Nowoczesne nośniki informacji

Nowoczesne nośniki informacji

Nośniki magnetyczne

Podział:

-taśmy

-dyski i dyskietki

Tworzenie taśm

 Wspólczesne taśmy wykonane są z poliestru.

 Warstwa magnetyczna ma grubość 4 do 18 um. Najczęściej

spotykane materialy magn. to:

- tlenkowo-żelazowe (normal) :Fe₂O₃ lub Fe₃O₄ -

chromowe (CrO2) - żelazowe (metal)

 Taśmy chromowe i metalowe mają lepszy stosunek SNR oraz lepiej „przenoszą” wyższe częstotliwośći, wymagają natomiast większego prądu podkladu przy zapisie.

Zapis

- Przesuwanie się taśmy ze stałą prędkością obok głowicy

zawierającej rdzeń wykonany z materiału magnetycznego (lecz nie przewodzącego)

- Podczas nagrywania przez cewkę głowicy płynie dość znaczny prąd zmieniający się w takt sygnału muzycznego, który indukuje w szczelinie głowicy zmienne pole magnetyczne.

- Podczas odtwarzania namagnesowana taśma przesuwając się obok głowicy indukuje w cewce zmienne napięcie, które jest wzmacniane i podawane na głośniki czy słuchawki.

Sygnał podkładu (Bias)

- Właściwości taśmy (histereza) powodują że sygnał jest zniekształcony.

-Gdy jest nagrywany mały sygnał, na taśmie pozostaje niewielkie trwałe namagnesowanie – pozostałość magnetyczna.

-Ponadto przejście sygnału nagrywającego przez zero powoduje znaczne jego zniekształcenie.

-Rozwiązaniem tych problemów jest zmieszanie sygnałów audio z sygnałem o stałej i dużej częstotliwości (40 kHz lub większej). Jest to tzw. technika prądu podkładu

-Podczas odtwarzania sygnał podkładu jest usuwany za pomocą prostego filtru.

Kasowanie taśmy

-

umieszczenie jej w silnym polu magnetycznym, powodującym nasycenie warstwy magnetycznej i zniszczenie poprzedniego nagrania.

-

Jest ona podobna do głowicy nagrywająco-odtwarzającej.

Doprowadza się do niej silny, zmienny prąd który powoduje kasowanie taśmy.

Za pomocą takiej demagnetyzacji pozostaje znacznie mniej szumów na taśmie niż po kasowaniu magnesem stałym.

Przeciętne pasmo przenoszenia dla magnetofonu to np. 40Hz do 15kHz.

 Magnetofony szpulowe spotykamy już tylko w

zastosowaniach w studiach nagraniowych

 Najczęściej posiadają one glowice do odczytu z taśm 24- ścieżkowych, typowe prędkości taśmy to 9.05 cm/s i 9,53 cm/s

 Większa szybkość daje większą jakość zapisu

 Szerokość to 1/4 cala w (nieprofesjonalne 4-ścieżkowe)

 Magnetofony kasetowe wciąż jeszcze są w

powszechnym użyciu

 Dzięki 4 ścieżkom taśma umożliwia zapis

stereofoniczny na każdej ze stron taśmy

 Jej szerokość to 1/8 cala, a szybkość przesuwu to 4,76 cm/s.

Zapis danych analogowych na taśmy ma niezaprzeczalne wady:

-

zmniejszenie wymaga opracowania dodatkowych układów redukcji szumu

- magnetofony upośledzają sygnały o większych częstotliwościach co zmusza do stosowania silnej korekcji i głowicy o specjalnej

konstrukcji

- konieczny jest dość złożony napęd mechaniczny, który nie

powinien zmieniać swoich parametrów podczas długiej eksploatacji

- wprowadzają zniekształcenia nieliniowe do sygnału

Zapis magnetyczny

danych cyfrowych

-

Niektórzy pamiętają zapewne jak gry komputerowe na np.

Commodore odczytywalo się z kaset. Zdarzalo się, że gry były nadawane przez radio. Ów ciąg pisków o niższych i wyższych tonach można było nagrać na zwyklym magnetofonie audio, po czym uruchomić grę z kasety na komputerze...

Ten piękny etap rozwoju mamy już za sobą, a dane cyfrowe

zapisuje się na taśmy jedynie w niektórych archiwach. Urządzenia slużące do tego to tzw. streamery.

Dyskietki

Obecnie są już w odwrocie, przegrywają z nośnikami optycznymi.

Komputery ciągle jeszcze są wyposażane w napędy do dyskietek 3,5-calowych, jednak ich pojemność 1,44MB to prawie nic w

porównaniu z dzisiejszymi zapotrzebowaniami dla nośników ruchomych. Dyskietki 5,25-calowe zupelnie wyszly z użycia.

Budowa

- D

obudowie. Grubość krążka (tworzywo sztuczne) to min. 0,1mm, natomiast grubość naniesionej warstwy magnetycznej to 2,5um.

- Dyskietka posiada na każdej ze stron 80 ścieżek

podzielonych na 18 sektorów o jednakowej długości - 512 bajtów.

- Sektor składa się z pola identyfikatora i pola danych.

Pole identyfikatora:

- numery ścieżki, glowicy, sektora

- dwa bajty CRC (cyklicznej kontroli nadmiarowej) Pole danych:

- dane

- dwa bajty CRC

Parametry okreslające gęstość zapisu to BPI(Bits Per Inch), wynoszący do kilkunastu tysięcy, oraz TPI(Tracks Per Inch) wynoszący 48 lub 96 dla 5,25-calowej i 135 dla 3,5-calowej.

Kontroler napędu dyskietek (Floppy Disk Drive) obecnie znajduje się na plycie glównej, jak również 34-stykowe zlącze dla kabla podlączającego ten napęd.

Rys: dysk. 5,25cala

Dyski twarde

Dysk - zespół talerzy o powierzchni pokrytej nośnikiem

magnetycznym, a na tych powierzchniach głowice zapisują i odczytują dane - „pływające głowice”

Obecnie glowice pozycjonuje się stosując voice coil - układ magnetodynamiczny – umieszczona w polu silnego magnesu stałego cewka porusza się zgodnie z przepływającym przez nią prądem.

Technika ta pozwoliła na zmniejszenie czasu pozycjonowania na zadanej ścieżce z kilkudziesięciu do kilku milisekund, a przy

przejściach pomiędzy kolejnymi ścieżkami nawet poniżej jednej milisekundy.

Zapis

Dokonywany jest w formie koncentrycznych ścieżek, podzielonych na sektory(po 512b).

„Cylinder” to grupa ścieżek o tym samym numerze na wszystkich powierzchniach roboczych.

Dzisiejsze dyski adresuje się metodami:

- CHS(cylinder, glowica, sektor) -32bitami -

LBA(adresowanie bloków lokalnych) -28b

Dane zapisywane są wraz z danymi

nadmiarowymi- kodowanie CRC.

Ilość sektorów / ścieżkę waha się, w zależności od jej odleglości od

środka talerza, w granicach 60 - 120.

Pozycjonowanie głowic dawniej odbywało się dzięki informacjom zapisanym na całej jednej powierzchni dysku, temu tylko

poświęconej. Obecnie wykorzystuje się dane wymieszane z danymi użytkowymi, co przypomina nieco działanie automatycznego pilota.

Gęstość BPI osiąga 240kb, a TPI to 21 tyś.

Na 1 bit przypada pole 1,2x0,1um.

FAT

- File Alocation Table - na tej tablicy oparty jest system przydzielający jednostki „objętości’’ pamięci plikom.

- Podst. jednostką był sektor, jednak 16 - bitowa architektura systemu operacyjnego nie pozwalala na adresowanie dysków

wiekszych od 32MB. Ominięto to wprowadzając większe jednostki - klastry. Obecnie powszechne są 32b tablice alokacji.

Pamięci typu FLASH – gdzie?

• Kamery video

• Aparaty cyfrowe

• Przenośne dyski komputerowe

• BIOS – y wszelkiego rodzaju sprzętu

Karty pamięci FLASH – dlaczego?

• Brak elementów mechanicznych

• Całkowita bezgłośność

• Szybkość działania

• Małe rozmiary

Dlaczego więc nie używać wszędzie?

Koszty tej pamięci są za wysokie.

Jak działa pamięć FLASH

• W każdej komórce pamięci 2 tranzystoryzłączone są ze sobą cieniutką warstwę tlenku

• Jeden z tranzystorów to tzw.

„Floating Gate” – zmiana wartości trzymanej w komórce

• Drugi – „Control Gate” – wykorzystywany jest do

sprawdzania aktualnego stanu logicznego komórki

• Warstwa tlenku – pułapka dla

elektronów; ilość elektronów w niej decyduje o wartości logicznej

bramki

Porównanie FLASH z innymi rodzajami pamięci

ROM (Read-Only Memory)

Wysoka gęstość zapisu oraz niezawodność

DRAM (Dynamic Random Access Memory)

Tanie i szybkie pamięci o dużej gęstości zapisu

EPROM (Erasable

Programmable Read-Only Memory)

Pamięci o wysokiej gęstości zapisu, problem – wymazywanie danych z tego nośnika

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)

Niska gęstość zapisu oraz wysoki koszt produkcji. Kasowane elektronicznie

SRAM (Static Random- Access Memory)

Niska gęstość zapisu. Są one jednak szybkie.

FLASH Tanie pamięci o dużej gęstości zapisu. Są szybkie i niezawodne.

Technologie...

NOR

• Pojemność 1MB – 32MB

• Wolny zapis i kasowanie;

szybki odczyt

• Krótszy czas życia w por.

z NAND (10x)

• Ilość cyklów kasowania:

10.000 – 100.000

• Łatwy dostęp do danych;

łatwa integracja z systemem

• Wysoka cena

NAND

• Pojemność 16MB – 512MB

• Szybkie operacje zapisu i kasowania oraz odczytu

• Ponad 10 x dłuższy czas życia niż NOR

• Ilość cyklów kasowania:

100.000 – 1.000.000

• Złożony dostęp do danych oraz trudna integracja z systemem

• Niskie koszty

Technologia zagęszczania zapisu

MLC FLASH

• Opracowana przez Toschibę

• Podwojenie zagęszczenia zapisu danych na kościach

• Pojedyncza komórka posiada dwubitową informację

• Problemem: malejąca

wydajność takich pamięci oraz zmniejszająca się

niezawodność

Płyty CD-AUDIO i CD-ROM

Struktura płyty CD

Etykieta

Warstwa poliwęglanu 10 – 30 m

Warstwa refleksyjna (60-100 nm) aluminium, złota lub srebra

(odbijająca promień lasera)

Główna przejrzysta warstwa poliwęglanowa

(grubość ok. 1,2mm)

12cm (4,7 cala)

1,5cm (0,042 cala)

Zapis danych na płycie CD

Głowica prowadzi laser po ścieżkach [groove], Od środka na zewnątrz.

Łącznie ścieżki na 74-minutowej płycie CD liczą niemal 5km!

Wartości 0 i 1 reprezentowane są na płycie przez

„pity” oraz „landy”.

Land - powierzchnią gładką, od której wiązka odbija się całkowicie

– otrzymujemy wartość bitu 1 Pit - wgłębienie, od którego, po

odbiciu wiązka lasera jest rozpraszana i nie wraca z powrotem do czujnika

– otrzymujemy wartość bitu 0 pit

land

Odczyt płyty CD

Obecnie w odtwarzaczach CD stosuje się lasery GaAlAs (długość fali 780nm – granica)

Laser skupia swoją wiązkę ok. 1,2mm wewnątrz powierzchni CD – mała czułość na obce ciała.

• W diodzie laserowej powstaje wiązka światła, która trafia najpierw na siatkę dyfrakcyjną.

• Wychodzą z niej trzy promienie, które są polaryzowane i przechodzą przez kolimator.

• Następnie płytka 1/4 fali zmienia ich polaryzację na kołową i przesyła do obiektywu, który je ogniskuje na płycie.

• Promienie odbite od płyty przechodzą w drodze powrotnej znowu przez płytkę 1/4 fali, gdzie uzyskują polaryzację prostopadłą do tej, którą uzyskały wcześniej w polaryzatorze.

• Promienie te są odbijane i kierowane do układu optycznego, złożonego z soczewki wklęsłej i cylindrycznej, który służy do tworzenia obrazu na matrycy fotodetekcyjnej.

Odczyt informacji

Śledzenie ścieżki

Kontrola prawidłowego

zogniskowania

Kontrola prawidłowego

zogniskowania

Standardy odczytu płyt CD

• odczyt płyty ze stałą prędkością liniową (max prędkość 12x)

• odczyt płyty ze stałą

prędkością kątową

(max prędkość 52x)

Oświetlenie wieloma wiązkami

• Najnowszym trendem w tej dziedzinie jest zastosowanie siedmiu wiązek lasera, co

pozwala na jednoczesny odczyt kilku sąsiadujących ze sobą ścieżek.

• Istnieje też możliwość

zastosowania wiązki lasera o większej średnicy, co przy zastosowaniu specjalnego detektora da ten sam efekt –

kilkukrotne zwiększenie odczytu danych przy zmniejszeniu

prędkości obrotu nośnika.

Produkcja płyt CD

• Premastering

• Tworzenie matryc

• Tłoczenie

• Drukowanie lub naklejanie etykiet

Tworzenie matryc

Laser

Glasmastering

Dane nagrywane są w warstwie fotorezystancyjnej.

Powstaje metalowa „matka”

(przeciętnie 3-6 odbić)

Metalowa pieczęć

Powstaje metalowy „syn” – matryca, poprzez długotrwały proces

galwaniczny (ok. 7godz.) (przeciętnie 3-6 odbić)

Powstaje lustrzane odbicie zapisanych danych –

„metalowy ojciec”

Metalowy ojciec

Tłoczenie płyt

Etykieta Warstwa zabezpieczająca

Warstwa odblaskowa

Płyty CD-R i CD-RW

Standardy płyt CD

 CD-ROM - Compact Disc Read Only Memory

 CD-RW - Compact Disc ReWritable

 CD - Compact Disc

 CD-R - Compact Disc Recordable

Budowa płyty CD-R

Warstwa odbijająca

Warstwa barwnika

groove (rowek) Warstwa

poliwęglanu Warstwa lakieru

pit (dane)

Budowa płyty CD-RW

Barwy płyt CD-R

 Cyjanina - barwa zieloną, niezbędna moc lasera - 6,5 mw, długa strategia nagrywania, niskie prędkościach nagrywania

 Ftalocyjanina - barwę żółta lub bezbarwna, niezbędna moc lasera - 5,5 mw, krótka strategia nagrywania, większa odporność na energię świetlną i cieplną, droższa, duże prędkości nagrywania

 Azocyjanina - barwa jasnoniebieska, dosyć rzadko spotykana

Płyty DVD

Rozwinięcie technologii CD

Troszkę historii…

 Historia DVD rozpoczyna się w 1994 roku

 Na początku były 2 konkurencyjne standardy:

 Firmy Philips i Sony - MMCD( „Multimedia CD”)

 Firmy z Toshiba na czele – SD („Super Density”)

 Pod koniec 1995 powstało Konsorcjum DVD – stworzono pierwszą wersję DVD (Digital Video Disc)

Szybko okazało się, że nadaje się idealnie do zastosowań rynku komputerowego i nazwę zmieniono na Digital Versatile Disc

 Z czasem powstało mnóstwo niezgodnych ze sobą formatów (DVD-R/RW, DVD-RAM, DVD+R/RW DVD+R DL)

Budowa płyty DVD R/RW

Porównanie DVD z CD

• Długość ścieżki na DVD wynosi ok. 11 km, gdzie dla CD 5-6km

• Rozmiar danych na DVD zwiększa się 650 MB do 4,7 GB.

• Ścieżki na CD są oddzielone od siebie o 1,6 m, a odległość między rowkami wynosi 0,83 m,

w przypadku DVD odległości te zmniejszają się do 0,74 m oraz 0,4 m.

Różne pojemności



DVD-5 Jednostronny jednowarstwowy – 4,7 GB



DVD-8 Jednostronny dwuwarstwowy – 8,5 GB



DVD-10 Dwustronny jednowarstwowy – 9,4 GB



DVD-18 Dwustronny dwuwarstwowy

– 17 GB

DVD-5



Zapis jednostronny, jednowarstwowy



Analogicznie jak CD



Jest sklejany z dwóch podłoży, z których jedno

zawiera dane.

DVD-8

 Konstrukcja wielowarstwowa

 Górna warstwa informacyjna przepuszcza światło

 Wymagane dodatkowe kodowanie dlatego

maleje pojemność do 8,5 GB

DVD-10

 Zapis dwustronny wymaga fizycznego obrócenia nośnika

 Taki zapis podwaja

pojemność nośnika

DVD-18

 Najtrudniejszy do wyprodukowania

 Wymaga czterech matryc z których dwie tłoczą

standardowe płyty, a następnie używane są do

tworzenia pitów

STANDARDY DVD

Nie istnieje jeden standard płyt DVD, którego trzymaliby się wszyscy producenci tego nośnika danych. W rezultacie płyt zapisanych w jednym z wymienionych formatów nie można odczytać w innym. Stąd istnieje również wiele

konkurencyjnych formatów zapisywalnych płyt DVD (schemat):

STANDARDY DVD:



DVD-R – odpowiednik płyt CD-R, o zapisie jednokrotnym, umożliwiający zapisanie 3,68 GB danych



DVD ROM – standard płyt do zapisu danych komputerowych



DVD VIDEO - dawny "Digital Video Disc„

Zapis wielokrotny, o jednostronnym zapisie do 2,4 GB i dwustronnym potrafiącym pomieścić 4,8 GB.

Do zapisu danych wykorzystuje się więc specjalne rozwiązania technikę Land-and-Groove-Recording.

Format ten ma wcześniej zdefiniowane ścieżki. W przypadku płyt CD-R informacje można zapisywać wyłącznie w ścieżkach (groove), natomiast dla DVD także na wypukłych obszarach nośnika (land).

Wadą jest konieczność stosowania specjalnych pojemników (cartridges).

DVD RAM

Od samego początku istnieją dwa konkurencyjne i niekompatybilne ze sobą standardy płyt DVD jedno- i wielokrotnego zapisu: DVD-R/RW oraz DVD+R/RW.

W obu przypadkach mamy do czynienia

z jednokrotnie lub wielokrotnie zapisywalnymi

dyskami mieszczącymi 4,7 GB danych, które mogą zostać odczytane przez większość zwykłych czytników DVD-ROM

DVD+R DL ( Double Layer) - płyty jednokrotnego zapisu

dwuwarstwowe. W nagrywarkach tych płyt laser musi mieć minimalną moc wynoszącą ok. 30 mW, dla porównania moc lasera w DVD±R/RW wynosi zaledwie 5-11 mW.

DVD ± R/RW

Dyski magneto-optyczne

• MO łączą w sobie zalety optycznej i magnetycznej technologii

przechowywania danych.

• Dzięki dużej trwałości i możliwości łatwego zabezpieczenia danych

stosowane są głównie do archiwizacji.

Budowa nośnika MO

• Dyski tłoczone fabrycznie mają postać CD

• Dyski z możliwością zapisu posiadają warstwę

magnetyczną TbFeCo

Zapis danych na dysku

• Zapis danych

wzdłuż spiralnego rowka (podobnie jak w CD)

• Dane są zapisy- wane w warstwie magnetycznej przy pomocy lasera i

głowicy

magnetycznej

Odczyt danych

Przy odczycie używany jest tylko laser.

Wykorzystywany jest efekt Kerra.

Ograniczenia technologiczne i technologia MSR

– Minimalny obszar podgrzewania.

Rozwiązanie:

• Wykorzystując właściwość, że plamka nagrzewa się od środka, skracając czas podgrzewania można ograniczyć zapis do środka plamki i zapisywać dane z większą

gęstością.

– Maksymalna rozdzielczość odczytu zależna od grubości wiązki lasera.

Rozwiązanie:

• Zastosowanie dodatkowych warstw w nośniku co umożliwia odczyt danych o większej gęstości tym samym rodzajem lasera.

Niebieski laser

• Stworzony w 1996 w Japonii

• Budowany na bazie GaN.

• Mała dł. fali:

 =450 –niebieski

 =405 –niebiesko- fioletowy

Pojemność nośnika jest zależna odλi NA

Maksymalna pojemność

1.2mm

0.6mm

DVD

1.2mm 0.1mm

Blu-ray

100% 20%

Średnica plamki

0.6 0.85

Wyższe NA: x2 większa gęstość

650nm 405nm

Krótsza dł. fali: x2.6 większa gęstość Grubość wartswy ochronnej

Zwiększenie pojemności poprzez zmniejszenie średnicy wiązki lasera 5x w stosunku do DVD

Muzyka Video HDTV

CD DVD Blue-ray

NA ^{0.45 0.6 0.85}

 (nm) ^{780 650 405}

Pojemność (GB) ^{0.65 4.7 27}

Transfer danych (Mbit/s) ^{1.2 11.2 35}

Postęp technologiczny