WYKŁAD 6. Pojemność dysków twardych

WYKŁAD 6 Magnetyczne dyski twarde pojemność głowice odczyt danych bariery pojemności Optyczne dyski twarde Solid State Disks Rozwój wymiennych pamięci masowych Wzloty i upadki pamięci masowych Wymienne karty pamięci Dyski magnetooptyczne, standardy Dyski CD i DVD cz. I Dyski CD i CDROM Dyski CD-R i CD-RW Dyski DVD cz. I Dyski DVD-RAM i DVD+RW Porównanie własności pamięci masowych Blu-Ray i HD DVD 1 Pojemność dysków twardych W trybie CHS (Cylinder/Head/Sector) moŝna zaadresować maksymalnie 65 536 cylindrów, 16 głowic i 255 sektorów. Przy 512 bajtach na sektor daje to teoretycznie maksymalną pojemność dysku twardego 136,9 GB. W trybie LBA (Large Block Address) adres ma rozmiar 28 bitów i pozwala zaadresować dysk o maksymalnej pojemności 137,4 GB. Dane na powierzchni talerzy zapisane są na koncentrycznych ścieŝkach (tracks). KaŜda ścieŝka podzielona jest na sektory, które ułatwiają wyszukiwanie danych w jej obrębie. Na typowym, 3,5-calowym talerzu, wewnętrzna (najkrótsza) ścieŝka ma ok. 60 sektorów, zaś zewnętrzna (najdłuŝsza) - 120 sektorów. Zazwyczaj sektor mieści 512 bajtów danych plus dodatkowe bajty adresujące. ŚcieŜki na wszystkich talerzach w dysku twardym, odpowiadające określonemu połoŝeniu wszystkich głowic, tworzą tzw. cylindry. Pojemność dysku twardego zaleŝy od tzw. powierzchniowej gęstości zapisu (areal density), czyli liczby bitów, jaka mieści się w calu kwadratowym na powierzchni pojedynczego talerza. Wartość ta określona jest jednostką BPSI (Bits Per Square Inch). Otrzymuje się ją przez pomnoŝenie liczby bitów, mieszczących się w calu ścieŝki (BPI - Bits Per Inch) przez liczbę ścieŝek przypadających na cal (TPI - Tracks Per Inch). 1

2 Głowice dysków twardych Na początku wykorzystywano głowice ferrytowe. Zastąpiły je głowice kompozytowe, które przede wszystkim składały się z materiału niemagnetycznego, w który wtopiony był mały fragment ferrytowy. Następnie pojawiły się głowice typu MIG (Metal-In-Gap). W niewielkiej szczelinie miały kilka bardzo cienkich warstw metalu, co bardzo polepszało ich właściwości magnetyczne. Do niedawna bardzo popularne były głowice cienkowarstwowe (thin film inductive - TFI), wytwarzane metodami stosowanymi przy produkcji układów scalonych. Kluczowym czynnikiem, mającym wpływ na powierzchniową gęstość zapisu, są głowice czytająco-zapisujące. Współczesne głowice MR zbudowane są z 2 elementów: elementem odczytującym jest w nich pasek ze specjalnego stopu niklowo- Ŝelazowego, którego opór zmienia się w zaleŝności od natęŝenia pola magnetycznego. Przez pasek ten przepuszczany jest prąd, a następnie badany jest na nim zaleŝny od oporu spadek napięcia. Do zapisu w głowicach MR słuŝy zwykły indukcyjny element cienkowarstwowy. Obecnie przewaŝają napędy z głowicami magnetorezystywnymi. Głowice magnetorezystywne (MR), zwane teŝ anizotropowymi głowicami magnetorezystywnymi (AMR - Anisotropic MR), umoŝliwiają osiągnięcie gęstości zapisu rzędu kilku miliardów BPSI. Odczyt 3 danych z dysków Głowica czytająco-zapisująca umieszczona jest na ruchomym ramieniu. Im precyzyjniej ramię to jest przemieszczane, tym większą ilość TPI moŝna uzyskać. W pierwszych dyskach twardych mechanizm przemieszczający ramię głowicy oparty był na silniku krokowym. Impuls prądu powodował dyskretną (skokową) pracę silnika. Ten typ mechanizmu umoŝliwiał stosunkowo prostą, lecz wolną i mało precyzyjną zmianę ścieŝki na sąsiednią. Nowe dyski stosują serwomechanizm zwany voice coil. Głowica umieszczona jest na obrotowo zawieszonym ramieniu, poruszanym cewką - jak wskazówka miernika Podczas operacji odczytu zmiany kierunku strumienia magnetycznego przy przejściu nad róŝnie namagnesowanymi obszarami (flux changes) powodują wygenerowanie w głowicy czytającej analogowej fali sinusoidalnej. Ta przesyłana jest do specjalnego kanału czytającego, który analizuje sygnał i wszystkie maksima (wartości szczytowe) zamienia na bity informacji. Najnowsze napędy HDD stosują tzw. kanały odczytu PRML (Partial Response, Maximum Likehood). Będący częścią układu odczytującego, procesor sygnałowy (DSP) próbkuje sygnał analogowy, dzięki czemu uzyskiwana jest informacja o kształcie całego sygnału, a nie tylko o jego maksimach. UmoŜliwia to zwiększenie pewności odczytu nawet przy bardzo duŝych gęstościach zapisu. 2

4 Bariery pojemności Pojemność dysków twardych ciągle rośnie, jednak komputery nie zawsze potrafią z tego skorzystać, ograniczone kolejnymi barierami pojemności, wynikającymi z metod dostępu do danych. Kolejne bariery to 528 MB, 2,1 GB, 4,2 GB i 8,4 GB. Pierwsze BIOSy płyt głównych potrafił zaadresować maksymalnie 1024 cylindry, 16 głowic i 64 sektory, co przy 512-bajtowych sektorach dawało maksymalną pojemność 528,4 MB. Stąd pierwsza bariera. Druga bariera to skutek starego systemu alokacji plików uŝytego w DOS-ie FAT (File Allocation Table), znanego dziś jako FAT16. FAT potrafi zaadresować maksymalnie 65 536 klastrów na dysku twardym, kaŝdy po 32 768 bajtów. Po pomnoŝeniu obu wartości otrzymujemy 2147 483 648 bajtów, stąd druga bariera - 2,1 GB. Tę barierę moŝna obejść, stosując inny system plików, np. FAT32, NTFS czy ext2. Zanim zaczęto stosować adresowanie LBA, aby umoŝliwić komputerom obsługę dysków większych od 528 MB, praktykowano konwersję adresu z przesunięciem bitu (Bit Shift Translation). Adres cylindra i głowicy poddawany był tłumaczeniu na taki adres, który nie przekraczał rozmiaru rejestrów interfejsu ATA. Niektóre systemy operacyjne przyporządkowują numerowi głowicy zaledwie 8-bitową wartość. Te systemy obsługują dyski o maksymalnej pojemności 4,2 GB. Ostatnią barierę tworzy adresowanie LBA. Maksymalne wartości w tym przypadku to: 16 384 cylindry, 16 głowic i 64 sektory, co daje pojemność 8,456 GB. Rozwiązaniem jest zastosowano rozszerzone funkcje przerwania 13 (Int 13), odpowiedzialnego za adresowanie danych na dysku twardym. 5 Optyczne dyski twarde Przez zastosowanie wymienionych technologii teoretycznie moŝna jeszcze zwiększyć gęstość powierzchniową do setek miliardów bitów na cal kwadratowy. Jest jednak próg, którego wszyscy się obawiają - tzw. granica nadparamagnetyczna. Jest to punkt, w którym gęstość powierzchniową szacuje się na 20 do 40 Gb/cal2. Obszary magnetyczne odpowiedzialne za poszczególne bity znajdują się juŝ tak blisko siebie, Ŝe wpływają na polaryzację domen w obszarach sąsiednich. Następują niekontrolowane zmiany polaryzacji domen, a co za tym idzie, utrata danych zapisanych na talerzu. Podstawą OAW (Optically Assisted Winchester - dysk twardy wspomagany optycznie) jest sieć światłowodów, które oplatają ramiona z głowicami czytającozapisującymi. Na samym końcu ramion znajdują się maluteńkie lusterka o wielkości główki od szpilki. Odbijają one światło dostarczone światłowodem i kierują je do soczewek. Nachylenie lusterek sterowane jest elektrycznie. Prąd powoduje zmianę połoŝenia, a więc zmianę kąta odbicia światła. UmoŜliwia to skupienie światła w innym miejscu na nośniku bez jakiejkolwiek zmiany połoŝenia ramion z głowicami. Przewiduje się, Ŝe lusterka umoŝliwią uzyskanie gęstości nawet 100 tysięcy ścieŝek na cal (TPI), czyli np. czterysta ścieŝek na odcinku równym grubości kartki papieru. Specjalna konstrukcja talerzy, nazwanych przez RE-TM Media zawiera tworzywa sztucznego, np. poliwęglanu pokryte warstwą amorficznych metali przejściowych ziem rzadkich 3

6 Solid State Disks Istnieją zastosowania, w których nawet najwydajniejsze macierze szybkich dysków okazują się wąskim gardłem. Rozwiązaniem problemu mogą być wówczas dyski krzemowe zwane SSD (Solid State Disks). Od strony koncepcyjnej budowa SSD jest bardzo prosta - duŝa ilość niedrogiej dynamicznej pamięci RAM, wyposaŝona w odpowiedni sterownik i interfejs SCSI. Dla systemu krzemowy dysk nie róŝni się niczym od zwykłego napędu SCSI. RóŜnica sprowadza się jedynie do szybkości działania - za to jest ona kolosalna. Ze względu na brak części ruchomych, typowe dla twardych dysków opóźnienia - rotacyjne i wywołane koniecznością zmiany ścieŝki - sprowadzają się do zera. W zaleŝności od modelu, średni czas dostępu do danych wynosi 100, 50, 25 czy tylko 14... mikrosekund (Solid Data Excellerator) - dla porównania, dla ultraszybkiego (15 tys. obr./min) dysku Seagate Cheetah X15 są to 4 milisekundy, a więc około stu razy więcej. Najwydajniejsze modele SSD (np. Quantum Rushmore esystem Accelerator) są w stanie wykonać nawet 18 tysięcy operacji I/O na sekundę - twarde dyski wykonują zwykle około 100. 7 Rozwój wymiennych PM Pierwszy napęd dysków wymiennych był skonstruowany w roku 1962 przez IBM W czasach pierwszych komputerów osobistych najpopularniejszą pamięcią masową był magnetofon kasetowy. Bogatsi posiadali stacje wymiennych dyskietek 5,25 cala o pojemności rzędu 160-180 kb opracowanych w 1970 przez IBM Kolejnym standardem stały się dyskietki - najpierw pięciocalowe o pojemności najczęściej 360 kb lub 1,2 MB, a potem trzyipółcalowe 720 kb i 1,44 MB pomysłu SONY Pierwszymi wymiennymi dyskami dla komputerów osobistych były wprowadzone na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych napędy Bernoulli i SyQuest, wykorzystujące technologie konwencjonalnych twardych dysków W tym samym czasie zaczęły zdobywać popularność napędy wymiennych dysków magnetooptycznych. Pierwsze pięciocalowe dyski MO miały pojemność 650 MB (dwie strony po 325 MB), Podczas rosnącej - kosztem wymiennych dysków magnetycznych - popularności technologii magnetooptycznej na rynek przebojem powróciła firma Iomega z napędami Zip i Jaz 4

8 Wzloty i upadki PM W międzyczasie firma Iomega próbowała wprowadzić na rynek zgodne z dyskietkami 3,5" napędy Floptical, które stosowały magnetyczną zasadę zapisu i laserowe pozycjonowanie głowicy. Na specjalnych dyskietkach Floptical mieściło się 21 MB danych. Mimo stosunkowo duŝej pojemności i zgodności ze standardem 1,44 MB - Flopticale nie przyjęły się na rynku Najwyraźniej nietrafionym pomysłem okazała się próba wypromowania przez Sony przeznaczonej do przechowywania danych odmiany zyskującego dziś coraz większe powodzenie napędu Mini-Disc - MD-Data. Mini-Disc jest de facto 2,5-calowym dyskiem magnetooptycznym o pojemności 140 MB, co pozwala zmieścić na nim godzinę skompresowanej muzyki o jakości CD. Nie wyjaśnioną tajemnicą pozostaje dla mnie fakt małej popularności napędów PD, opracowanych dobre kilka lat temu przez firmę Panasonic, jeszcze przed masowym upowszechnieniem technologii CD-R. Napędy PD (Phase change, Dual action) uŝywają wielokrotnie zapisywalnych (i kasowalnych) dysków optycznych o pojemności 650 MB, przy bezpośrednim (w przeciwieństwie do CD-R) dostępie napęd PD moŝe jednocześnie pełnić rolę czytnika CD. Obecnie firma Sony lansuje zgodny ze starymi, dobrymi dyskietkami 1,44 MB (nota bene, równieŝ wynalazkiem Sony) napęd HiFD, zdolny na specjalnych dyskietkach zapisywać do 200 MB danych. W porównaniu ze wspomnianym LS120 HiFD ma istotną zaletę - jest od niego o niebo szybszy. 9 Wymienne karty pamięci cz. I Tego typu pamięci uŝywano juŝ bardzo dawno, zazwyczaj były to karty pamięci SRAM z bateryjnym podtrzymaniem. Współcześnie uŝywane są niemal wyłącznie pamięci typu Flash, zawierające elektrycznie kasowalne układy EPROM (EEPROM). Ich zaletą jest brak konieczności bateryjnego podtrzymywania, wadą wciąŝ stosunkowo wysokie ceny w przeliczeniu na megabajt pojemności. Starsze pamięci naleŝały do tzw. Linear Flash, co wiązało się z bardziej skomplikowanym systemem zapisu i koniecznością stosowania specjalnych sterowników, dziś uŝywane są głównie karty Flash zgodne ze specyfikacją ATA, dzięki czemu system moŝe je traktować po prostu jako jeszcze jeden dysk. W przypadku wymiennych kart pamięci Flash mamy do czynienia z czterema głównymi standardami: PC-Card, Compact Flash, SmartMedia i Miniature Card. Historycznie najstarszy jest standard PC-Card, wywodzący się w prostej linii od kart PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association, organizacja powołana przez grupę firm do standaryzacji właśnie kart pamięci dla komputerów przenośnych). Nośniki wielkości karty kredytowej mają pojemności do 32 MB (typ I, produkcji AMD), a nawet do 150 MB (nieco grubsze karty typu II, produkcji firmy SanDisk) czy wręcz 300 MB (typ III, producent SanDisk). Nośniki PC-Card mogą współpracować z praktycznie dowolnymi urządzeniami wyposaŝonymi w standardowe złącze, np. notebookami. 5

10 Wymienne karty pamięci cz. II Karty CompactFlash, produkowane m.in. przez firmę SanDisk, mają wielkość "ksiąŝeczki" zapałek i są dostępne w pojemnościach od 2 do 48 MB. Znajdują zastosowanie m.in. w komputerach przenośnych (np. Psion Series 5, palmtopy serii HP 600), cyfrowych aparatach fotograficznych itd. - lista urządzeń obejmuje ponad 140 konkretnych produktów. Opracowane przez Toshibę karty SmartMedia (inaczej SSFDC, Solid State Floppy Disk Card) mają wielkość znaczka pocztowego, grubość ok. 1 mm i są obecnie dostępne w wersjach 2, 4 i 8 MB. Korzystają z nich m.in. cyfrowe aparaty fotograficzne firm Agfa, Epson, Fuji, Minolta, Olympus, Sega, Sanyo, Toshiba oraz cyfrowe dyktafony. Rozwój Miniature Card nadzoruje Miniature Card Implementers Forum (MCIF). Karty o rozmiarach 38x33x3,5 mm mogą teoretycznie pomieścić do 64 MB, AMD oferuje nośniki o pojemnościach do 8 MB. Do kart CompactFlash, SmartMedia i Miniature Card produkowane są specjalne adaptery, umoŝliwiające dołączanie ich do komputerów za pomocą złącza PCMCIA czy np. interfejsu szeregowego. 11 Dyski magnetooptyczne Do zapisu i odczytu danych uŝywa się w napędach MO zestawów soczewek (modułu ogniskującego), światła laserowego o zmiennej mocy, głowicy magnetycznej oraz talerzy magnetycznych - pełniących rolę nośników - zbudowanych ze specjalnych stopów metali umieszczonych na podłoŝu szklanym lub poliwęglanowym. Zarówno w napędach MO, jak i w dyskach twardych dane zapisywane są w postaci maleńkich pól magnetycznych. Jednak sposób zapisu jest inny: w napędach MO zapisanie informacji wymaga dwukrotnego przejścia głowicy nad talerzem, w napędach HDD - tylko jednego. Pierwsze przejście słuŝy do wyzerowania nośnika, drugie do zapisania jedynek. Ten sam laser słuŝy równieŝ do odczytu. Światło odbite od obszarów zer i jedynek ma odmienną polaryzację, co w prosty sposób daje się wychwycić w detektorach. 6

12 Standardy dysków MO W opracowywaniu nowych standardów nośników dla napędów MO współuczestniczą organizacje OSTA (Optical Storage Technology Association) i ISO (International Standard Organization). Pierwsze dokumenty ISO 10089 określały nośniki o pojemności 600 (595) MB i 650 MB. Podobnie jak w przypadku nośników CD-ROM, definiujemy je jako 1x (jednokrotnej pojemności). Kolejny dokument ISO 13549 określał nośniki 2x o pojemności 1,2 GB i 1,3 GB. Obecna generacja ma oznaczenie ISO 14517 (2,3 GB i 2,6 GB - 4x). Ale specyfikacja ta odnosi się nie tylko do tradycyjnych dysków MO, ale równieŝ LIMDOW (Laser Intensity Modulation Direct OverWrite) i CCW WORM (Continuous Composite Write-once). Poszukując nowego napędu MO, warto zwracać uwagę na to, czy potrafi on czytać wszystkie trzy generacje nośników. W 1998 roku pojawiły się napędy 8x, o pojemności 5,2 GB. Najnowsze zapowiedzi dotyczą: technologia MO7 dyski o średnicy 120 mm i pojemności 7 GB na jednej stronie, kompatybilne z DVD-ROM orac CD-ROM napędy AS-MO - następna generacja napędów MO, zastępująca dotychczasowe urządzenia formatu 3,5" i 5,25". AS-MO będą zgodne z konkurencyjnymi systemami zapisu w rodzaju DVD-ROM i CD-ROM, dzięki zastosowaniu tego samego lasera o długości 650 nm co w DVD. 13 Dyski CD i DVD cz. I Głównym składnikiem płyty CD jest przezroczysty, poliwęglanowy krąŝek o średnicy 12 cm i grubości około jednego milimetra. Na krąŝek ten napylona jest warstwa aluminium. Aluminium chroni warstwa lakieru, zaś na nim znajduje się juŝ ostatnia, czwarta warstwa, reklamowa. Najczęściej jest to nadruk z tytułami płyty i utworów oraz logo zespołu czy wydawcy krąŝka. Całkowita grubość krąŝka złoŝonego z czterech warstw to 1,2 mm. Dane są zapisane na płycie CD podczas produkcji płyty. W krąŝku poliwęglowym specjalna tłocznia wyciska mikroskopijnej wielkości wypustki. Układają się one w spiralną ścieŝkę, zaczynającą się wewnątrz krąŝka i kończącą na jego zewnętrznej krawędzi. Na tak wytłoczony krąŝek napyla się cieniuteńką warstwę aluminium, pełniącą rolę lusterka. Aluminium pokrywa wszelkie "nierówności terenu" - tam, gdzie były wypustki, w aluminium tworzą się dołki, zaś tam, gdzie brak wypustek, aluminium jest po prostu płaskie. Dołki nazwane zostały pitami (ang. pit - dołek), zaś płaskie obszary - landami. Lakier chroni aluminium przed zdrapaniem. 7

14 Dyski CD i DVD cz. II Informacja jest odczytywana z płyty CD lub z CD-ROM za pomocą lasera małej mocy wbudowanego w odtwarzacz płyt lub napęd CD-ROM. Laser świeci przez przezroczyste pokrycie, a dysk jest wprawiany w ruch obrotowy przez silnik. NatęŜenie odbitego światła zmienia się, gdy napotyka ono wgłębienie. Zmiana ta jest wykrywana przez fotoczujnik i zamieniana na sygnał cyfrowy. Dwa lata po ogłoszeniu standardu CD--Audio krąŝek CD przystosowano do zapisu danych komputerowych i nazwano go CD-ROM (CD-Read Only Memory, pamięć tylko do odczytu). Struktura płyty CD-ROM nie zmieniła się w stosunku do krąŝka muzycznego, powiększona została jedynie liczba bitów korekcji błędów przypadających na kaŝdą jednostkę danych. Specyfikacje CD i DVD CD DVD Średnica dysku 120 mm 120 mm Grubość krąŝka 1,2 mm 1,2 mm Struktura krąŝka krąŝek poliwęglowy dwa krąŝki Długość fali lasera 780 nm (podczerwony) 650 oraz 635 nm (czerwony) Szerokość ścieŝki 1,6 mm (mikrometra) 0,74 mm (mikrometra) Najmniejsza długość pitu/landu 0,83 mm (mikrometra) 0,4 mm (mikrometra) Warstwy danych jedna jedna lub dwie Pojemność 650 MB 4,38-15,9 GB, zaleŝnie od wersji 15 Dyski CD i DVD cz. III Wgłębienie połoŝone bliŝej środka obracającego się dysku porusza się względem ustalonego punktu (np. wiązki laserowej) wolniej niŝ wgłębienie na obrzeŝu płyty. Kompensację zmian szybkości moŝna osiągnąć - podobnie jak w przypadku dysków magnetycznych - przez zwiększanie odległości między bitami informacji zapisanymi w segmentach dysku. Informacje mogą więc być odczytywane z tą samą szybkością przy dysku obracającym się ze stałą prędkością kątową (ang. constant angular velocity - CAV). PoniewaŜ lokowanie mniejszej ilości informacji na brzegu dysku powoduje marnowanie powierzchni, metoda CAV nie znalazła zastosowania w napędach CD i CD-ROM. Zamiast tego informacja jest umieszczana na dysku równomiernie w segmentach o tych samych rozmiarach, które są skanowane z tą samą szybkością w wyniku obracania dysku ze zmienną prędkością kątową. Wgłębienia są więc odczytywane przez laser ze stałą prędkością liniową (ang. constant linear velocity - CLV). Dysk obraca się wolniej w przypadku dostępu do danych na obrzeŝu niŝ w przypadku sięgania w okolice środka dysku. Tak więc pojemność ścieŝki i opóźnienie obrotowe wzrastają, gdy ścieŝka znajduje się blisko brzegu dysku. 8

16 Dyski CD i CDROM Produkowano płyty CD-ROM o róŝnych gęstościach. Zwykle odstęp między ścieŝkami wynosi 1,6 µm. Zapisywalna szerokość płyty CD--ROM wzdłuŝ promienia wynosi 32,55 mm, a więc całkowita liczba moŝliwych ścieŝek jest równa 32 550 µm podzielone przez odstęp ścieŝek, co daje 20 344 ścieŝek. W rzeczywistości jest to pojedynczą ścieŝką spiralną i moŝemy obliczyć jej długość, mnoŝąc średni obwód przez liczbę zwojów spirali; daje to około 5,27 km. Stała prędkość liniowa napędu CD-ROM wynosi 1,2 m/s, co daje czas zapisu całej ścieŝki 4 391 s lub 73,2 min PoniewaŜ dane są odczytywane z dysku z szybkością 176,4 KB/s, pojemność płyty CD-ROM wynosi 774,57 MB. Header (nagłówek): Zawiera adres bloku i bajt trybu. tryb 0 - czyste pole danych, tryb 1 - wykorzystanie kodu korekcyjnego i 2048 bajtów danych, tryb 2-2336 bajtów danych uŝytkownika bez kodu korekcyjnego. 17 Dyski CD-R i CD-RW W przypadku CD-R zmieniła się nieco budowa płyty. KrąŜek poliwęglowy nie jest w tym wypadku tłoczony, a posiada jedynie ścieŝkę pozycjonującą laser. Bezpośrednio na krąŝku naniesiona jest nowa warstwa organiczna. Są nią światłoczułe związki chemiczne, które pod wpływem temperatury trwale zmieniają swoje własności fizyczne. Początkowo są przezroczyste, a po ogrzaniu stają się mętne. Patrząc na płytę CD-R (CD-Recordable) od spodu: barwnik cyjanowy nadaje jej kolor zielonkawy, ftalocyjanowy - złoty, zaś azowy - niebieski. Na początku 1997 r. stworzono kolejne urządzenie - CD-ReWritable (CD-RW), pozwalające na zapis wielokrotny. Zamiast warstwy organicznej zastosowano substancję, która pod wpływem działania lasera o określonej długości fali staje się krystaliczna i przepuszcza promień lasera, by ten mógł się swobodnie odbić od lusterka, zaś pod wpływem lasera o innej długości fali - staje się amorficzna i absorbuje światło (działa jak pit). 9

18 Dyski DVD cz. I 19 Dyski DVD cz. II Pojemności dysków DVD Regiony DVD Nazwa dysku Typ Pojemność (w GB) DVD-5 JS/JW 4,38 4,7 DVD-9 JS/DW 7,95 8,5 DVD-10 DS/JW 8,75 9,4 DVD-18 DS/DW 15,9 17 DVD-R JS/JW 3,68 3,95 DVD-R DS/JW 7,38 7,9 Pojemność (w mld bajtów) Re Państwa nim objęte gio n 1 Kanada, Stany Zjednoczone i pobliskie terytoria 2 Europa, Japonia, Południowa Afryka, Środkowy Wschód (włączając Egipt) 3 Azja Południowo-Wschodnia, Azja Wschodnia (włączając Hongkong) 4 Australia, Nowa Zelandia i Oceania, Ameryka Środkowa, Ameryka Południowa, Karaiby 5 Kraje byłego Związku Radzieckiego, Indie, Afryka, Północna Korea, Mongolia 6 Chiny DVD-RAM JS/JW 2,4 2,58 DVD-RAM DS/JW 4,8 5,16 Legenda: JS - jednostronny; DS - dwustronny; JW - jednowarstwowy; DW - dwuwarstwowy 10

20 Dyski DVD-RAM i DVD+RW Pierwsze nagrywalne formaty DVD powstały zaraz po uzgodnieniu specyfikacji nowego standardu. Latem 1997 roku konsorcjum DVD zatwierdziło dwa standardy: DVD-R (zapis jednokrotny) DVD-RAM (zapis wielokrotny). DVD-R umoŝliwiał zapisanie na płytce 3,68 GB (3,95 mld bajtów) danych, a stosowane nośniki miały warstwy organiczne - podobnie jak w płytkach CD-R. Z kolei DVD-RAM pozwalał na wielokrotny zapis początkowo 2,4 GB (2,6 mld bajtów) na jednej stronie płytki. Przewidziano takŝe moŝliwość zapisu dwustronnego - 4,8 GB (5,2 mld bajtów). Dziś dostępne są juŝ wersje DVD-RAM potrafiące zapisać 4,38 GB (4,7 mld bajtów) na jednej stronie krąŝka (lub 8,76 GB, czyli 9,4 mld bajtów dwustronnie). W listopadzie 1998 r. opracowano wersję dysku DVD+RW o pojemności 4,38 GB (4,7 mld bajtów), a więc takiej, jaką ma standardowy dysk DVD-ROM. Szerokość ścieŝki czy długość fali lasera czytającego były identyczne z tymi w DVD-ROM, zatem moŝliwy stał się odczyt DVD+RW drugiej generacji na praktycznie kaŝdym urządzeniu DVD 21 Porównanie własności PM Porównanie podstawowych parametrów niektórych pamięci dyskowych Standard Metoda zapisu Format Pojemność Czas dostępu Szybkość transmisji śywotność nośnika Zgodność Interfejsy Iomega Zip Magnetyczna 3,5" 100 MB 29 ms 1,4 MB/s >10 lat LPT, SCSI, EIDE Iomega Jaz Magnetyczna 3,5" 2 GB 12 ms 7,4 MB/s >10 lat Jaz 1 GB Ultra SCSI SyQuest Quest Magnetyczna 5,25" 4,7 GB 12 ms 10,6 MB >5 lat UW SCSI Nomai 750c Magnetyczna 3,5" 750 MB 10,5 ms 4 MB/s >5 lat 540 MB, 270 MB, 135 MB Fast SCSI-2 LS-120 Magnetyczna 3,5" 120 MB 70 ms 313-357 kb/s bd 3,5" FDD EIDE HiFD Magnetyczna 3,5" 200 MB bd 1,2 MB/s (W), 3,6 MB/s (R) bd 3,5" FDD bd PD Optyczna, PD 120 mm 650 MB 78 ms 1140 kb/s >30 lat PD, CD-R, CD(-ROM itd.) EIDE, SCSI CD-R Optyczna 120 mm 650 MB bd bd >70 lat CD(-ROM itd.) EIDE, SCSI CD-RW Optyczna, PD 120 mm 650 MB 150 ms 4xCD-R, 2xCD-RW >30 lat CD-R, CD-RW, CD(-ROM itd.) EIDE, SCSI DVD-R Optyczna 120 mm 2x3,95 GB bd bd >70 lat DVD(-ROM), CD(-ROM itd.) EIDE, SCSI DVD-RAM Optyczna, PD 120 mm 2x2,6 GB 120 ms 1385 MB/s >30 lat PD, DVD, DVD-ROM, DVD-R, CD(-ROM itp.) EIDE, SCSI DVD+RW Optyczna, PD 120 mm 2x3 GB bd bd >30 lat DVD(-ROM), CD(-ROM itd.) EIDE, SCSI MO 3,5 Magnetooptyczna 3,5" 640 MB 29 ms 10 MB/s >50 lat 128, 230 MB EIDE, SCSI MO 5,25 Magnetooptyczna 5,25" 2x2,6 GB 20 ms 22,8-47,2 MB/s >50 lat 650 MB; 1; 1,3; 2,6 GB SCSI 11

22 Blu-Ray i HD DVD Format Blu-ray został opracowany w laboratoriach korporacji Sony (czyli dawnej Columbii i MGM, posiadacza największej biblioteki filmowej na świecie) przez grupę Blu-ray Disc Association (BDA), którą utworzyły czołowe międzynarodowe przedsiębiorstwa komputerowe i multimedialne (Apple, Dell, Hitachi, HP, JVC, LG, Mitsubishi, Panasonic, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony, TDK i Thomson). Dzięki zastosowaniu niebieskiego lasera (stąd teŝ pochodzi nazwa formatu - jest to połączenie dwóch angielskich słów: blue/niebieski i ray/promień; przy czym "e" usunięto celowo, po to, aby moŝna było całość zarejestrować jako znak towarowy) nowy nośnik osiąga pojemność 25 GB w przypadku płyty jednowarstwowej i 50 GB, gdy jest to krąŝek dwuwarstwowy. Technologia HD DVD (High Definition DVD) jest owocem starań organizacji AOSRA, załoŝonej przez korporacje Toshiba i NEC oraz Memory-Tech. W Hollywood format ten znalazł swoich sprzymierzeńców w studiach Warner Bros., Paramount Pictures oraz Universal Studios, a takŝe New Line Cinema. Ten rodzaj zapisu optycznego takŝe wykorzystuje niebieski laser, aczkolwiek oferuje pojemność mniejszą niŝ Blu-ray, a mianowicie 15 GB w przypadku płyt jednowarstwowych i 30 GB - w krąŝkach dwuwarstwowych. Posiada jednak tę zaletę, iŝ pierwsza warstwa nośnika moŝe być identyczna z warstwą standardowej płyty DVD, dzięki czemu posiadacze starych odtwarzaczy będą mogli nadal oglądać na nich filmy nowej generacji (chociaŝ ze stratą na jakości). 24 Blu-Ray i HD DVD Parametr Pojemność ROM (SL/DL) [GB] Pojemność R (SL/DL) [GB] Pojemność RE (SL/DL) [GB] Transfer danych [Mbps/s] Grubość dysku [mm] Grubość warstwy ochronnej [mm] Odległość ścieŝek [µm] Minimalna długość wgłębienia w ścieŝce (PITa) [nm] Blu-Ray 23.3/46.6 lub 25/50 23.3/46.6 lub 25/50 lub 27/54 23.3/46.6 lub 25/50 lub 27/54 36 (x1); 72 (x2) 54 (video BD-ROM) 1.1 0.1 0.32 160 (23.3/46.6GB) 149 (25/50GB) 138 (27/54GB) HD-DVD 15/30 15/brak 20/32 36,55 (x1) 1.2 0.6 0.40 dla ROM i R 0.34 dla RE 204 (15/30GB) 12

25 Blu-Ray i HD DVD Parametr Format zapisu na dysk Apertura numeryczna (NA) Metoda korekcji błędów Max. długość korygowanego uszkodzenia [mm] Modulacja strumienia danych Zabezpieczenie przed kopiowaniem Obszar dla zabezpieczeń nośnika Blu-Ray Nowe: zmiana częstotliwości MSK-cos i HMW 0.85 Nowa: LDC, BIS 7.0 Nowa: 17PP BD-CPS (prawdopodobnie takŝe AACS) ROM Mark HD-DVD UŜyta w DVD+R: zmiana fazy dla ROM i R Bazujące na DVD- RAM: zmiana fazy i długości pit-a dla RE 0.65 UŜyta w DVD: PI, PO 7.1 UŜyta w CD i DVD: ETM AACS Volume identifier 26 Blu-Ray i HD DVD Dane na płycie zapisywane są w postaci spiralnej ścieŝki, która nie jest idealnie gładka lecz pofalowana, co z punktu widzenia głowicy napędu generuje falę nośną. Dodatkowo w pewnych strefach (np. ADIP) występują charakterystyczne zmiany kształtu ścieŝki. Pozwala to na szybsze odnajdywanie poszczególnych fragmentów płyty czy teŝ określenie prędkości obrotowej. Na płycie Blu-Ray w części czołowej obszaru ADIP (Address-In-Pregroove), w celu synchronizacji i detekcji początku danych, stosowana jest modulacja MSK-cos. Natomiast obszar danych ADIP modulowany jest z wykorzystaniem HMW. MSK-cos to metoda dyskretnej modulacji częstotliwości z minimalnym kluczowaniem ta wersja jest oparta na kosinusoidzie. Charakteryzuje się ona wysoką efektywnością wykorzystania pasma i niską stopą błędów. Natomiast HMW to metoda modulacji z wykorzystaniem częstotliwości harmonicznych sygnału. Na płycie obszar danych sekcji ADIP przybiera kształt zębów piły. KrąŜek HD-DVD tłoczony oraz jednokrotnego zapisu ma format zapisu przejęty z doskonale sprawdzającego się w praktyce DVD+R tu takŝe występuje modulacja fazy sygnału, a laser wypala wgłębienia jednakowej długości. Płyta HD-DVD-RE róŝni się od swoich sióstr tym, Ŝe ma zmienną długość PITów. Obszar płyty podzielony jest na 18 stref z proporcjonalnie rosnącymi długościami poszczególnych obszarów, co prowadzi do praktycznie stałej prędkości liniowej odczytu/zapisu danych przy stałej prędkości kątowej. 13

27 Blu-Ray i HD DVD NA Apertura numeryczna (Numerical Aperture) wielkość niemianowana w optyce proporcjonalna do sinusa maksymalnego kąta padania promienia lasera. WyŜsza jej wartość, przy połączeniu z krótszą falą promienia lasera, pozwala skupić wiązkę lasera na mniejszym obszarze, to daje moŝliwość zagęszczenia zapisu na płycie. Kod LDC (Long Distance Code) zawiera bajty parzystości dla kolumn z danymi, a kod BIS (Burst Indication Subcode) zawiera bloki z informacją o kontroli i adresowaniu. Obydwa wzajemnie się uzupełniają w celu korekcji danych przy długich i powaŝnych uszkodzeniach dysku. Korekcja dla HD-DVD zawiera podobnie jak w przypadku płyt DVD bloki z kontrolą parzystości kolumn i wierszy - PI (Parity Inner) oraz PO (Parity Outer). Jedyna róŝnica względem dysków wypalanych czerwonym laserem, to powiązanie kolejno dwóch sąsiadujących ze sobą bloków w jeden duŝy dla HD-DVD. 28 Blu-Ray i HD DVD Wykorzystywane w HD-DVD schemat modulacji ETM (Eight to Twelve Modulation 8 do 12), był wykorzystywany juŝ w zapisie na płytach CD i DVD. Polega on na przekształceniu bajta (8 bitów) danych na ciąg złoŝony z 12 bitów, spełniający warunki kodu RLL(1,10) kaŝda jedynka ciągu bitów musi być rozdzielona za pomocą co najmniej jednego i co najwyŝej dziesięciu zer. Modulacja 17PP jest zupełną nowością cechą charakterystyczną, odróŝniającą ją od dotychczas stosowanych modulacji, w tym takŝe ETM, jest traktowanie wprowadzanych danych jako strumienia bitów. Powoduje to, iŝ w poszczególnych porcjach modulowany jest ciąg bitów o zmieniającej się wciąŝ ilości wejściowych danych. 14

29 Blu-Ray i HD DVD Korzystając z okazji wprowadzenia szeregu innowacyjnych technologii w DVD nowej generacji, dodano takŝe kolejne rozwiązania w dziedzinie ochrony przed powielaniem. PoniewaŜ znany z DVD pierwszej generacji system zabezpieczeń przed kopiowaniem CSS został rozgryziony przez 15-letniego Jona Johannesa, postawiono na nowe metody ochrony filmów bardzo podobne do siebie AACS i BD-CPS. Zarówno urządzenia (na podstawie marki i modelu), jak i nośniki nowej generacji będą posiadać swoje klucze. Na tłoczonych płytach wydzielone są specjalne obszary, zawierające dane przeciwdziałające powielaniu nazwano je ROM mark w Blu-Ray i Volume identifier w HD-DVD. Nowe systemy ochrony będą opierać się na wprowadzaniu urządzeń, które zostały skompromitowane przez crakcerów, na czarną listę. Na początku dekodowania płyty, odtwarzacz wyszukuje w swoim rozległym drzewie kluczy, odpowiedni dla danego nośnika kod. JeŜeli go nie odnajdzie, wówczas moŝe po prostu odmówić odtworzenia zawartości włoŝonego nośnika. Jeśli crackerzy z powodzeniem dobiorą dla jakiegoś urządzenia klucz, a następnie zostanie on opublikowany w Internecie, to po tym incydencie na nowych, tłoczonych nośnikach ten klucz jest dodawany do bazy blacklistowanych. W wyniku tego na urządzeniach z czarnej listy, nie będzie moŝliwe odtworzenie płyt zawierających informację o złamaniu danego odtwarzacza. Jest to niekorzystne dla posiadaczy urządzeń, które nie oparły się crackerom, gdyŝ pewnego dnia moŝe okazać się, Ŝe ich odtwarzacz odmawia wyświetlenia legalnie zakupionego filmu. 30 CD, DVD i Blu-Ray 15

31 NEC pogodził HD DVD i Blu-Ray? (2006.10.11) Najprawdopodobniej juŝ wkrótce pojawią się na rynku pierwsze nagrywarki, obsługujące zarówno format Blu-Ray, jak i HD DVD. Firma NEC Electronics poinformowała bowiem o rozpoczęciu dystrybucji nowych chipów, które umoŝliwią produkowanie takich urządzeń. Nowe chipy o oznaczeniach C3360GC i D63410GD, które powinny trafić na rynek jeszcze w tym roku, zostały wycenione przez producenta na 84 USD (za komplet). NEC planuje, Ŝe do kwietnia 2007 roku produkcja sięgnie 300000 zestawów. Układy umoŝliwiają (poza odczytem) zapis płyt HD DVD i Blu-Ray (HD DVD-R, RW, RAM i BD- R, RE) z prędkością 5x. Ponadto zapewniają zapis płyt DVD (DVD+/-R, +/-RW, -RAM) i CD (CD-R, CD-RW) z maksymalną prędkością 16x i 48x. Producent wyposaŝył je ponadto w technologię AACS (Advanced Access Content System) oraz obsługę interfejsu SATA II i PATA. Przedstawiciele firmy NEC poinformowali teŝ o rychłym wprowadzeniu do oferty mniejszych wersji nowych układów. 16