Zasada działania dysków optycznych - konspekt lekcji

Konspekt do lekcji: Urządzenia techniki komputerowej.


Temat lekcji: Zasada działania dysków optycznych.

Czas: 3 godziny lekcyjne.
Cele dydaktyczne: Zapoznanie uczniów z rodzajami dysków optycznych (cd-r, cd-rw, dvd) oraz ich zasadą działania.
Cele kształcące: Uczniowie po lekcji powinni umieć:
- Wymienić i opisać rodzaje dysków optycznych;
- Wyjaśnić na czym polega zapis i odczyt na dyskach optycznych;
- Wyjaśnić różnice pomiędzy poszczególnymi nośnikami danych;
Metoda: Wykład, pogadanka, pokaz, ćwiczenia.
Środki dydaktyczne: Tablica, kreda, ćwiczenia, płyty cd-r, cd-rw, dvd.


Przebieg lekcji:

1. Sprawy organizacyjne.
- sprawdzenie listy obecności;
- zapisanie tematu na tablicy;
- podanie nowego materiału;
- podsumowanie.

2. Podanie tematu i jego uzasadnienie.
Uczniowie poznają rodzaje dysków optycznych, metody zapisu i odczytu na poszczególnych dyskach.

3. Rozwinięcie tematu.
Rodzaje dysków optycznych
1. PŁYTY CD-R
Spośród wszystkich popularnych, nagrywalnych nośników optycznych najprostszą budową charakteryzuje się krążek CD-R. Aby można było zapisać na nim informacje za pomocą komputerowych nagrywarek, na przezroczysty dysk wykonany z poliwęglanu nakłada się warstwę barwnika organicznego. Najczęściej jest to azocyjanina z domieszką miedzi (płyty niebieskie) bądź niklu (krążki zielone) lub ftalocyjanina (barwa żółta, półprzezroczysta). Na tę warstwę nanosi się następnie powłokę odbijającą światło, wykonaną niemal zawsze
z czystego srebra, a później zabezpiecza się te wszystkie delikatne warstwy lakierem ochronnym. Podczas zapisu laser nagrywarki oświetla przez krótką chwilę wybrane punkty płyty, co powoduje ich ogrzanie i prowadzi do nieodwracalnej zmiany stanu barwnika - wypalenia.

Rys. 1. Przed nagraniem - na mikroskopowym zdjęciu nienagranej płyty CD-R (zdjęcie) lub DVD-R widoczna jest tylko i wyłącznie ścieżka prowadząca. Pierwotnie przezroczysty dla światła używanego w napędach CD o długości fali 780 nm związek chemiczny ciemnieje, dzięki czemu na płycie powstaje seria obszarów jasnych i ciemnych. Podczas odtwarzania danych z nagranego nośnika znacznie słabszy promień lasera odczytującego rozprasza się na zaciemnionych obszarach, bez przeszkód natomiast pokonuje punkty, gdzie barwnik pozostaje w swej pierwotnej, jasnej postaci. Światło odbija się od warstwy srebra i powraca do fotodetektora, który interpretuje zmiany jego intensywności jako zera i jedynki.
Opisując sposób zapisywania płyty CD-R, pominięto dwie ważne kwestie:
w jaki sposób promień lasera zapisującego jest prowadzony po powierzchni czystego nośnika i jak nagrywarka powinna regulować prędkość wirowania dysku. Podczas normalnej pracy przy odczycie krążków zawierających już dane sprawa jest prosta - laser śledzi spiralną ścieżkę reprezentującą kolejne zera i jedynki. Na podstawie szybkości zmian między obszarami jasnymi i ciemnymi można też ustalić prędkość, z jaką obraca się płyta, i w razie potrzeby wprowadzić odpowiednie korekty.
Podczas zapisu na płycie brakuje jednak obszarów różnie odbijających światło, gdyż ich utworzenie jest właśnie celem nagrywania. Problem ten rozwiązano, tłocząc na poliwęglanowym krążku CD-R spiralną ścieżkę o nieco większej szerokości od ścieżki spotykanej na zwykłych płytach CD-ROM. Dzięki temu podczas nagrywania wystarczy kontrolować promień lasera zapisującego, tak aby nie opuścił on wyznaczonego "koryta", a otrzymamy idealnie nawiniętą serię jasnych i ciemnych punktów - pitów i landów.

Rys. 2. Przed nagraniem - na mikroskopowym zdjęciu nienagranej płyty CD-R (na zdjęciu) lub DVD-R widoczna jest tylko i wyłącznie ścieżka prowadząca. Aby rozwiązać nasz drugi problem, czyli ustalić, z jaką prędkością wiruje nagrywana płyta, ścieżka prowadząca jest dodatkowo pofalowana. Mówiąc najprościej, wytłoczona na czystej płycie ścieżka przypomina nieco rzekę, która płynąc, skręca raz w lewo, a raz w prawo. Ponieważ szybkość zmian wymiarów rowka jest ściśle określona, analizując podczas zapisu fazę odbitego od płyty światła, można obliczyć, jak szybko obraca się nośnik nad laserem. Na podstawie tych informacji zmienia się moc lasera albo reguluje szybkość wirowania dysku.

Dysk kompaktowy - mały wymienny krążek wykonany z tworzywa sztucznego o średnicy 12 cm i grubości 1.2 mm potrafi pomieścić ok. 650 MB danych. Informacja ta zapisana jest na spiralnej ścieżce za pomocą tzw. "pitów" i "landów". Pity to zgłębienia na powierzchni dysku powodujące słabsze w stosunku do powierzchni płaskiej (tzw. Landów) odbicie promienia laserowego. Ścieżka o długości ok. 6 km (!) ma szerokość 0.6 mikrometra, a odległość między sąsiednimi ścieżkami wynosi 1.6 mikrometra.
Odczyt z dysku CD-ROM
Sposób odczytu informacji z dysku prezentuje poniższy rysunek.


Głowica odczytu zawiera laser diodowy emitujący światło o długości fali ok. 780 nm. Promień po przejściu przez obiektyw pada na powierzchnię dysku i odbija się od niej na różne sposoby od zagłębień (pitów) i powierzchni płaskiej (landów). Głębokość pitów jest tak dobrana, żeby odbijające się od niego światło zostało w całości wygaszone przez interferencję. Natomiast światło odbite od landów trafia poprzez układ optyczny do fotodiody, która zamienia je na impuls elektryczny. Na dysku kompaktowym CD dane prezentowane są więc jako pity i landy. Logiczne zero prezentowane jest przez pit lub land, jedynka zaś poprzez przejście pomiędzy pitem a landem lub odwrotnie. Najmniejszą jednostką informacji na dysku jest tzw. Bit kanałowy. Jeden bajt informacji prezentowany jest na dysku za pomocą 14-bitów kanałowych.
Spiralna ścieżka podzielona jest na sektory o stałej długości. Każdy sektor zawiera 3234 bajty, z czego 2352 bajty to dane, a pozostałe 882 bajty to informacja kontrolna służąca do detekcji i korekcji błędów.
Odczyt informacji z dysku odbywa się ze stałą prędkością, wg tzw. Systemu CLV (ang. Constant Linear Velocity - stała prędkość liniowa), którą można osiągnąć poprzez zmienną prędkość obrotową. Dysk wiruje szybciej, gdy głowica odczytu zbliża się do środka dysku. Dla przykładu: pierwsze czytniki CD odczytywały dane z szybkością 150 KB/s (prędkość liniowa odczytu była stała i wynosiła 1.25 m/s). Aby uzyskać stałą prędkość liniową, dysk obracał się z szybkością od 200 do 500 obr/min, zależnie od tego czy odczytywana była zewnętrzna czy wewnętrzna ścieżka. Oczywiście proces dostosowywania prędkości obrotowej do położenia głowicy, ma ujemny wpływ na czas dostępu do danych.
Współczesne czytniki dysków pracują z szybkościami 24-, 32-, 36-krotnymi w stosunku do swego protoplasty. Oczywiście aby zwiększyć 10-krotnie szybkość odczytu, należy zwiększyć również 10-krotnie szybkość obrotową dysków. Średni czas dostępu wynosi we współczesnych czytnikach od 70 do 150 milisekund.

2. Płyty wielokrotnego użytku
Barwniki organiczne zmieniające kolor pod wpływem temperatury doskonale sprawdzają się w przypadku płyt jednokrotnego zapisu. Wytworzenie nośnika typu RW, czyli krążka wielorazowego zapisu, wymaga użycia zupełnie innych materiałów. Warstwa barwnika musi być zastąpiona substancją, która może wielokrotnie zmieniać stopień przepuszczalności światła. Funkcję tę pełni mieszanina metali, w skład której wchodzą srebro, ind, antymon i tellur.

3. Płyty DVD
Zasada zapisu informacji na DVD nie różni się od zasady zapisu na płycie CD. Różnice są w zasadzie ilościowe, powodują one jednak powstanie pewnej nowej jakości. Ilość informacji zgromadzona na pojedynczym krążku DVD może sięgać nawet kilkunastu GB. Obecnie głównym ich zastosowaniem jest przemysł wideo, jednakże należy sądzić, że w przyszłości sytuacja ta ulegnie zmianie. Swoje wielkie pojemności dyski DVD zawdzięczają między innymi temu, że odległość pomiędzy ich ścieżkami jest o połowę mniejsza niż na płycie CD. Wymaga to użycia lasera o krótszej długości fali światła. Także gęstość zapisu może być o połowę mniejsza niż w przypadku CD.
Kolejną nowością jest zapis dwustronny, gdzie pierwsza warstwa odbijająca jest półprzeźroczysta. Ponadto przy odczycie wiązka lasera jest ogniskowana na pierwszej lub drugiej warstwie. Specyfikacje DVD opisują cztery podstawowe warianty optycznych nośników dyskowych o pojemnościach od 4,7 GB do ponad 17 GB dla następujących konfiguracji płyt z zapisem cyfrowym:

I. Dyski jednostronne.
1) jednowarstwowe o pojemności 4,7 GB (pierwsza generacja DVD), przypominające w dużym stopniu tradycyjne dyski CD-ROM, lecz o podwyższonej szybkości transmisji:
a) dla nośników przygotowanych przez branżę rozrywkową (filmy) szybkość transmisji wynosi 600 KB/s, co odpowiada czytnikom CD-ROM x 4.
b) dla aplikacji komputerowych szybkość ta przekracza 1,3 MB/s, co jest porównywalne z czytnikiem CD-ROM x 10.
2) dwuwarstwowe przeznaczone do nośników wyposażonych w laser o dwu różnych stopniach intensywności stopnia świecenia. Maksymalna pojemność tak upakowanej informacji wynosi 8,5 G.

II. Dyski dwustronne.
1) jednowarstwowe, gdzie odczytywanie danych znajdujących się po drugiej stronie płyty polega na jej odwróceniu. Łączna pojemność dwóch stron płyty jest równa 9,4 GB.
2) dwuwarstwowe, posiadające cztery warstwy nośnika optycznego o łącznej pojemności powyżej 17 GB, co wystarcza na odtwarzanie ośmiogodzinnej projekcji filmowej DVD.

Budowa płyty DVD

Na pierwszy rzut oka trudno odróżnić płytę DVD od klasycznego kompaktu. Jest ona plastikowym krążkiem o średnicy 120 mm i grubości 1,2 mm, która podobnie jak płyta CD wymaga lasera do odczytu danych umieszczonych wzdłuż spiralnej ścieżki. Wielokrotnie więcej informacji na płycie DVD wynika ze zmiany struktury samego nośnika, której nie możemy zobaczyć gołym okiem. W odróżnieniu od płyty CD zmniejszono odległość pomiędzy ścieżkami
z 1,6 µm do 0,74 µm. Zagęszczono również dane na samej ścieżce. Odległość między sąsiednimi elementami zmniejszono z 0,834 µm w CD do 0,4 µm
w DVD.

Formaty zapisywalnych płyt DVD
Formatem jednokrotnego zapisu jest płyta DVD-R, natomiast wielokrotnego zapisu są płyty DVDRAM, DVD-RW, DVD+RW.
DVD-R ma pojemność 4,7 GB (jednostronna) lub 9,4 GB (dwustronna)
i pozwala tylko na zapisywanie i odczytywanie plików. Istnieją tu dwa formaty: DVD-R(G) i DVD-R(A).
DVD-RW ma pojemność 4,5 GB na stronę. Nowy nośnik przed użyciem należy sformatować. Teoretycznie płytę powinno dać się odczytać w każdym napędzie DVD-ROM. W praktyce niektóre napędy nie mogą odczytywać płyt DVD-RW bowiem jest to spowodowane słabszym odbijaniem promieniowania przez płyty DVD-RW niż przez inne nośniki. DVD+RW ma pojemność 4,5 GB na stronę. Nowy nośnik przed użyciem nie wymaga formatowania. Nie można wykonywać wiernych kopii płyt DVD+RW bowiem jest to spowodowane zablokowaniem możliwości zapisu w obszarze, w którym powinien być wpisany klucz CSS (System Szyfrowania Treści).

Techniki odczytu płyt DVD
Obecnie wyróżniamy trzy podstawowe techniki odczytu dysków optycznych: CLV (ang. Constant Linear Velocity) - stała prędkość liniowa, napęd DVD obraca dysk ze zmienną prędkością, zależną od położenia głowicy optycznej, co pozwala na odczytanie danych ze stałą prędkością (ok. 1,3 metra ścieżki na sekundę).
CAV (ang. Constant Angular Velocity) - stała prędkość obrotowa, metoda ta nie pociąga za sobą konieczności zmiany prędkości obrotowej więc ma zasadniczą wadę bowiem dane ze środka płyty czytane są dużo wolniej niż na jej zewnętrznych brzegach.
PACV (ang. Partia CAV) - częściowo stała prędkość obrotowa i jest to połączenie dwóch poprzednich technik. Polega ona na tym, że do pewnego miejsca na dysku (zazwyczaj do około pierwszych 40% dysku) użyta jest technika CAV, następnie napęd przestawia się na stałą prędkość liniową CLV.
W chwili obecnej na rynku komputerowym jak i muzycznym górują płyty CD. Przyczyną tego jest stosunkowo nisko cena nośników jak i urządzeń służących do ich zapisu i odczytu. Ale śledząc historię dysków optycznych oraz urządzeń służących do ich odczytu można spodziewać się w najbliższej przyszłości rozpowszechnienia się zarówno czytników jak i nagrywarek płyt DVD. Już teraz na rynku filmowym ten sposób przechowywania danych odgrywa największą rolę. Wyparł on płyty CD oraz częściowo kasety wideo. Już niedługo z tego rodzaju nośnika zaczną korzystać producenci zarówno gier komputerowych jak
i oprogramowania, ponieważ technika DVD pozwala na zamieszczenie większej ilości danych na jednym krążku.