Armazenamento Óptico

1. Armazenamento Óptico Inhaúma Neves Ferraz Departamento de Ciência da Computação Universidade Federal Fluminense ferraz@ic.uff.br

2. Sumário • Introdução • Conceito • Mídia e dispositivos • Tipos de armazenamento • Formatos de Gravação • Codificação • Tratamento de erros • Modos de gravação de CD • Discos Re-graváveis • DVD

3. Conceito • O armazenamento óptico é feito utilizado feixes de luz (laser) refletidos e captados por células foto-elétricas • Normalmente o meio utilizado é um disco • O dispositivo utilizado também possui as chamadas cabeças de leitura e gravação

4. Mídia e dispositivos • O sistema de posicionamento dos discos ópticos (D.O) permite deslocar a cabeça tanto no sentido horizontal, como no vertical • O 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 trilha • O deslocamento vertical é necessário para que o foco do laser esteja no plano exato do meio de armazenamento

5. Mídia e dispositivos

6. 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 leitura • Um sistema óptico, formado por várias lentes, permite detectar o grau de refletividade da emissão eletromagnética do diodo laser, causado pelas depressões

7. 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 distância • O 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

8. Mídia e dispositivos

9. 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

10. 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 embalagem • As 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

11. CD-ROM

12. Cortes de Discos Ópticos

13. 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 uniforme • Para 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

14. 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

15. Formatos de gravação

16. Compact Disc • Primeiros Discos Ópticos • Patenteados 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

17. 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 disco • A 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

18. Codificação de dados • Tratamento de seqüências de zeros e uns em ambiente sujeito a ruídos é problemático • Nas comunicações utiliza-se a técnica de “bit stuffing” • Nos disco ópticos utiliza-se a técnica EFM ou “Eight-to-Fourteen Modulation”

19. 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 quadro • Na recepção é retirado todo zero depois de uma seqüência de cinco 1's

20. EFM ou “Eight-to-Fourteen Modulation” • Utiliza o mesmo tipo de codificação NRZ diferencial de comunicação de dados • Modula oito bits em 14 • Não são permitidas: • Longas seqüências de “1” por dificuldade de detecção • Longas seqüências de zeros por problemas de sincronização • Requisitos a obedecer: • Deve haver pelo menos dois “0” entre dois “1” • Seqüências de “0” não podem ter comprimento maior do que 10

21. 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 adjacentes • 8 bits passam a ser codificados em 17 bits

22. Exemplo de codificação EFM

23. Exemplo de codificação de 226 e 186 226 11100010 10000100010010 186 10111010 10010000001001

24. Extrato de tabela EFM

25. 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”)

26. 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

27. 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

28. 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

29. Discos Re-graváveis • Tecnologias • PCD (Phase Change Dual - Mudança de Fase Dual) • Magneto-óptica

30. Tecnologia Mudança de Fase Dual • Mudança de fase de uma superfície para armazenar dados • Superfície 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

31. Tecnologia Magneto-Óptica • Informação é armazenada em domínios magnéticos • Nos meios magnéticos os domínios são alinhados longitudinalmente • Nos meios magneto-ópticos os domínios são alinhados perpendicularmente à superfície dos discos

32. 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 magnetizável • uma bobina de polarização pode reverter a polarização de domínios • inicialmente toda a área a gravar é zerada • reverte-se o campo magnético e o feixe de laser aquece apenas os domínios que devem receber gravação do bit 1

33. Tecnologia Magneto-Óptica • A leitura é feita por reflexão de feixe de raios laser de baixa intensidade com 1 miliwatt de potência • O 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)

34. Tecnologia Magneto-Óptica

35. Tecnologia Magneto-Óptica

36. Tecnologia Magneto-Óptica Tecnologias MO e Laser Intensify Modulation - Direct Overwrite (LIM-DOW)

37. DVD • Pesquisas no início dos anos 1990 • Sony, Philips • Digital videodisk mudou para Digital Versatile Disk • 1997 é o ano da disseminação

38. 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

39. Tecnologia de Duas Camadas • Benefícios • Aumento da durabilidade • Aumento da capacidade • Perdas • Diminuição de S/N • Diminuição da densidade de dados

40. Abertura numérica • NA = n sin(q/2) • Spot size = l/NA

41. Profundidade de Foco (DoF) • DoF = l/NA2 • Determina o espaçamento de camadas • Afeta S/N; estabelece limite superior para NA

42. Comparaçãoentre DVD e CD

43. O Futuro