Transcript napedy_opytyczne

Napęd dysków optycznych
Odczytem informacji z nośnika
danych zapisanych na płytach
CD i DVD zajmuje się głowica
odczytująca. Odczyt różnych
obszarów płyty CD/DVD
możliwy jest dzięki wprawieniu
nośnika (umieszczonego w
napędzie) w ruch obrotowy,
podobnie jak ma to miejsce np.
w przypadku stacji dyskietek
czy dysków twardych, a także
dzięki ruchom głowicy
przesuwającej się pod
powierzchnią płyty.
Napęd dysków optycznych
O ile jednak np. w przypadku
głowicy dysku twardego
przesuwalny nad powierzchnią
nośnika magnetorezystywny
element półprzewodnikowy
zajmuje się odczytem danych, o
tyle pod powierzchnią płyty
CD/DVD przesuwa się jedynie
zespół luster i soczewek.
Elementy te nie dokonują
faktycznego odczytu danych.
Napęd dysków optycznych
Najpierw silnik napędu
rozpędza umieszczony w nim
nośnik, następnie
niskoenergetyczny promień
wyemitowany z nieruchomej
diody laserowej pada na lustro
umieszczone w ruchomym
zespole głowicy, poruszającym
się liniowo pod powierzchnią
obracającej się płyty. Światło
odbite od lustra przechodzi
przez zespół soczewek
skupiających promień na
powierzchni płyty.
Napęd dysków optycznych
Część światła padającego na
powierzchnię płyty zostaje
odbita. Odbite światło
przechodzi przez kolejny zespół
soczewek i luster, trafiając w
efekcie do fotodetektora
zamieniającego fale świetlne na
impulsy elektryczne. Na koniec
owe impulsy elektryczne trafiają
do mikroprocesora napędu, skąd
w postaci zrozumiałej dla
interfejsu komunikacyjnego
przesyłane są do komputera
jako dane.
Napęd dysków optycznych
Większość z elementów biorących udział w procesie odczytu
płyty jest nieruchoma, to czyni każdy napęd CD/DVD
relatywnie prostym w produkcji i co za tym idzie – tanim. W
uzyskiwaniu coraz niższych cen napędów „pomaga” także
masowość produkcji. Wykorzystanie optycznej technologii
odczytu zastosowanej w głowicach napędów CD/DVD-ROM
pozwala uniknąć wielu problemów, jakie są udziałem
magnetycznych pamięci masowych. Pomiędzy głowicą a
nośnikiem nie ma fizycznego kontaktu – w przeciwieństwie np.
do stacji dyskietek. Dzięki temu zyskuje się wysoką trwałość
nośnika. Nie ma także konieczności zachowania minimalnych
odległości pomiędzy nośnikiem a głowicą, jak ma to miejsce w
przypadku dysków twardych, to zaś z kolei nie wymusza
stosowania wyrafinowanych mechanizmów antywstrząsowych
ani hermetyzacji wnętrza napędu.
Napęd dysków optycznych
Pamiętać jednak trzeba, że optyczny charakter odczytu danych
wprowadza pewne ograniczenia: jakiekolwiek zabrudzenia
nośnika bądź – co jest znacznie poważniejsze – zespołu soczewek
i luster wewnątrz napędu mogą powodować niemożność
prawidłowego odczytu danych.
Płyta audio
Standardowa płyta CD-DA (Compact Disc Digital
Audio), która jako pierwsza pojawiła się masowo na rynku, to
płaski krążek poliwęglanowy o średnicy 12 cm (dokładnie 4¾”) i
grubości ok. 1,2 mm, pokryty warstwą aluminium (stąd jej
przydomek „srebrna” – odnoszący się do barwy, a nie materiału
ją pokrywającego) oraz lakieru ochronnego.
Płyty CD-ROM pod względem budowy nie różnią się
praktycznie niczym. Jedyną różnicą jest format zapisanych na
nich danych.
Płyta audio
Płyta CD czy DVD nie zawiera ścieżek w sensie
dosłownym, jak ma to miejsce np. na dyskietce lub dysku
twardym. W rzeczywistości każdy krążek ma jedną spiralną
ścieżkę (w przypadku dwuwarstwowych płyt DVD mamy
oczywiście do czynienia z dwoma spiralnymi ścieżkami, po
jednej na każdą warstwę).
Nasuwająca się w tym momencie analogia do czarnych
winylowych płyt gramofonowych jest jak najbardziej słuszna.
Ścieżka o długości ok. 6 km (!) ma szerokość 0.6
mikrometra, a odległość między sąsiednimi ścieżkami wynosi 1.6
mikrometra.
Dane (bez względu na ich rodzaj), tak jak w przypadku
każdego nośnika cyfrowego, reprezentowane są przez bity.
Płyta audio
Fotodetektor napędu „zauważa”, kiedy promień lasera
(o długości ok.780 nm) odbijany jest od powierzchni nośnika
mocno, a kiedy odbicia jest brak.
Całkowite wygaszenie (przez interferencję) powodowane
jest przez zagłębienia wyciśnięte w płycie CD, natomiast silne
odbicie światła wskazuje na brak takiego zagłębienia.
Mamy zatem dwa stany, a stąd już prosta droga do
odwzorowania bitu – zera i jedynki. Gładka powierzchnia płyty
to tzw. land, czyli binarne zero, natomiast wytłoczony rowek
(z ang. pit) to binarna jedynka.
Na dysku kompaktowym CD dane prezentowane są więc
jako pity i landy.
Metody odczytu
W starszych napędach CD, odczyt informacji z dysku
odbywał się ze stałą prędkością liniową (CLV, Constant Linear
Volocity), którą można osiągnąć poprzez zmienną prędkość
obrotową. Dysk wirował szybciej, gdy głowica odczytu zbliżała
się do środka dysku. Dane były odczytywane z szybkością
150KB/s (prędkość liniowa była stała i wynosiła 1,25m/s). Aby
uzyskać stałą prędkość liniową, dysk obracał się z szybkością od
210 do 540 rpm, zależnie od tego czy odczytywana była
zewnętrzna czy wewnętrzna ścieżka. Oczywiście proces
dostosowywania prędkości obrotowej do położenia głowicy
wpływał na zwiększenie czasu dostępu do danych.
Metody odczytu
Współczesne czytniki dysków kompaktowych pracują z
szybkościami przewyższającymi kilkadziesiąt razy szybkość
odczytu protoplasty. Oczywiście aby zwiększyć n-krotnie
szybkość odczytu, należy zwiększyć również n-krotnie szybkość
obrotową dysków. Jednak przy tak dużych szybkościach
obrotowych bezbłędny odczyt staje się praktycznie niemożliwy,
dlatego najnowsze napędy podczas odczytu danych pracują wg
systemu CAV (Constant Angular Velocity) – ze stałą prędkością
kątową. Szybkość odczytu danych jest n-krotna i osiąga
maksymalną wartość tylko dla ścieżek zewnętrznych. Odczyt
danych ze ścieżek położonych bliżej środka dysku jest
zdecydowanie wolniejszy.
Oznaczenie CD-ROM jako 50x oznacza, że osiągamy
maks. transfer 50x 150KB/s czyli 7500KB/s.
Czasy dostępu dla napędów CD wynoszą ok. 70-100ms
Formaty zapisu danych – CD DA
Najmniejszą jednostką informacji jaką możemy zaadresować
jest sektor (zwany też ramką, ang. frame) zawierający 2352 bajty.
CD-DA - płyta audio - ten rodzaj nośnika powstał jako
pierwszy i nie był pierwotnie przeznaczony do przechowywania
danych komputerowych. Pierwsze płyty CD-DA wyprodukował
Philips w 1980 roku i dane audio są zapisywane w próbkach samplach.
Na jedną sekundę nagrania przypada 75 bloków. Natomiast
pojedynczy blok płyty audio składa się z 588 sampli. Każdy z sampli
jest zapisany za pomocą 4 bajtów co w efekcie daje nam rozmiar
pojedynczego bloku (588x4=2352).
Format CD-DA stosowany przy zapisie muzyki przeznacza
cały sektor na zapis cyfrowego dźwięku – zbędna jest detekcja i
korekcja błędów. Płyta zawierająca ewentualne błędy są odtwarzane
z reguły normalnie, użytkownik nie jest w stanie usłyszeć różnicy.
Formaty zapisu danych – CD
DA
Znając powyższe informacje możemy sprawdzić ile
danych mieści się na płycie CD.
CD-DA 650MB 74 min
74(min.) x 60 (sekund) x 75 bloków = 333 000 bloków
333000 x 2352 B = 746,9 MB
CD-DA 700MB 80 min
80(min.) x 60 (sekund) x 75 bloków = 360 000 bloków
360000 x 2352 B = 807,5 MB
Formaty zapisu danych – mode 1
CD-ROM mode 1 - płyta z danymi. Należy zwrócić
uwagę na jedną bardzo istotną różnicę pomiędzy zapisem
muzyki i danych komputerowych na płycie CD. Otóż w
przypadku muzyki problemy z odczytem danych z uszkodzonej
(porysowanej) płyty mogą być dla przeciętnego muzykologa
praktycznie niesłyszalne. Niestety takie samo uszkodzenie
danych komputerowych spowoduje katastrofę i np. program nie
zadziała lub plik z dokumentem nie będzie się nadawał do
użytku.
W związku z tym zapis danych na płycie CD musiał ulec
pewnym zmianom poprzez dodanie mechanizmów korekcji.
Zmiany poprawiły bezpieczeństwo danych ale wpłynęły również
na zmianę pojemności płyty CD.
Formaty zapisu danych – mode 1
Format MODE 1 używa bloku o pojemności identycznej
z płytą audio czyli 2 352 bajtów, jednak część bajtów została
zarezerwowana na potrzeby zabezpieczenia danych przed
uszkodzeniem. W praktyce wygląda to mniej więcej tak:
• 12 bajtów używa synchronizacja
• 4 bajty zajmuje nagłówek
• 288 bajtów używanych jest na potrzeby korekcji
(ECC - Error Correction Code - kod detekcji i korekcji
błędów; dodatkowa warstwa naprawiająca błędy;
EDC - Error Detection Code – 32-bitowy obszar
umieszczony w każdym sektorze pozwalający na
wykrycie, że informacja została odczytana błędnie)
• 2 048 bajtów pozostało na dane
Formaty zapisu danych – mode 1
CD-ROM mode 1 650MB 74 min
74(min.) x 60 (sekund) x 75 bloków = 333 000 bloków
333000 x 2048 B = 650,4 MB
CD-ROM mode 1 700MB 80 min
80(min.) x 60 (sekund) x 75 bloków = 360 000 bloków
360000 x 2048 B = 703,1 MB
Podłączanie
Czytnik łączony jest z kontrolerem dysków twardych
komputera za pomocą 40-stykowego złącza IDE (ewentualnie
USB, SCSI). Napęd posiada standardowe 4-stykowe gniazdo
służące do zasilania elektroniki i mechanizmu oraz 4-stykowe
stereofoniczne wyjście audio. Zworki konfiguracji pozwalają
ustawić tryb Master lub Slave.
Napęd CD/DVD-ROM zgodny ze standardem ATA (ATAPI) jest
obsługiwany przez sterownik standardowo zaimplementowany
w systemie operacyjnym i praktycznie w każdym przypadku nie
ma potrzeby zastępowania go sterownikami dedykowanymi.
Podłączanie
W przypadku CD przeważnie używamy dwóch trybów
przesyłu: PIO Mode 4 (maksymalna przepustowość 16,6 MB/s)
lub UltraDMA/33 (33,3MB/s). Wbrew pozorom wydajność w
trybie PIO nie jest gorsza. Wynika to z faktu, że szybkości
faktycznego transferu danych z napędów CD-ROM są znacznie
niższe niż granice interfejsu w danym trybie przesyłowym.
Przykładowo CD 52x osiąga maks. transfer rzędu 8MB/s wartość ta jest stosunkowo odległa od granicy 16,6 MB/s
wyznaczanej przez tryb PIO Mode 4.
CD vs. DVD