Powstanie CD-ROM

Firmy opracowały standard, na który składała się specyfikacja nagrania , próbkowania, a przede wszystkim obowiązujący do dziś rozmiar nowych dysków : 4 3/4 cala. Jak głosi plotka rozmiar ten wybrano dlatego ,że właśnie na takim dysku można było zmieścić Dziewiątą Symfonię Beethovena. Dysk mający średnicę 12 cm (4 3/4 cala) , nieco ponad milimetr grubości i waży około 14 g(1/2 uncji). Fizycznie dysk składa się z uformowanego metodą wtryskową krążka z czystego poliwęglanu, bardzo cienkiej warstwy metalu , zwykle aluminium i ochronnej powłoki lakierowej lub plastikowego krążka zabezpieczającego znajdujące się pod nim dane. Warstwa metaliczna jest tą warstwą z której napęd CD-ROM odczytuje informacje. Dysk CD-ROM może przechowywać do 680 MB danych (co odpowiada pojemności 1500 dyskietek) - tekstu, obrazu, grafiki, dźwięku i animacji.

Zasada działania

Napęd dysków CD-ROM zawiera mechanizm laserowy , moduły elektroniczne służące do sterowania, do korekcji błędów i do komunikacji z komputerem, zazwyczaj również gniazdo słuchawkowe z regulatorem głośności, a poza tym przycisk wysuwający dysk oraz - jeśli napęd nie jest wbudowany do komputera - zasilacz sieciowy i ewentualnie wentylator chłodzący. We wnętrzu napędu CD-ROM mieszczą się: głowica optyczna, tarcza obracająca dysk i system przetwarzania (procesor) sygnałów. Głowica optyczna wysyłająca promień światła laserowego w kierunku dysku, zamocowana jest na sankach lub na przechylnym ramieniu; składa się ona z diody laserowej, soczewki i czujnika optycznego. Aby dokładnie wychwycić minimalne różnice w strukturze ścieżki, wykorzystywany do odczytu laser diodowy musi emitować strumień o wyjątkowo małej długości fali. Wystarczające jest promieniowanie podczerwone. Taki promień świetlny jest wprawdzie niewidoczny dla oka, ale szkodliwy. Z tego też względu nie należy nigdy otwierać odtwarzacza CD podczas odczytywania kompaktów.

Napęd CD pracuje w następujący sposób: Laserowa dioda emituje w kierunku lustra wiązkę światła o małej mocy. Na komendę mikroprocesora siłownik odpowiednio przesuwając lustro ustawia wiązkę lasera na odpowiedniej ścieżce. Odbite od powierzchni dysku światło skupia się w pierwszej soczewce znajdującej się pod dyskiem, odbija się od lustra i kieruje się w stronę pryzmatu. Pryzmat kieruje powracającą wiązkę lasera do kolejnej soczewki skupiającej. Ostatnia z soczewek kieruje promień lasera do fotodetektora , który przekształca światło w impulsy elektryczne. Nadchodzące impulsy elektryczne są rozkodowywane przez mikroprocesor i wysyłane w charakterze danych do komputera.

Napęd 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), niezależnie od ich położenia na dysku. Metodę tę oznacza się krótko jako CLV (ang. Constant Linear Velocity) - stała prędkość liniowa. Dysk obraca się ze zmienną prędkością w zależności od położenia lasera względem środka dysku, aby uzyskać jednakową szybkość odczytywania danych z całego dysku. Jednak im bliżej środka, tym większa szybkość kątowa jest potrzebna, by dane były przesyłane ze stałą wartością. Inna metoda to CAV ( Constant Angular Velocity ) - stała prędkość obrotowa. Nie pociąga ze sobą konieczności zmiany prędkości obrotowej więc ma zasadniczą wadę - dane ze środka płyty czytane są dużo wolniej niż na jej zewnętrznych brzegach. Bliżej zewnętrznej krawędzi dysku laser obejmuje podczas jednego obrotu większą ilość danych, niż bliżej środka, co oznaczałoby zmienną ilość danych odczytywanych podczas jednego obrotu. Metoda ta nie obciąża silnika napędu, oznacza jednak, że wraz ze zmianą położenia lasera zmienia się szybkość transferu danych. Obecnie stosowana technika to PCAV (Partial CAV) - częściowo stała prędkość kątowa stanowiąca połączenie dwóch poprzednich technik. Polega ona na tym, że do pewnego miejsca na dysku (zazwyczaj do około pierwszych 40% dysku) użyta jest stała prędkość kątowa CAV, czyli transfer stopniowo wzrasta od wartości początkowej np. 8x do wartości pośredniej np.16x. Wówczas napęd przestawia się na stałą prędkość liniową CLV i do końca dysku zachowuje stały transfer np.20x.

Informacja o lokalizacji plików jest zapisana w tablicy ścieżek (ang. path table) oraz w tablicy katalogów (ang. directory table), znajdujących się w części opisowej na początku dysku. Obie tablice tworzone są podczas produkcji dysku i nie można zmieniać ich zawartości.

CD-R

CD-R (Compact Disc Record Able ) płyta kompaktowa zapisywalna WORM (Write Once Read Many) Dysk CD-R zamiast warstwy aluminium zawiera warstwę zielonkawoniebieskiego barwnika cyjanowego lub bardziej trwałego barwnika ftalocyjanowego, zmieniającego właściwości optyczne pod wpływem silnej wiązki lasera ( moc wiązki zapisującej jest około 10 razy większa niż moc wiązki odczytującej). Barwnik ten ma te same właściwości odbijania światła co niezapisany dysk CD. Kiedy laser zapisujący dane zaczyna wypalać dane na dysku, jego wiązka rozgrzewa warstwę złota, oraz leżącą pod nią warstwę barwnika. Po wypaleniu, obszar taki rozprasza światło w ten sam sposób jak wgłębienie w szklanej powłoce matrycy dysku lub masowo produkowanego dysku CD-ROM. W praktyce więc, w miejscu, w którym zapisano dane nie istnieje żadne wgłębienie - jedynie rozpraszająca światło plamka będąca wynikiem reakcji chemicznej powstałej podczas wypalania warstw złota i barwnika.

Każda płyta zawiera warstwę odblaskową. Padające światło na dany punkt tej warstwy ulega odbiciu od tej warstw co jest rejestrowane przez czujnik promieniowania. W przypadku gdy rozpatrywany punkt jest zaczerniony (zmienione są właściwości odblaskowe) wówczas promieniowanie ulega rozproszeniu i nie jest odbijane od warstwy odblaskowej. W wyniku skanowania wszystkich punktów umieszczonych na danej ścieżce uzyskuje się zróżnicowanie amplitudy sygnału elektrycznego generowanego przez czujnik promieniowania proporcjonalnie do rejestrowanego promieniowania. Nośnikiem informacji jest zatem warstwa odblaskowa o modyfikowanych właściwościach odblaskowych.

Typowe realizacje pamięci optycznych to dyski kompaktowe (krążki) o średnicy 12cm (czasem 8cm) oznaczane skrótem CD (Compact Disc). Grubość typowego dysku wynosi 1,2 mm. Na dysku znajduje się jedna spiralna ścieżka. Do odczytu danych stosuje się laser o długości emitowanego promieniowania w zakresie 780 nm - 790 nm, co w rezultacie daje stosowany odstęp pomiędzy kolejnym ścieżkami rzędu 1600 nm oraz długość punktu zaczernienia (plamki) rzędu 840 nm - 3560 nm. Pierwsze zastosowanie krążków CD to znane obecnie płyty CD zawierające cyfrowy zapis muzyki. Dyski takie oznaczane są często skrótem CD-Audio. Dla potrzeb przechowywania danych opracowano wersję krążków CD oznaczaną jako CD-ROM. Dyskietki te o pojemności 650-680MB mają charakter pamięci ROM, czyli są zapisywane jednokrotnie poprzez wytwórcę dyskietki. Stosowane napędy odczytujące CD-ROMy oznaczane są najczęściej poprzez podanie wielokrotności podstawowej szybkości transmisji danych (szybkości odczytu danych) wynoszącej 150kB/s. Przykładowo, oznaczenie czytnika dyskietek kompaktowych (lub potocznie kompaktów) jako 36x oznacza zdolność tego urządzenia do odczytu danych z płyty CD z prędkością 36x150kB/s, czyli 5,4MB/s. Obserwuje się stały postęp w zwiększaniu szybkości odczytu danych z płyt CD (dostępne są już czytniki CD z prędkością 50x). Średni czas dostępu dla płyt CD jest ciągle jeszcze większy niż dla dysków stałych i waha się w granicach 400ms-30ms.

Podobieństwa

Podobnie jak dla pamięci półprzewodnikowych ROM również dla płyt CD stworzono możliwości zapisu tych pamięci. Kolejnym krokiem rozwoju po CD-ROM były płyty CR-R (CD Recordable). Płyty te (podobnie jak pamięci PROM) umożliwiają jednokrotne zapisanie przez użytkownika płyty i wielokrotny odczyt (WORM - Write Once Read Many, raz zapisz, czytaj wielokrotnie). Konstrukcja płyty CD-R tylko nieznacznie różni się od płyty CD-ROM, wprowadzając dodatkową warstwę, którą można jednokrotnie odpowiednio zaczerniać za pomocą lasera w procesie zapisu danych. Kolejny postęp w rozwoju dyskietek CD to format CD-RW (ReWritable) umożliwiający wielokrotny zapis i odczyt. Zastosowano tu połączenie dwóch technik magnetycznej i optycznej. Szerzej na temat tej technologii w kolejnym podrozdziale poświęconym pamięciom magnetooptycznym. Większość obecnie dostępnych napędów CD umożliwia odczyt wszystkich formatów CD, a więc CD-Audio, CD-ROM, CD-R oraz CD-RW.

Zapis danych optycznych

Dane przechowywane są w formie mikroskopijnych rowków (ang. pits) i miejsc płaskich - brak rowka (ang. lands). Rowki mają zawsze tę samą głębokość i szerokość choć ich długość i długości przerw rozdzielających je mogą się zmienić. Pit ma około 1 mikrona szerokości - rozmiar 500 atomów wodoru ułożonych jeden obok drugiego - zaś pojedynczy dysk CD-ROM zawiera w przybliżeniu 2.8 miliarda pits. Spiralna ścieżka okrąża dysk 20000 razy. Odczytywanie informacji umieszczonych na CD odbywa się dzięki odbijaniu się światła lasera o niskiej mocy od aluminiowej powierzchni. Czujnik optyczny zauważa, w których miejscach światło odbija się, a w których jest pochłaniane lub rozpraszane. Pochłanianie lub rozpraszanie światła powodują wytłoczone na powierzchni dysku rowki. Jeśli światło zostało odbite oznacza to, że rowka nie ma, czyli powierzchnia dysku jest w danym miejscu gładka . Czujnik światła zbiera informacje o odbitym lub rozproszonym świetle i przekazuje je mikroprocesorowi, który zamienia je na dane potrzebne użytkownikowi. Ścieżki CD nie są ułożone koncentrycznie lecz tworzą długą spiralę wiodącą od osi centralnej dysku do zewnętrznej krawędzi. Ma ona długość blisko 3 mil (ok.5 km). Spirala jest podzielona na sektory o jednakowej wielkości i gęstości zapisu. Pliki nie są dzielone na fragmenty, lecz zajmują kolejne sektory jednej i tej samej ścieżki. Płyta kompaktowa odbija pełne spektrum światłą czyli tęczę, jest to spowodowane rozszczepieniem światła z powodu tysięcy przecinających ją ścieżek. Rozpraszają one promienie światła niczym pryzmat, rozdzielając światło białe na fale o różnych długościach. Płyta kompaktowa zawiera do 16000 ścieżek na cal.