Armazenamento Óptico
Inhaúma Neves Ferraz
Departamento de Ciência da Computação
Universidade Federal Fluminense
[email protected]
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
2
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
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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 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
4
Mídia e dispositivos
5
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
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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 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
7
Mídia e dispositivos
8
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 embalagem
As unidades WORM ( "Write Once Read Many")
utilizam os meios de armazenamento préformatados, 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
11
Cortes de Discos Ópticos
12
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
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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 amorfocristalino
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Formatos de gravação
15
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
16
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
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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”
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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 quadro
Na 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 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:
1.
2.
Deve haver pelo menos dois “0” entre dois “1”
Seqüências de “0” não podem ter comprimento maior
do que 10
20
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
21
Exemplo de codificação EFM
22
Exemplo de codificação de 226 e 186
226 11100010 10000100010010
186 10111010 10010000001001
23
Extrato de tabela EFM
Decimal Binário EFM
0 01001000100000
0
1 10000100000000
1
10 10010000100000
2
11 10001000100000
3
100 01000100000000
4
101 00000100010000
5
110 00010000100000
6
111 00100100000000
7
1000 01001001000000
8
1001 10000001000000
9
1010 10010001000000
10
1011 10001001000000
11
1100 01000001000000
12
1101 00000001000000
13
1110 00010001000000
14
1111 00100001000000
15
24
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”)
25
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

27
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 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
30
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
31
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
32
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)
33
Tecnologia Magneto-Óptica
34
Tecnologia Magneto-Óptica
35
Tecnologia Magneto-Óptica
Tecnologias MO e Laser Intensify Modulation - Direct Overwrite (LIM-DOW)
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DVD
Pesquisas no início dos anos 1990
Sony, Philips
Digital videodisk mudou para Digital
Versatile Disk
1997 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

38
Tecnologia de Duas Camadas
Benefícios


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(q/2)
Spot size = l/NA
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Profundidade de Foco (DoF)
DoF = l/NA2
Determina o espaçamento
de camadas
Afeta S/N; estabelece limite
superior para NA
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Comparação entre DVD e CD
Característica
DVD
CD
Substrato Diam./Esp.
120 x 1,2 mm
120 x 1,2 mm
Lados
1 ou 2
1
Camadas por lado
1 ou 2
1
Capacidade (GB)
4,7; 8,54; 9,4; 17
0,7
Pitch de trilha(micron)
0,74
1,6
Pit mínimo(micron)
0,44
0,83
Vel. varredura linear
3,6 m/s
1,3 m/s
Comp. onda Laser
635 nm
780 nm
Abertura Numérica
0,6
0,45
Modulação
8 to 16
8 to 17
Tamanho do Spot
1058 nm
1733 nm
42
O Futuro
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