45 GB.
Výhody optických pamětí - velká kapacita - přenositelnost - „životnost“ zapsané informace - bezkontaktní čtení / zápis informace - nízká cena záznamových médií i mechanik pro čtení a zápis (vypalování) - univerzální použití (datové, audio, video záznamy) - vnější magnetická pole nezpůsobí poškození záznamu - mechaniky používají stejný řadič disků jako HDD (ATA, SATA, SCSI, popř. rozhraní USB)
Nevýhody optických pamětí - potřeba čtecí / zapisovací mechaniky, náročnější záznam / přepis informace - nulová zpětná kompatibilita formátů CD, DVD, Blu-Ray, HD DVD (kompatibilní s DVD) - náchylné na mechanické poškození (poškrábání), tepelné působení, apod. - nízká přenosová rychlost při čtení / zápisu dat - hlučnost při čtení / zápisu dat
