Obsah
1. Optické paměti
2. Kompaktní disk (CD)
3. Uložení dat na kompaktním disku
4. Čtení dat z kompaktního disku
5. Postup výroby „lisovaných“ kompaktních disků
6. Premastering
7. Mastering
8. Výroba výsledných kompaktních disků
9. Obsah následující části seriálu
1. Optické paměti
Optické paměti není pravděpodobně nutné nikomu představovat – přehrávače kompaktních disků (CD), videopřehrávače DVD, jednotky CD či DVD se staly součástí téměř každé domácnosti; na těchto médiích je šířena hudba (CD-DA), programy, filmy, fotografie i další digitalizované informace. K rozšíření kompaktních disků a později i DVD přispěla relativně nízká cena paměťových mechanik i vlastních médií, snadná manipulace, pro běžné spotřebitele více než dostačující kvalita zvukového záznamu (CD-DA) i odolnost optických médií vůči vnějším vlivům. Obecně platí, že optické paměti, zejména při pečlivé výrobě paměťových médií, umožňují uchovat data po delší dobu než paměti založené na záznamu formou magnetizace nějakého vhodného feromagnetického materiálu (významnou výjimku představují minule popsané magnetooptické disky, které naopak zaznamenaná data dokážou uchovat po velmi dlouhou dobu, pravděpodobně i déle než vypalovaná CD či DVD). Původní informace o trvanlivosti záznamu delší než padesát let jsou sice dnes zpochybňovány (záznamová vrstva může na okrajích pomalu oxidovat), ale v praxi není větším problémem přehrát audio CD například z roku 1991 či vypálené CD-R s programy a daty z roku 1995 (starší CD-R nemám…).
Díky relativně vysoké hustotě zaznamenaných informací (ta je většinou měřena v počtu bitů na čtvereční palec) je možné používat rozměrově malá paměťová optická média, což je vidět na osmicentimetrových CD či kompaktních discích velikosti a tvaru kreditní karty (jedná se snad o první typ paměti s rotujícím médiem, v níž není použit dokonalý disk ale obdélník). Vysoká hustota záznamu s sebou samozřejmě nese i další přednosti, například snadnější archivaci a manipulaci s paměťovými médii. Na druhou stranu má – zejména z obchodních důvodů – většina optických paměťových médií stále průměr 12 cm, stejně jako původní kompaktní disky (důvod, proč je standardní obal „lisovaných“ DVD větší než obal CD, tkví v tom, že se takto zabalené médium hůř krade). Hustotu záznamu optických pamětí se daří neustále zvyšovat, především zkracováním vlnové délky použitého laseru a také zlepšením materiálu záznamové vrstvy – ten musí být zbaven veškerých nečistot větších než je druhá mocnina vlnové délky laseru (podrobnosti budou uvedeny dále).
Další velkou výhodou optických pamětí je, stejně jako v případě magnetooptických disků, bezkontaktní čtení a popřípadě i záznam informací. Zatímco u disketových mechanik i magnetických pásek se čtecí/zápisová hlava média přímo dotýká (tím pádem ho sice málo, zato však pravidelně, opotřebovává) a u pevných disků hlava „pluje“ cca jeden mikrometr nad povrchem, je u všech optických médií hlava s laserem a čtecí optikou vzdálena od disku na větší vzdálenost, například jeden milimetr. Samotný optický disk se paměťové mechaniky dotýká pouze ve střední části (která žádný záznam neobsahuje), kde se nachází upínací mechanismus k motorku, jenž diskem otáčí.
2. Kompaktní disk (CD)
Kompaktní disk (CD, Compact Disc) je představitelem optické paměti, která je v oblasti zvukové i výpočetní techniky používána již po velmi dlouhou dobu. Jedná se o paměť určenou pouze pro čtení; „zápis“ je prováděn přímo při výrobě kompaktního disku pomocí matrice (raznice), na níž je vytvořen inverzní obraz budoucí stopy a takzvaných pitů. Největší podíl na vzniku kompaktních disků měly dvě firmy: holandská společnost Phillips a japonská firma Sony. Pracovníci firmy Sony vyvinuli způsob detekce chyb, kterým se při manipulaci s médii většinou nelze vyhnout (poškrábání, poškození teplem apod.), zatímco v Phillipsu se zaměřili na konstrukci optického systému umožňujícího čtení zaznamenaných informací. Už v roce 1980 byl CD DA (Digital Audio), tj. kompaktní disk určený pro záznam zvuku, přijat jako průmyslový standard a v roce 1982 již bylo možné si zakoupit první přehrávače využívající této technologie. Poměrně brzy se původní CD DA rozšířilo i o možnost záznamu dat, tedy nejenom zvuku. Vznikl CD ROM, který se (ještě ne jako interní mechanika, ale jako poměrně velká mechanika externí) objevil už v roce 1985.
Klasický kompaktní disk s průměrem 12 centimetrů
Všechny důležité technické charakteristiky kompaktních disků jsou popsány v „barevných“ knihách. Základem je Červená kniha (Red Book), ve které je popsáno CD DA (Digital Audio) a Žlutá kniha (Yellow book) s popisem CD ROM. Následují knihy dalších barev, ve kterých jsou popsány technologie CD-R (zapisovatelné CD), CD-RW (přepisovatelné CD), paketový zápis dat pro CD-RW apod. Pro koncového zákazníka je poměrně důležité, že všechny kompaktní disky splňující standard CD DA by měly obsahovat logo Compact Disc Digital Audio.
Logo CD Digital Audio
Pokud je standard různými způsoby obcházen (dnes „populární“ ochrany), nesmí být toto logo na disku natištěno, podle čehož je možné se orientovat při nákupu zvukových CD. Jen u CD DA s logem je totiž zaručeno, že půjdou přehrát na všech přehrávačích označených tímtéž logem, s různými „chráněnými“ médii bývají větší či menší problémy.
Optická a magnetooptická média – MO disk 3 1/2 palce, CD-R, DVD+R a DVD-R (zcela dole je pevný disk)
3. Uložení dat na kompaktním disku
Kompaktní disk tvoří tři vrstvy. Základní nosnou vrstvou je substrát vytvořený z polykarbonátu či polymetylmetakrylátu. Právě tato vrstva představuje většinu hmoty kompaktního disku. V této vrstvě je při výrobě pomocí matrice vytlačena spirálová stopa s jamkami (viz dále). Tato struktura je pokryta tenkou reflexní vrstvou materiálu, který dobře odráží světlo vlnové délky 780 nm, což je vlnová délka použitého laseru. Na reflexní vrstvě je nanesena vrstva ochranná, vyrobená například z průhledného či neprůhledného laku tvrzeného ultrafialovým světlem (podobně jako u MO disků), na samotném laku může být ještě potisk. Tato vrstva má za úkol chránit reflexní vrstvu jak před mechanickým poškozením, tak i před oxidací a vlivem chemicky aktivních látek.
Průměr běžného kompaktního disku je 12 centimetrů a tloušťka dosahuje 1,2 milimetrů (je tedy stejná jako tloušťka magnetooptického disku odpovídajícímu specifikaci ECMA). Vnitřní otvor, který se nasazuje na mechanismus umožňující rotaci, má průměr 15 milimetrů, přičemž není nijak zesílený. Binárně zakódované informace jsou na kompaktním disku uloženy na spirálové stopě, jejíž začátek leží uvnitř disku a konec na jeho okraji, tedy naopak, než je tomu u gramofonové desky, což dává smysl, protože existují i menší CD (8 cm, „kreditky“ apod.). Délka stopy dosahuje u běžných CD-DA a CD-ROM cca 4500 metrů. Samotná stopa je tvořena jamkami (pits) a mezerami mezi jamkami (lands), přičemž hloubka jamek je pouhých 0,13 mikrometrů. Přechod mezi jamkou a mezerou či mezi mezerou a jamkou představuje logickou jedničku, místa bez přechodů (dlouhá jamka či dlouhá mezera) pak logickou nulu. Díky tomuto způsobu záznamu a také použitému kódování (osm bitů je překódováno do čtrnáctibitové sekvence, přičemž se v ní nemohou vyskytovat dvě jedničky za sebou) se zvyšuje hustota záznamu. Samotná jamka má délku 0,5 mikrometru a šířku 1,6 mikrometru, jejich počet může dosáhnout až tří miliard.
Celou stopu je možné chápat jako sekvenci bitů. Ty jsou rozděleny do takzvaných fyzických sektorů, přičemž každý sektor má pevnou délku 2352 bytů. Tato poněkud netypická délka byla převzata ze zvukového CD, v nichž se každá sekunda zvukového záznamu ukládala přesně do 75 bloků. Každý blok začíná dvanáctibytovým synchronizačním vzorkem a čtyřbytovým záhlavím sektoru, v němž je uvedena tříbytová adresa sektoru (ve formátu minuta:sekunda:sektor, opět se jedná o dědictví audio CD) a především mód, což je číslo 1 či 2. Podle použitého módu se rozlišuje, jak má být chápáno zbylých 2336 bytů. V módu 2 mohou být všechny tyto byty využity pro záznam uživatelských dat, záleží na konkrétním určení CD, co zde bude uloženo. V módu 1 je pro uživatelská data vyhrazeno pouze 2048 bytů (tj. přesně dva kilobyty) a zbylých 288 bytů slouží pro uložení detekčních a korekčních kódů (EDC a ECC). Konkrétně je zde ve čtyřech bytech uložen kontrolní součet (EDC), následovaný osmi volnými byty a korekčním kódem (P-parita, 172 bytů a Q-parita, 104 bytů). Pro detekci chyb a jejich korekci se používá Reed-Solomonův kód založený na teorii Galoisových konečných polí.
Na logické úrovni je situace poněkud složitější, což vyplývá především z postupného vývoje možností operačních systémů. Pro CD-ROM je na logické úrovni nejčastěji používána norma ISO 9660, ve které je popsán způsob reprezentace logické struktury dat na disku, zejména informace o adresářích, podadresářích a souborech. Zajímavé je, že délka logického bloku se nemusí shodovat s délkou bloku fyzického. Zatímco fyzický blok má většinou délku 2048 bytů (viz výše), blok logický může být v případě potřeby i menší: 512 či 1024 bytů, čehož je možné využít například při záznamu většího množství malých souborů. V době vzniku této normy se dbalo na kompatibilitu s v té době existujícími souborovými systémy, z čehož také vyplývají některá nemilá omezení celkové podoby adresářové struktury; například maximální počet úrovní adresářů je roven osmi. Na této normě jsou postavena další rozšíření umožňující použití národních znaků ve jménech souborů, povolující delší jména souborů a adresářů, možnost záznamu práv k souborům i adresářům, prodloužení celkové délky cesty k souboru apod.
Na začátku kompaktního disku jsou mimo dalších informací (datum vytvoření, popis atd.) uloženy i takzvané tabulky adresářových cest (Path Tables), které umožňují rychlý přístup k jednotlivým souborům. Zajímavé je, že některé operační systému nevyužívají možnost rychlého načtení této tabulky a místo toho při vložení CD do mechaniky složitě indexují obsah celého disku, který však již byl zaindexován přímo při jeho výrobě.
4. Čtení dat z kompaktního disku
Již jsme si řekli v předchozí kapitole, obsahuje kompaktní disk na svém povrchu jedinou stopu, která začíná u středu disku. Čtení dat je prováděno pomocí laseru, který je pomocí vystavovacího mechanismu (typicky se jedná o krokový motorek + šnekový převod, stejný princip je mimochodem použitý i u disketových mechanik, i když tam jeden krok motorku přímo odpovídá vzdálenosti mezi stopami) naváděn přesně nad střed stopy. Laserový paprsek emitovaný laserovou diodou je zaostřen na reflexní vrstvu, přičemž prochází (tam i zpět) přes 1,2 mm silnou polykarbonátovou nosnou vrstvu. Vzhledem k tomu, že při průchodu touto vrstvou není laserový paprsek zaostřen (má větší průměr), může se na povrchu této vrstvy nacházet i menší množství nečistot a škrábanců, aniž by to vedlo k chybám při čtení dat. Reflexní vrstva odráží laserový paprsek zpět v plné intenzitě, zatímco při průchodu paprsku pitem je absorbováno větší množství energie, což je po odrazu paprsku zpět vyhodnoceno pomocí prvku citlivého na světlo (fotodioda, fototranzistor apod.). Každá změna intenzity (přechod mezi pitem a landem či naopak) je považována za logickou jedničku.
Řez kompaktním diskem, přes jehož nosnou vrstvu prochází čtecí laser
Původní jednotky pro práci se zvukovými kompaktními disky (používané dodnes ve zvukových přehrávačích) měnily při čtení dat průběžně otáčky tak, aby byl zajištěn konstantní datový tok (CLV – Constant Linear Velocity). V praxi to znamenalo, že u středu disku se používalo 530 otáček za minutu a u vnějšího okraje pouze 230 otáček za minutu. Datový tok byl v tomto případě konstantní, protože laser za jednotku času přečetl data vždy ze stejné délky stopy (stejný počet bitů). Konkrétně se dosahovalo rychlosti čtení zvukových dat 1,4 megabitů za sekundu, což odpovídá parametrům zvukového záznamu: 2 zvukové kanály, 16 bitů na každý vzorek, vzorkovací frekvence 44,1 kHz: 2×16×44100 = 1411200 bitů za sekundu. Pokud pro datová CD odečteme synchronizační signály, hlavičky sektorů a ECC i EDC (ty nejsou u CD-DA použity), dostaneme se k číslu 150 kilobytů za sekundu, což je mimochodem i hodnota, jíž dosahují jednorychlostní mechaniky CR-ROM.
Výpočet je jednoduchý: 1411200 bitů za sekundu odpovídá 176400 bytům za sekundu. Toto číslo podělíme délkou sektoru CD-DA, což je 2336 bytů a vynásobíme délkou „zabezpečeného“ sektoru CD-ROM, což je 2048 bytů – výsledkem je 154652 bytů za sekundu. Rychlost přenosu se v případě CD-ROM postupně zvyšovala a současně se přestaly měnit otáčky disku v závislosti na poloze laseru – zatímco u zvukových CD je požadován konstantní datový tok, u datových disků je naopak žádoucí přenášet data co nejrychleji, k čemuž neustálé změny rychlosti (při náhodném přesunu laseru) nevedou, neboť samotný disk má po roztočení na velké otáčky značnou setrvačnost a není možné čekat na ustálení otáček.
5. Postup výroby „lisovaných“ kompaktních disků
V následujících třech kapitolách si popíšeme způsob výroby lisovaných zvukových či datových kompaktních disků. Historicky se jedná o první typ kompaktních disků určených pro záznam digitálních dat, přičemž se zejména zvukové CD (CD-DA) stále vyrábí a prodávají. Důvod je prostý – samotná výroba raznice pro výrobu kompaktních disků je sice poměrně drahá, ale po této počáteční investici je vytvoření jednoho kompaktního disku již otázkou několika korun, přičemž zmetkovitost bývá při použití moderních vstřikovacích lisů minimální.
6. Premastering
Při výrobě „lisovaných“ kompaktních disků, ze kterých je data možné pouze číst, se provádí takzvaný premastering, mastering a poté již vlastní výroba kompaktních disků. Při premasteringu se vytváří přesná bitová podoba výsledného kompaktního disku. Vstupem jsou data rozdělená do bloků o délce 2048 bytů, protože právě tuto délku má jeden záznam v bloku fyzickém. Vlastní podoba dat většinou odpovídá normě ISO 9660 a může být vytvořena v mnoha pro tuto činnost určených aplikacích. Při premasteringu se ke každému bloku programově dopočítají synchronizační data, chybové a detekční kódy (ECC, EDC) i adresy sektorů, které jsou uloženy, jak již víme z předchozích kapitol, ve formátu minuta:sekunda:blok.
7. Mastering
Způsobem popsaným v předchozí kapitole je vytvořena sekvence bitů, jenž je použita při masteringu, což je výrobní fáze, během níž se vytvoří raznice. Jako první je vyrobena takzvaná matrice, jež slouží jako základ pro výrobu raznic (stamper). Původní matice, která bývá nazývána otec je použita pro vylisování svých negativních kopií (výstupky se stanou prohlubněmi a naopak) nazývané matka, protože výroba otce je drahá a při lisování výsledných kompaktních disků přímo pomocí otce by docházelo k jeho opotřebení. Z těchto kopií (matek) se vytváří již vlastní raznice nazývané syn – ty jsou negativními kopiemi matky, takže ve výsledku má syn stejný povrch (výstupky odpovídají výstupkům, prohlubně prohlubním) jako otec. Z jednoho otce se vytvoří několik matek, z každé matky až několik desítek synů a teprve ty jsou použity při lisování výsledných CD.
Při výrobě původní matrice (otce) se používá skleněný kotouček o tloušťce cca půl centimetru, který se dokonale vyleští. Poté se povrch pomocí laserového paprsku otestuje, zda má všude stejnou odrazivost. Následně se na kotouček nanese vrstva světlocitlivého materiálu, na který je laserovým paprskem „vypálen“ tvar budoucí stopy. Poté jsou části osvětlené laserem vymyty, čímž vznikne tvar budoucí stopy, který mívá hloubku 110 nanometrů. Po napaření tenké vrstvy stříbra a následném galvanickém vytvoření dostatečně silné vrstvy kovu se původní skleněný kotouček odstraní a výsledkem je kovový obraz budoucích CD – raznice (otec).
8. Výroba výsledných kompaktních disků
Po výrobě dostatečného počtu kusů matric je možné začít v lisováním vlastních kompaktních disků (CD DA i CD ROM). Matrice je vložena do komory lisu, do které je vstřikován roztavený polykarbonát (u budoucího středového otvoru navíc bývají v polykarbonátu vyraženy různé texty a sériová čísla). Po zatuhnutí polykarbonátu, které trvá cca 15 minut se základ budoucího kompaktního disku vyjme z komory lisu, vytvoří se středicí otvor (je menší než otvor výsledný) a na disk se nanese odrazivá vrstva, většinou vyrobená ze zlata, stříbra či hliníku. Na odrazivou vrstvu je nanesen ochranný akrylátový lak, který může být dále vytvrzen, vyrazí se středový otvor o průměru 15 mm a popř. se ještě nalepí etiketa. Celá výroba jednoho kompaktního disku i se zabalením zabere necelých 20 minut, nejvíce času se stráví čekáním na zatuhnutí polykarbonátu.
9. Obsah následující části seriálu
V další části seriálu o architekturách počítačů si popíšeme pokračovatele klasických kompaktních disků, tedy zapisovatelná CD, přepisovatelná CD, DVD a BluRay. Dále se budeme zabývat paměťmi určenými pro trvalý záznam dat, které buď neobsahují prakticky žádné pohyblivé části (Flash memory, Solid-State Disc) nebo se jedná o takzvané hybridní pevné disky, ve kterých je zkombinována klasická mechanika pevného disku s Flash pamětí (buňky typu NAND) nebo dynamickou pamětí (DRAM). Právě tyto typy pamětí prodělaly v několika posledních letech bouřlivý vývoj, který vedl jak k razantnímu zvýšení jejich kapacity, tak i ke značnému zlevnění, což samozřejmě vedlo k použití těchto pamětí (zejména Flash) v mobilních zařízeních, kde představují více či méně konkurenční alternativu k miniaturním pevným diskům. Také se budeme zabývat problémem omezení počtu zápisů na Flash paměti, včetně úvahy, ve kterých případech se jedná o skutečný problém a kdy jde spíše o problém teoretický (paměťové médium má delší fyzickou životnost než životnost morální).
ČLÁNKY DO MAILU