Budowa napędu optycznego

Transkrypt

1 1 NAPĘDY OPTYCZNE

2 Definicja Napęd optyczny jest to urządzenie, które za pomocą wiązki lasera odczytuje dane z następujących nośników: CD (-R,-RW), DVD (-R,-RW, +R, +RW) lub najnowszych Blu- Ray. Napędy optyczne mogą być połączone z komputerem za pomocą interfejsów ATA, SATA jak i SCSI. Prędkość napędów optycznych podaje się w wielokrotnościach podstawowej prędkości 1x, która odpowiada przepustowości 150 kb/s (napędy CD), 1350 kb/s (napędy DVD) lub 5234 kb/s (napędy Blu-Ray). 2

3 3 Prędkości napędów

4 4 Budowa napędu optycznego

5 Nagrywarki Urządzenie służące do wypalania płyt CD-R i CD-RW oraz DVD. Zasada działania nagrywarki jest identyczna jak zwykłego czytnika z tą różnicą, że zamiast lasera "odczytującego" zaopatrzona jest w laser "zapisujący", a właściwie "zapisująco-odczytujący" - zależnie od potrzeb. Wnętrze nagrywarki więc na pierwszy rzut oka nie różni się niczym od odtwarzacza. Intencją lasera odczytującego jest tylko odczyt bez żadnych modyfikacji odczytywanego nośnika. Natomiast laser zapisujący działa z większą mocą, więc powoduje zmiany właściwości optycznych materiału. Zapisując dane jest naprzemian włączany i wyłączany w zależności od tego, czy ma być zapisane zero, czy jedynka. Aby wypalić zero ściemnia barwnik stanowiący warstwę zapisywalną, aby otrzymać jedynkę pozostawia go bez zmian - czyli na ten moment gaśnie. Laser przy odczycie włączony jest przez cały czas trwania operacji, a tam gdzie zapisujący pozostawił ciemne miejsca światło ulega rozproszeniu. Nagrywarka DVD - jest to urządzenie optyczne pozwalające na zapis danych na specjalnych przeznaczonych do tego nośnikach (płytach CD lub DVD). 5

6 Fizyczny format zapisu Informacja na CD-ROM-ie zapisywana jest w tak zwanych ramkach, składających się z 584 bitów (33 zakodowane bajty, ponieważ każdy bajt jest zapisany za pomocą 17 bitów oraz 27-bitowe słowo synchronizujące) Ramka rozpoczyna się 27-bitową sekwencją synchronizującą (trzy jedynki oddzielone jedna od drugiej dziesięcioma zerami plus cztery zera). Kombinacja ta nie występuje nigdy w zakodowanych danych, stąd jest używana jednocześnie do sygnalizacji początku ramki. Dalej następuje bajt informacyjno-sterujący. Bajty z 98 kolejnych ramek są łączone w bloki zawierające przykładowo tabelę zawartości dysku. Następnie następują dwa 12-bajtowe bloki danych,przy czym po każdym z nich następuje 4- bajtowy blok kontrolny. 6

7 7 Schemat zapisu/odczytu danych

8 8 RODZAJE NOŚNIKÓW CD/DVD

9 Charakterystyka Dysk optyczny inaczej, płyta CD lub dysk kompaktowy, to pamięć pomocnicza komputera w postaci obrotowej tarczy wykonanej z przezroczystego tworzywa sztucznego o średnicy 12 cm (bardzo rzadko innej, np. 8 cm) i grub. 1,2 mm, z informacją odczytywaną promieniem laserowym. Dysk jest nośnikiem sygnału cyfrowego zapisanego jednostronnie w postaci ciągu wgłębień tworzących ścieżkę zapisu. Wgłębienia mają jednakową głębokość 0,11 µm i szerokość 0,6 µm, natomiast ich długość oraz odległość między nimi zależą od przebiegu zapisanego na płycie sygnału cyfrowego i zmieniają się od 0,84 µm do 3,56 µm. Zależnie od długości nagrania spirala może zawierać 3mld zagłębień i mieć 5 km długości. Proces zapisu dowolnego sygnału na płycie kompaktowej musi być poprzedzony przetworzeniem go na sygnał cyfrowy w postaci zgodnej ze standardem płyty. Na przykład analogowy sygnał dźwiękowy jest przetwarzany na sygnał cyfrowy (ciąg liczb) za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. Do zapisania dźwięku trwającego krótką chwilę potrzeba tysiące takich liczb. 9

10 Trochę historii W 1982 roku Philips i Sony ogłosiły standard cyfrowego zapisu dźwięku, w związku z formą publikacji określany Czerwoną Księgą Tak powstała muzyczna płyta CD, dziś nazywana CD-DA (Compact Disk - Digital Audio) lub popularnie "kompaktem". Trzy lata później narodził się CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory). W 1987 roku opublikowano specyfikację CD-l (Compact Disk - Interactive), a po roku bazujący na niej multimedialny standard CD-ROM XA (extended Architecture) umożliwiający jednoczesny odczyt danych, dźwięku i obrazu. W 1990 roku pojawia się specyfikacja formatu nośników zapisywalnych, w tym CD-R (CD -Recordable) "Kolorowe" standardy definiują fizyczną i logiczną strukturę płyty oraz metody korekcji błędów, pomijając sposób kodowania hierarchicznej struktury katalogów oraz nazw plików. Lukę tę zapełnia opracowany w 1985 roku standard znany pod nazwą High Sierra, po drobnych modyfikacjach zatwierdzony przez International Organization for Standardization jako norma ISO Specyfikacja ta opisuje sposób kodowania i obsługi struktury plików oraz katalogów na wszystkich platformach sprzętowych. 10

11 CD Jest to uniwersalny nośnik, który może przechowywać dowolne dane komputerowe. Nie tak dawno płyta CD fascynowała użytkowników swoją, jak na owe czasy, zawrotną pojemnością 650 MB, wystarczy przypomnieć sobie pojemność 3,5-calowej dyskietki aby zrozumieć dlaczego. W dyskach CD-ROM, zamiast wielu koncentrycznych ścieżek, typowym rozwiązaniem jest zapis danych na jednej ścieżce, biegnącej spiralnie od środka dysku do jego krawędzi. Ścieżka jest podzielona na sektory, ale każdy sektor ma fizycznie tę samą wielkość. Używając metody stałej prędkości liniowej, napęd dysku zmienia stale prędkość obrotową, tak że gdy detektor zbliża się ku środkowi dysku, obroty maleją W efekcie dysk kompaktowy może pomieścić więcej sektorów, niż dysk magnetyczny. W miarę zbliżania się detektora do środka dysku obroty maleją, a czas odczytu danych wydłuża się. Nowy rodzaj napędu, zwany multispin w znacznym stopniu przezwycięża tę wrodzoną wadę dysków kompaktowych. Gęstość zapisu informacji na krążkach CD-ROM jest stała. Z uwagi na fakt, że długość ścieżki z danymi zmienia się w zależności od promienia, szybkość obrotowa musi się również zmieniać, aby w określonym przedziale czasu do komputera dostarczyć tę samą porcję informacji 11

12 CD W tradycyjnych odtwarzaczach płyt kompaktowych zmienna prędkość obrotowa nie stanowiła żadnego problemu. W celu zapewnienia przetwornikowi cyfrowoanalogowemu stałego strumienia danych wynoszącego 150 KB/s, płyta CD była odtwarzana z coraz mniejszą prędkością obrotową (dane zapisywane są od środka do brzegu nośnika) Podczas "skoku" do utworu leżącego bliżej środka płyty, obroty czytnika musiały zostać wyraźnie zwiększone. Sprawa nieco się komplikuje w przypadku płyt CD-ROM, ponieważ znacznie częściej odczytuje się pojedyncze bloki danych, a nie całe sekwencje występujących po sobie bitów. Napęd musiałby więc stale zwiększać lub zmniejszać swoją szybkość, co powodowałoby znaczne obciążenie silnika i byłoby bardzo czasochłonne. Z tego też względu czytniki CD-ROM wykorzystują obecnie różne techniki. Najbardziej popularna bazuje na odpowiedniej kombinacji stałej prędkości kątowej (CAV) i stałej prędkości liniowej (CLV). Najlepsze rezultaty przynosi jednak rozwiązanie o nazwie Fuli Constant Angular Yelocity, czyli mechanizm zapewniający stałą prędkość kątową. Przy takim odczycie szybkość transmisji jest wprawdzie zmienna, ale uzyskać można krótki czas dostępu do danych, co korzystnie wpływa na wydajność całego urządzenia. 12

13 DVD Płyta DVD (Digital Video Disc) powstała w wyniku ewolucji płyty kompaktowej CD. Usprawnienie optycznego układu odczytującego, bardziej skuteczne kodowanie danych i zastąpienie strumienia promieniowania podczerwonego światłem czerwonym umożliwiło uzyskanie pojemności płyty jednowarstwowej 4700 MB, czyli 7 razy większej niż płyta CD-ROM. Ponadto, dysk DVD może być odczytywany z ponad 10-krotnie większą prędkością, w niektórych przypadkach możliwe jest stosowanie zmiennej prędkości odczytu. 13

14 14 Porównanie CD - DVD

15 DVD Pomysł stworzenia nośnika DVD miał na celu zastąpienie funkcjonalnie CD, z oferowaniem znacznie większych pojemności. Specyfikacja DVD-ROM przewiduje możliwość zapisu nawet 17 GB na jednej płycie, podczas gdy CD-ROM - jedynie 650 MB. Właśnie ze względu na pojemność nośnika sięgnęli po niego producenci filmów. Zainteresowanych jest wielu: banki, producenci multimediów itd. Dlatego w 1995 r. konsorcjum, stworzone przez dziesięć firm (Hitachi, JVC, Matsushita, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, SGS Thomson, Time Warner i Toshiba), zatwierdziło specyfikację nowego standardu nazwanego DVD w celu jego rozpowszechnienia i przestrzegania założeń technicznych. Forum DVD (Hitachi, Kodak, Panasonic, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, Thomson, Toshiba i JVC) określiło format zapisu danych, uznając DVD-RAM za standard zapisywalnego nośnika. Trzy lata później zapisywalne i kasowalne płyty DVD można było już nabyć. 15

16 16 DVD DVD (ang. Digital Video Disk) - to cyfrowy dysk tylko-do-odczytu, opracowany w celu przechowywania filmów wideo w postaci cyfrowej. Jego pojemność (od 4,7 GB w najprostszej wersji do 17 GB przy dysku dwustronnym) umożliwia zapis od 135 do 540 minut skompresowanego (za pomocą kompresji MPEG-2) filmu o jakości studyjnej wraz z kilkoma ścieżkami audio (Aby zapobiec tworzeniu pirackich kopii cały świat podzielony został na siedem stref, którym przypisano różne kody. Dlatego filmu kupionego np. w Ameryce nie będzie można odtworzyć w Polsce, ponieważ kod zapisany na dysku nie będzie zgodny z kodem wymaganym przez wszystkie odtwarzacze DVD sprzedawane w Europie). Zasada działania płyty wideo jest bardzo podobna jak płyty CD: informacje zapisane w kodzie binarnym w postaci drobnych rowków (ang. pits) w powierzchni (ang. land) odczytywanych z dysku przez promień lasera. Komputer dokonuje dekompresji za pomocą specjalnego dekodera MPEG i wysyła je na ekran komputera.

17 Porównanie DVD-R, DVD+R Różnice w + i są istotne dla nagrywarek ale nie przy odtwarzaniu 17 Cecha DVD -R DVD +R Wspierany przez Apple, Pioneer Philips, Dell, Sony, HP, Microsoft Cena niższa wyższa Zapis jednowarstwowy wielowarstwowy Zalety DVD +RW: Natychmiastowe wyjęcie płyty bez oczekiwania na koniec formatowania Można częściowo nagrywać w nagrywarce komputerowej, częściowo zewnętrznej Podczas formatowania, istnieje możliwość jednoczesnego nagrywania na sformatowanej już części Rozszerzona możliwość edycji, etykiet, tytułów utworów, playlists, nazw plików 100% kompatybilność ze wszystkimi odtwarzaczami

18 Porównanie DVD-R, DVD+R DVD -R DVD +R 18

19 CD-R Generalnie, CD-R składa się z czterech warstw: warstwy nośnej z poliwęglanu (plastikowa tarcza), warstwy barwnej (Dye, topi się podczas zapisu), złotej lub aluminiowej warstwy odbijającej i ochronnej warstwy z lakieru. Właściwe informacje laser wypala w warstwie barwnika umieszczonej przed warstwą odbijającą. W procesie zapisu barwnik wytapia się, odsłaniając odbijającą światło powierzchnię. Podobnie jak stara dobra płyta długogrająca, również CD-R 19

20 20 CD-RW CD-RW ( Compact Disc Rewriteable ) CD-E ( Compact Disc Erasable ) - nośniki wielokrotnego zapisu. Produkcja tych dysków rozpoczęła się w 1995 roku. Dzięki zastosowaniu substancji występujących w normalnej temperaturze w dwóch postaciach: krystalicznej i amorficznej, osiągnięto możliwość wielokrotnej zmiany właściwości optycznych nośnika. Zapisu informacji dokonuje się techniką zmiennofazową ( Phrase Change Dual Action ) i z użyciem głowicy z laserem o stosunkowo dużej mocy, emitującym fale o długości 650 nm. Podczas zapisu następuje ustalenie postaci poszczególnych obszarów nośnika przez odpowiednie podgrzanie i ochłodzenie. Odczyt jest realizowany identycznie jak w dyskach CD-ROM laserem małej mocy. Aby przystosować płytę do zapisu zmiennofazowego, należało stworzyć nośnik o odmiennych właściwościach chemicznych. Warstwa nagrywana jest teraz zbudowana ze stopu czterech pierwiastków (srebro, ind, antymon, tellur). Posiada ona zdolność zmiany przezroczystości zależnie od mocy padającej na jej powierzchnię wiązki lasera. Absolutnym novum jest, oczywiście, fakt, że zmiany powierzchni płyty spowodowane nagrywaniem są odwracalne. Oznacza to, że wypalony i nieprzezroczysty punkt może pod wpływem działania światła o specjalnie dobranym natężeniu zmienić swoje własności i stać się nieprzezroczystym. Warstwa główna jest otoczona z obu stron powłokami materiału dielektrycznego, który ma za zadanie poprawienie odprowadzania ciepła z nośnika. Staje się to bardzo istotne, gdyż skumulowane ciepło mogłoby skasować wcześniej zapisane na płycie informacje. Najdalej od głowicy lasera leży warstwa srebra, która jest właściwym elementem odbijającym światło.

21 21 CD-RW Również nieco inny jest mechanizm nanoszenia zmian na płytę. Elementem umożliwiającym kasowanie i powtórny zapis danych na dysku CD-RW jest laser o zmiennej mocy. Standardowe nagrywarki CD-R mogły emitować wiązkę światła o dwóch różnych natężeniach: bardzo małym - tylko do odczytu i w żaden sposób nie zmieniającym struktury nośnika - oraz bardzo dużym - służącym do miejscowego i gwałtownego podniesienia temperatury warstwy głównej. Jeśli punkt na płycie został naświetlony podczas nagrywania laserem dużej mocy, w warstwie nośnika zachodziły odpowiednie reakcje i stawała się ona nieprzezroczysta. Przez obszar nie naświetlony laserem dużej mocy światło mogło nadal bez przeszkód docierać do warstwy refleksyjnej. W przeciwieństwie do swojego poprzednika nośnik CD-RW, dzięki specjalnemu składowi, reaguje całkowicie odmiennie na wiązkę światła o średniej mocy. Naświetlenie nią punktu powoduje odwrócenie ewentualnych wcześniejszych zmian i przywrócenie płycie stanu początkowego. Zmiennofazowa technika zapisu umożliwia również bezpośrednie nadpisywanie danych bez wstępnego czyszczenia przeznaczonego dla nich miejsca. Przyspiesza to całą operację, gdyż jeśli konieczne byłoby uprzednie usunięcie zawartości (tak jak to jest np. w nośnikach magnetooptycznych), każda operacja musiałaby przebiegać dwukrotnie. Zabieg powtórnego zapisu może być wykonywany wielokrotnie. Jednak wbrew niektórym przekonaniom, istnieje granica wytrzymałości nośnika. Zazwyczaj wynosi ona około tysiąca cykli nagraniowych.

22 CD-RW Zaletą CD-RW, która na pewno przysporzy tej technologii przychylność użytkowników, jest możliwość zastosowania tego samego oprogramowania, jak w przypadku CD-R. Podobnie jak w sprzęcie wprowadzona tu tylko drobne modyfikacje. Zazwyczaj jest to jedna opcja w menu lub dodatkowe okienko, pozwalająca na kasowanie zawartości uprzednio nagranej płyty. Istnieją dwie metody usuwania danych, znajdujących się na nośniku CD-RW: szybka i pełna. Pierwsza niszczy tylko część informującą o formacie i objętości dotychczasowych nagrań. Umożliwia to bezpośrednie odczytanie dalszych fragmentów płyty, jednak pozostawia fizyczną, binarną reprezentację danych. Natomiast drugi sposób kasuje dokładnie całą zawartość, jednak zamiast dwóch minut trwa pół godziny. 22

23 DVD - RW DVD-RW to typ płyty w standardzie DVD. DVD-R i DVD-RW mogą przechowywać ok 4,7 GB danych.dane są zapisywane zarówno w wgłębieniach (land). Ten standard nośnika wymaga sformatowania płyty przed jej pierwszym użyciem. Nagrane nośniki cechują się niskim współczynnikiem odbicia, dlatego mogą występować problemy przy próbie odczytu w niektórych napędach optycznych. DVD-R służy do jednokrotnego zapisu, zaś DVD-RW do około 1000 razy. Płyty DVD-RW są wykorzystywane do przechowywania m.in. danych. Do płyt DVD-RW jak i do wszystkich płyt rodzaju DVD stosuje się lasery świecące czerwonym światłem o długości fali 650 nm.warstwa zabezpieczająca ma 0,6mm, zaś szybkość odczytu przy prędkości 1x wynosi 11,08 Mbps.W miarę eksploatacji płyta traci swoje właściwości co ma odzwierciedlenie w szybkości odczytu. Płyty DVD-R/RW są kompatybilne z odtwarzaczami DVD. 23

24 DVD - RAM DVD-RAM jest uważany za standard bardzo niezawodny (wbudowany system kontroli błędów). Nośniki DVD-RAM nie należą do nośników magnetooptycznych (MO). Jest to zwykły nośnik optyczny (zmiana stanu na amorficzny pod wpływem lasera zapisującego, co zmienia odblaskowość obszaru). Standard ma dwie specyfikacje: DVD-RAM 1.0 (1997 rok) o Jednostronne, jednowarstwowe, o pojemności 2,58 GB o Dwustronne, jednowarstwowe, o pojemności 5,16 GB DVD-RAM 2.0 (1999 rok) o Jednostronne, jednowarstwowe, o pojemności 4,7 GB o Dwustronne, jednowarstwowe, o pojemności 9,4 GB Istnieją mniejsze nośniki (1,46 GB), ale są rzadko spotykane. 24

25 DVD - RAM Początkowo nośniki były sprzedawane w specjalnych kasetkach (podobnych do dużych dyskietek, o wymiarach: 124,6 mm x 135,5 mm x 8,0 mm, wyjęcie samego dysku z kasetki nie było możliwe - ten rodzaj obudowy jest oznaczany jako "type 1") z przeznaczeniem do specjalnych napędów. Następnie pojawiły się wersje pozwalające na wyjęcie płyty z kasetki (obudowy "type 2" dla dysków jednostronnych oraz "type 4" dla płyt dwustronnych), obecnie najpopularniejsze są dyski w ogóle pozbawione obudowy. Współcześnie produkowane nagrywarki wieloformatowe DVD (LG, Lite-On) pracują z nośnikiem bez kasetki. Nośniki w kasetce są ok. 50% droższe od płyt bez kasetek. 25

26 Wady i zalety DVD - RAM Porównanie z konkurencyjnymi formatami Zalety DVD-RAM * Duża wytrzymałość - ponad 30 lat; * Może być kasowany i zapisywany ponownie ponad razy (płyty DVD±RW tylko ok razy); * Nie jest wymagane oprogramowanie do nagrywania płyt (ale patrz wyżej!); * Krótkie czasy dostępu do małych plików; * Sprzętowa weryfikacja zapisanych danych. * Jest jedynym formatem wymiennego medium pozwalającym na przesunięcia czasowe (ang. time shifting) Wady DVD-RAM * Nieczytelne w większości napędów DVD±RW; * Płyty są droższe od zwykłych dysków DVD±RW (ok. 3x w stosunku do DVD±R i 2x do DVD±RW); * Wolniejsze od DVD±RW przy zapisie większej ilości danych (dużych plików). 26

27 27 DVD RAM nośnik

28 28 DVD RAM napęd

29 Blu-ray Blu-ray Disc (BD) konkurencyjny dla HD DVD format zapisu optycznego, opracowany przez Blu-ray Disc Association (BDA). Następca formatu DVD. Wyróżnia się większą pojemnością od płyt DVD, co jest możliwe dzięki zastosowaniu niebieskiego lasera. Ten nowy typ nośnika pozwala na zapisanie 25 GB danych na płytach jednowarstwowych. W użytku są również płyty dwuwarstwowe o pojemności 50 GB. Istnieją płyty czterowarstwowe mieszczące do 100 GB oraz ośmiowarstwowe, na których można zapisać 200 GB informacji. Pioneer opatentował płytę szesnastowarstwową, która mieści do 400 GB danych. Do zapisywania na tym nośniku jest używany niebieski laser (w nagrywarkach DVD używany jest laser czerwony). 29

30 Blu-ray Podstawową różnicą pomiędzy tymi laserami jest długość fali czerwony ma 650 albo 635 nm (nanometrów), podczas gdy niebieski tylko 405 nm. Mniejsza długość fali pozwala na zmniejszenie rozmiaru pitów, a co za tym idzie daje to możliwość gęstszego zapisywania danych na jednostce powierzchni nośnika. Dysk Blu-ray ma dwie warstwy: pierwsza o grubości 1,1 mm, druga zapisywalna o grubości 0,1 mm. Minimalna długość wgłębienia wynosi 0,15 µm. Przerwa między ścieżkami to 0,32 µm, a średnica plamki lasera wynosi 0,48 µm. BD- ROM wymagają specjalnej, mocnej warstwy ochronnej dla ścieżki zapisu, która leży na głębokości zaledwie 0,1 mm. Na wyprodukowanie jednej płyty potrzeba 10 sekund. Istnieją wersje BD-ROM (Read Only Memory), BD-R (Recordable) i BD-RE (REwritable, do 1000 zapisów) 30

31 31 Różnica DVD a Blu-ray

32 Blu-ray HD DVD 32 Storage Capacity 25 GB (single layer), 50 GB (double 15 GB (single layer), 30 GB (double layer), 100/128 GB (BDXL) layer) Laser wavelength 405 nm (blue-violet laser) 405 nm (blue-violet laser) Numerical Aperture Maximum Bitrate (Raw data) Mbit/s Mbit/s Encoding MPEG-2, MPEG-4 AVC (H.264), and VC-1 VC-1, H.264, and MPEG-2 Maximum Bitrate (Audio+Video) 48 Mbit/s Mbit/s Maximum Bitrate (Video) 40 Mbit/s 29.4 Mbit/s Interactivity Blu-Ray Disc Java HDi Interactive Format Maximum video resolution 1080p High Definition TV /25/30p or 50/60i HDTV Region Code 3 Regions Region free Hardcoating of disc Mandatory Optional Content protection system AACS-128bit / BD+ AACS-128bit Mandatory video codecs MPEG-4 AVC (H.264) / VC-1 / MPEG- MPEG-4 AVC (H.264) / VC-1 / MPEG- 2 2 Dolby Digital audio codec 640 kbit/s Mandatory DTS audio codec 1.5 Mbit/s Mandatory Dolby Digital Plus audio codec 1.7 Mbit/s Mandatory DTS-HD High Resolution audio codec 6.0 Mbit/s Optional Linear PCM audio codec Mandatory Mandatory Dolby TrueHD audio codec Optional Mandatory

33 Blu-ray HD DVD DTS-HD Master audio codec Optional Optional Video Playback Time (SD with MPEG2 at 5 Mbit/s) 22.2 hours 13.3 hours Video Playback Time (HD with MPEG2 5.6 hours at 20 Mbit/s) 3.3 hours Video Playback Time (HD with AVC or VC-1 at 13 Mbit/s) 8.5 hours 5.1 hours 33