Armazenamento Óptico

Inhaúma Neves Ferraz

Departamento de Ciência da Computação

Universidade Federal Fluminense

ferraz@ic.uff.br

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Sumário

Introdução Conceito Mídia e dispositivos Tipos de armazenamento

Formatos de GravaçãoCodificaçãoTratamento de errosModos de gravação de CDDiscos Re-graváveisDVD

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Conceito

O armazenamento óptico é feito utilizado feixes de luz (laser) refletidos e captados por células foto-elétricasNormalmente o meio utilizado é um discoO dispositivo utilizado também possui as chamadas cabeças de leitura e gravação

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Mídia e dispositivos

O sistema de posicionamento dos discos ópticos (D.O) permite deslocar a cabeça tanto no sentido horizontal, como no verticalO deslocamento horizontal é feito em duas etapas, uma com ajuste grosso, e outra com ajuste fino, permitindo assim a localização exata da cabeça em cima da trilhaO deslocamento vertical é necessário para que o foco do laser esteja no plano exato do meio de armazenamento

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Mídia e dispositivos

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Mídia e dispositivos

O conjunto da cabeça do D.O. não precisa magnetizar as áreas da camada de gravação, mas a emissão de um diodo laser ( com comprimento de onda de 830 mm) forma pequenas depressões (entre 0,12 e 0,64 ) na superfície do meio de armazenamento, que serão detectadas durante a leituraUm sistema óptico, formado por várias lentes, permite detectar o grau de refletividade da emissão eletromagnética do diodo laser, causado pelas depressões

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Mídia e dispositivos

O meio de armazenamento óptico tem um substrato de policarbonato e uma camada metálica muito fina, de gravação sensível à temperatura (telúrio, alumínio) , sendo que a cabeça fica a alguns milímetros de distânciaO diodo laser é utilizado como fonte de energia para produzir as depressões (pits), durante a gravação e é também utilizado como fonte de luz, que uma vez refletida pelas depressões , é detectada pelos foto-sensores e convertida em informações digitais

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Mídia e dispositivos

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Tipos de Armazenamento

Existem três tipos de meios de armazenamento os que apenas podem ser lidos e não gravados

(CD_ROM) os de escrita única e várias leituras (WORM) os de livre leitura e gravação (re-graváveis)

As unidades de CD-ROM (Compact Disc ROM) são utilizadas de maneira similar aos "Audio Compact Disk", isto é, o uso deles pressupõem a disponibilidade de discos já gravados

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Tipos de Armazenamento

A duplicação de CD-ROM é feita a partir de um padrão em vidro, passando pelos processos de fabricação da matriz, injeção do substrato, de posição da camada metálica de leitura, instalação da cobertura e embalagemAs unidades WORM ( "Write Once Read Many") utilizam os meios de armazenamento pré-formatados, mas não gravados O usuário grava a sua informação uma só vez e se comete

erro, ou quer atualizar a mesma, grava uma segunda vez, ocupando mais uma área de disco

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CD-ROM

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Cortes de Discos Ópticos

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Formatos de gravação

Técnicas de gravação de discos ópticos velocidade angular constante velocidade linear constante.

Para a velocidade angular constante as seqüências de "pits" e "lands" são gravadas em trilhas concêntricas de igual capacidade e o acionador de disco tem rotação uniformePara a velocidade linear constante as seqüências de "pits" e "lands" são gravadas em uma única trilha em espiral e o acionador de disco tem rotação variável

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Formatos de gravação

Pulsos de laser

Laser produz aumento momentâneo de temperatura na trilha

A refletividade muda com a variação de temperatura por decomposição da cera ou mudança de estado amorfo-cristalino

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Formatos de gravação

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Compact Disc

Primeiros Discos ÓpticosPatenteados em 1970 por James T. Russell Produção em massa em 1985 (Philips e Sony)Usa código de correção de erros de

Reed – Solomon.Densidade de dados: ~ 1Mbyte/mm2

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Formatos de gravação

A trilha do CD-ROM tem um padrão espiral, e um acesso a trilhas distantes requer um tempo maior devido à necessidade do deslocamento da cabeça ótica e mudanças de rotação do discoA capacidade de acessar trilhas próximas sem deslocamento do mecanismo de leitura é chamada de "span" e o número de trilhas que podem ser acessadas dessa forma é chamada "span size“Nos drives de CD-ROM atuais o "span size" é superior a 60 trilhas

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Codificação de dados

Tratamento de seqüências de zeros e uns em ambiente sujeito a ruídos é problemáticoNas comunicações utiliza-se a técnica de “bit stuffing”Nos disco ópticos utiliza-se a técnica EFM ou “Eight-to-Fourteen Modulation”

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Bit Stuffing

delimitador do quadro : seis bits 1 em seqüência (01111110)se o texto contiver uma seqüência de cinco 1's seguidos, um bit 0 é inserido para evitar confusão com um delimitador de quadroNa recepção é retirado todo zero depois de uma seqüência de cinco 1's

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EFM ou “Eight-to-Fourteen Modulation”

Utiliza o mesmo tipo de codificação NRZ diferencial de comunicação de dadosModula oito bits em 14Não são permitidas:

Longas seqüências de “1” por dificuldade de detecção Longas seqüências de zeros por problemas de

sincronizaçãoRequisitos a obedecer:

1. Deve haver pelo menos dois “0” entre dois “1”2. Seqüências de “0” não podem ter comprimento maior

do que 10

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EFM

Requisitos 1 e 2 obrigam a, das 2^14 code words possíveis, só 267 serem aceitas (>256)Entre duas code words são usados 3 bits adicionais pois os requisitos 1 e 2 não valem entre code words adjacentes8 bits passam a ser codificados em 17 bits

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Exemplo de codificação EFM

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Exemplo de codificação de 226 e 186

226 11100010 10000100010010 186 10111010 10010000001001

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Extrato de tabela EFMDecimal Binário EFM

0 0 010010001000001 1 100001000000002 10 100100001000003 11 100010001000004 100 010001000000005 101 000001000100006 110 000100001000007 111 001001000000008 1000 010010010000009 1001 10000001000000

10 1010 1001000100000011 1011 1000100100000012 1100 0100000100000013 1101 0000000100000014 1110 0001000100000015 1111 00100001000000

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Tratamento de Erros

A poluição, os “riscos” e as marcas de dedos podem causar erros na leitura ótica

Os erros usualmente ocorrem juntos (em “rajada” ou”burst”)

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Tratamento de Erros

O número de code words é pequeno

Pode-se distanciar bem umas das outras

A correção de erros se faz pela distância mínima de Hamming

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CD-ROM Modo 1 (Dados)Composição de um bloco 12 bytes de sincronização (início do bloco) 4 bytes de header (minuto, segundo, número do

bloco e modo) 2048 bytes de dados 4 bytes do código de detecção de erros 8 bytes sem uso 276 bytes de código de correção de erros

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CD-ROM Modo 2 (não dados)

Composição de um bloco 12 bytes de sincronização (início do bloco) 4 bytes de header (minuto, segundo, número do

bloco e modo) 2336 bytes de dados

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Discos Re-graváveis

Tecnologias PCD (Phase Change Dual - Mudança de

Fase Dual) Magneto-óptica

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Tecnologia Mudança de Fase Dual

Mudança de fase de uma superfície para armazenar dadosSuperfície de gravação possui uma fina camada de telúrio ou selênio que tem a propriedade de existir em dois estados opticamente detectáveis (amorfo e cristalino), dependendo da temperatura Feixe laser 8 miliwatts - cristalização 18 miliwatts - fusão e vitrificação amorfa 1 miliwatt - leitura

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Tecnologia Magneto-Óptica

Informação é armazenada em domínios magnéticosNos meios magnéticos os domínios são alinhados longitudinalmenteNos meios magneto-ópticos os domínios são alinhados perpendicularmente à superfície dos discos

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Tecnologia Magneto-Óptica

temperatura Curie é a temperatura na qual ocorre a de perda da coercitividade feixe de raios laser com 8 miliwatts de potência aquece a camada magnetizáveluma bobina de polarização pode reverter a polarização de domínios inicialmente toda a área a gravar é zeradareverte-se o campo magnético e o feixe de laser aquece apenas os domínios que devem receber gravação do bit 1

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Tecnologia Magneto-Óptica

A leitura é feita por reflexão de feixe de raios laser de baixa intensidade com 1 miliwatt de potênciaO chamado efeito Kerr consiste na mudança de polarização do feixe de acordo com a orientação do domínio (rotação de menos de 1o)Os materiais magneto-ópticos são compostos de uma terra rara, ou lantanídeo (gadolineo ou térbio), e de um metal de transição (ferro ou cobalto)

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Tecnologia Magneto-Óptica

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Tecnologia Magneto-Óptica

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Tecnologia Magneto-Óptica

Tecnologias MO e Laser Intensify Modulation - Direct Overwrite (LIM-DOW)

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DVD

Pesquisas no início dos anos 1990Sony, PhilipsDigital videodisk mudou para Digital Versatile Disk1997 é o ano da disseminação

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De CD até DVD

Inovações: Duas camadas Aumento da abertura numérica Redução da profundidade de foco Melhora da relação sinal/ruído Trilhas mais estreitas Densidade de Dados: ~7 MByte/mm2

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Tecnologia de Duas CamadasBenefícios Aumento da

durabilidade Aumento da

capacidade

Perdas Diminuição de S/N Diminuição da

densidade de dados

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Abertura numérica

NA = n sin(/2)Spot size = /NA

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Profundidade de Foco (DoF)

DoF = /NA2

Determina o espaçamento de camadasAfeta S/N; estabelece limite superior para NA

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Comparação entre DVD e CDCaracterística DVD CDSubstrato Diam./Esp. 120 x 1,2 mm 120 x 1,2 mmLados 1 ou 2 1Camadas por lado 1 ou 2 1Capacidade (GB) 4,7; 8,54; 9,4; 17 0,7Pitch de trilha(micron) 0,74 1,6Pit mínimo(micron) 0,44 0,83Vel. varredura linear 3,6 m/s 1,3 m/sComp. onda Laser 635 nm 780 nmAbertura Numérica 0,6 0,45Modulação 8 to 16 8 to 17Tamanho do Spot 1058 nm 1733 nm

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O Futuro