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Dispositivos de armazenamento óptico

Um dos trabalhos elaborados no âmbito do Curso Técnico de Informática da Universidade Lusíada, em 2004:


O CD ROM

Em poucos anos o Compact DiskRead Only Memory, CD-ROM  – transformou-se de um luxo numa necessidade. Devido à sua capacidade e aplicabilidade, depressa se tornou no substituto da drive de disquetes, além de que permitiu que utilizássemos o computador de um modo nunca antes usado. De facto, o CD-ROM deu um forte impulso à revolução multimédia. Originalmente, o Compact Disk, ou simplesmente CD, foi desenvolvido para armazenar música, e substituir os antiquados discos de vinil com vantagens. Como num CD o som é gravado no formato digital temos um som completamente livre de ruídos, e com uma qualidade quase perfeita.

Rapidamente os fabricantes perceberam que, com um mínimo de esforço, o CD também poderia ser usado para gravar dados. Criou-se então uma distinção: os CDs destinados a gravar música passaram a ser chamados de CD-DA, ou “Compact Disk Digital Audio” enquanto os destinados à gravação de dados passaram a ser chamados de CD-ROM, ou “Compact Disk Read Only Remory”.

A técnica de gravação dos CD-ROMs lembra um pouco a dos antigos discos de vinil, consistindo na prensagem da camada plástica sobre um molde. É justamente por isso que os CD-ROMs comerciais também são chamados de CDs prensados, e é impossível alterar o seu conteúdo, já que seria impossível apagar os sulcos feitos na camada reflexiva.

Além dos CDs prensados, existem também os CDs graváveis, que são vendidos como discos virgens e podem ser gravados uma única vez num gravador de CD-ROM, e os CDs regraváveis que, assim como uma disquete, podem ser gravados e regravados várias vezes num CD-RW.

Nessa época, os discos rígidos custavam bem mais que actualmente, e com uma capacidade de armazenamento bem menor. Existia também um grande problema relacionado com a distribuição de software, já que com apenas 1,44 MB de capacidade, são necessárias inúmeras disquetes para armazenar programas grandes ou mesmo jogos.

A grande capacidade e o baixo custo de produção dos CD-ROMs, também tomaram possíveis as enciclopédias digitais com som e vídeo e jogos mais avançados.

O disco CD

Um disco CD é uma simples peça circular plástica, com cerca de 1,2 mm de espessura. Consiste numa peça moldada de policarbonato plástico. Durante o seu fabrico, o plástico é impresso com protuberâncias microscópicas dispostas numa única pista de dados em espiral. Logo que a peça em policarbonato é formada, é ejectada no disco uma camada protectora e fina de alumínio reflector que cobre as protuberâncias. Seguidamente, o alumínio é pulverizado com uma fina camada acrílica.

O CD tem uma só pista em espiral, que circula desde do interior do disco paira o exterior. O facto de a espiral começar no centro quer dizer que o CD pode ter um diâmetro inferior a 12 cm. Caso queiramos, por vezes encontramos pequenos CD’s publicitários ou mesmo do tamanho de um cartão de crédito, com a vantagem de poder ser introduzido num vulgar leitor de CD’s

O CD tem aproximadamente O,5 mícrons de largura, com 1,6mícrons a separar uma pista da outra Não esqueçamos que 1 mícron é igual à milionésima parte de 1 metro e que as protuberâncias que formam a pista tem cada uma O,5 mícrons de largura e uni mínimo de 0,85 mícrons de comprimento. Visto através da camada de policarbonato, as protuberâncias teriam o aspecto da figura seguinte.

Se acidentalmente provocar um risco pequeno sobre a camada inferior do disco, do lado do plástico, provavelmente, o CD ROM continuará a ser lido normalmente, já que a camada reflexiva, onde são armazenados os dados, não foi atingida, e apesar do risco dificultar a leitura, a leitura será possível,  variando o ângulo do laser. Se por outro lado for arranhada a face superior do disco, provavelmente teremos o CD inutilizado, já que a camada de dados seria danificada.

Um CD-ROM de boa qualidade pode durar mais de um século, desde que seja bem conservado. Além de tomar cuidado com arranhões, deve-se evitar expor o CD directamente ao sol quente ou outras fontes de calor, pois o calor pode fundir a camada reflexiva, inutilizando o CD. Os CD’s gravados são especialmente sensíveis.

Como o CD foi originalmente desenvolvido para armazenar áudio, os dados são gravados na forma de uma grande espiral (como num disco de vinil) ao invés de serem usadas trilhas concêntricas como num disco rígido. Esta espiral engloba todo o disco, dando cerca de 20.000 “voltas” e tendo um comprimento de quase 5 quilómetros. Esta imensa espiral pode ser dividida em trilhas lógicas, cada uma englobando uma faixa de um CD de áudio, por exemplo. Cada bit gravado corresponde a um conjunto de sulcos no CD, e não a um único sulco como poderíamos supor, De fato, são usados sulcos para formar um bit 1 ou O. O uso desta grande quantidade de sulcos para cada bit é necessária para que, durante a leitura, a cabeça de leitura tenha tempo suficiente para “perceber’ a mudança entre  1 e O.

Um CD possui cerca de 106 biliões de sulcos. Se cada sulco correspondesse a um bit de dados, teríamos uma capacidade incrível de armazenamento por CD, mas que seria impossível de ser implementada, pois não seria possível, pelo menos com a tecnologia actual, desenvolver processos de gravação, e principalmente leitores de CD com cabeças suficientemente sensíveis para conseguir ler os dados com esta precisão.

A fim de chegar a um consenso quanto à capacidade ideal para o CD, ficou determinado que ele deveria ser capaz de armazenar 74 minutos de música, o que corresponde a cerca de 742 Megabytes. A fim de melhorar a organização, os dados são agrupados na forma de sectores, assim como num disco rígido. A diferença é que enquanto num disco rígido cada sector engloba 512 bytes, num CD engloba 2.352 bytes.

Num CD de dados, a falha na leitura de apenas alguns bits seria suficiente para inutilizar o programa a ser lido. Para tornar o CD confiável para o armazenamento de dados, foram reservados 280 bytes em cada sector para o armazenamento de códigos ECC, permitindo a correcção automática de qualquer alteração nos dados, sendo reservados mais 24 bytes para sinais de sincronismo e endereçamento. Sobram então 2.048 bytes em cada sector para armazenamento de dados. Como cada CD possui 330.000 sectores, chegamos a 650 MB de capacidade total.

Performance

As primeiras drives de CD-ROM eram capazes de ler dados a 150 KB/s. A geração seguinte de drives já era capaz de ler dados a cerca de 300 KB/s, quase o dobro. Estas “novas” drives passaram então a ser chamados de CD-ROMs 2X, já que eram cerca de duas vezes mais rápidos que os originais. Em seguida começaram a aparecer drives com taxas de leitura de 600 KB/s ou 900 KB/s, sendo chamados respectivamente de 4x e 6x. Um drive de 32x deve ser capaz de ler dados a 4800 KB/s e assim por diante.

A velocidade máxima da drive de CD-ROM (32x, 24x etc.) é alcançada apenas quando são lidos dados gravados sequencialmente no CD-ROM, um vídeo ou uma música por exemplo. Caso sejam lidos dados espalhados pelo disco, a cabeça de leitura precisará mover-se à procura de dados, fazendo com que a taxa de transferência diminua proporcionalmente à velocidade de deslocamento. O tempo médio que a cabeça de leitura demora para deslocar-se até ao ponto onde estão armazenados os dados a serem processados, somado ao tempo que o CD demora  a fazer uma rotação completa, até que seja alcançado o ponto exacto onde será iniciada a leitura, é chamado de tempo de acesso.

Quanto mais rápido for o deslocamento da cabeça de leitura, menor será o tempo de acesso e consequentemente a perda de performance. Uma boa drive de CD-ROM deve ter um tempo de acesso em torno de 80 milessegundos.

Muitos CD’s gravados, e mesmo alguns CD’s “impressos” de baixa qualidade, como os vendidos com algumas revistas de informática, não podem ser lidos acima de 4 ou 6 velocidades sem que haja muitos erros de leitura. Neste caso não adianta ter uma drive de 40x, pois a velocidade de leitura ficará limitada á velocidade permitida pelo CD. Geralmente apenas os CD’s de jogos ou programas originais podem ser lidos a qualquer velocidade.

Sabendo deste problema, os fabricantes de leitores de CD criaram uma tecnologia, através da qual leitor, ao não conseguir ler um CD qualquer baixa a velocidade de rotação, fazendo várias tentativas a velocidades cada vez menores, até conseguir. É por isso que, ao tentar ler alguns CD’s, a luz do leitor de CD’s pisca durante 2 ou 3 segundos, até que finalmente o CD seja lido. Neste caso, mesmo tendo um leitor de 40x, esses CD’s de baixa qualidade vão ser lidos a apenas 4x ou 6x por limitação do leitor de CD’s.

O leitor de CD’s

O leitor de CD’s tem como trabalho principal descobrir e ler os dados armazenados como protuberâncias no CD. Tendo em conta as dimensões que vimos há pouco, ele tem de ser um equipamento extremamente preciso. O leitor consiste em três partes fundamentais:

– Um motor que faz rodar o disco; este motor é controlado para rodar entre 200 a  500 rpm, dependendo da pista que estiver a ler.

– Um laser e um sistema de focagem de lentes, cujo papel é ler as protuberâncias.

– Um mecanismo de tracção que move o bloco do laser de modo a que o feixe do laser possa seguir a espiral. Este sistema de tracção tem de ser capaz de executar movimentos com uma precisão de microns.

Dentro do leitor temos depois um circuito lógico capaz de ler os blocos de dados e enviá-los para um DAC (Digital Analog Converter), no caso de um CD de áudio, ou para o computador, no caso de um CD de dados.

O papel fundamental do leitor de CD’s é focar o laser na pista. O feixe de laser passa através da camada de policarbonato, reflecte na camada de alumínio e atinge um dispositivo opto-electrónico que detecta as alterações de luminosidade. As protuberâncias reflectem a luz de um modo diferente do resto da camada de alumínio e o sensor opto-electrónico detecta essas diferenças de reflexão, O circuito lógico interpreta as alterações na reflexividade de modo a ler os dados.

Entretanto, o mecanismo de tracção tem o papel mais difícil, que é manter o feixe devidamente centrado na pista de dados. Este sistema tem de mover continuamente o laser através do CD, mas como a velocidade a que giram as protuberâncias da pista não é a mesma em todo o disco, isto é, as protuberâncias interiores giram mais depressa que as exteriores, o motor que roda o CD tem de girar mais lentamente quando a leitura é perto do centro do CD e mais rápido quando a leitura se faz na zona externa, de modo a que o laser faça a leitura das protuberâncias sempre à mesma velocidade e os dados tenham um fluxo constante.

O Gravador de CDR e CD-RW

Os CDs armazenam dados digitais na forma de protuberâncias e zonas lisas, dispostas ao longo de uma pista em espiral. O CD é gravado através de um potente laser que grava as protuberâncias num material fotossensitivo revestido num disco acrílico. Devido à dificuldade de gravação dos CD’s, eles eram só de leitura.

Para ultrapassar essa dificuldade, foram criados novos tipos de CD’s capazes de ser gravados pelo utilizador, os CD-R’s. Este tipo de CD’s não têm protuberâncias. Em vez disso têm uma superfície de metal reflector colocada por cima de uma camada de tinta fotossensitiva.

Quando o disco está “branco”, isto é, não tem dados gravados, a tinta é transparente. A luz pode passar essa camada e reflectir na superfície metálica. Mas quando se aquece a camada de tinta com um raio de luz concentrada de uma frequência e intensidade específica, a tinta torna-se opaca. Escurece esses pontos e a luz não passa.

Ao escurecer selectivamente pontos em particular ao longo da pista do CD, e deixando outras áreas transparentes, pode-se criar um padrão legível pelos leitores de CD’s comuns.

O Gravador de CD-Rs.

O gravador de CD’s escurece áreas microscópicas dos discos CD-R para registar um padrão digital de áreas reflectoras e não reflectoras, as quais podem ser lidas por um vulgar leitor de CD’s. Para que isso seja possível, o mecanismo de gravação tem de ser extremamente preciso. No entanto, o processo básico é muito simples.

O gravador de CDs tem um bloco com laser que se move como o de um vulgar leitor de CDs. Mas além do laser leitor, tem também um laser de escrita. Esse laser de escrita é mais potente que o de leitura, de modo a interagir de um modo diferente com o disco. Ele altera a superfície em vez de somente reflectir nessa mesma superfície.

O laser de escrita move-se exactamente da mesma maneira que o laser de leitura, ou seja, move-se através do CD enquanto ele gira. A camada plástica inferior tem ranhuras gravadas que guiam o laser ao longo do caminho correcto. O gravador faz com que o laser siga através da pista a uma velocidade constante, calibrando a rotação do disco com o movimento do bloco do laser. Para registar os dados, o gravador liga ou desliga o laser de escrita sicronizadamente com um padrão de “O” e “1”, isto é, o laser “queima” a tinta para codificar um “O” e deixa-a transparente para codificar um “1”.

O Gravador de CD-RWs

Vimos anteriormente as possibilidades que temos para gravar dados em CDs. No entanto, essa gravação é irreversível, isto é, após a gravação não podemos alterar mais nada. Para colmatar essa desvantagem, surgiu o CD-RW, ou CD regravável. Por outras palavras, podemos escrever e apagar os dados uma série de vezes. Estes discos são baseados numa tecnologia de mudança de fase, O elemento de mudança de fase é um composto químico de prata, antimónio, telúrio e índio. Tal como com qualquer material físico, podemos mudar a forma deste composto aquecendo-o a certas temperaturas. Quando o composto é aquecido acima do seu ponto de fusão (cerca de 600° C), ele toma-se líquido; à sua temperatura de cristalização (cerca de 200° C) ele toma-se sólido

Num CD-RW as áreas reflectoras e não reflectoras são representadas por mudanças de fase num composto especial. Quando o composto está no estado cristalino, ele é transparente, logo a luz passa através dele e reflecte na camada metálica; quando o composto está no estado amorfo, isto é, de estrutura não cristalina, ele toma-se opaco, tornando a área não reflectora.

Para gravar a informação, o gravador usa o laser de escrita, que aquece o composto químico até à sua temperatura de fusão. Estes pontos “derretidos” têm a mesma função das protuberâncias nos CD’s e dos pontos opacos dos CD-R. Eles bloqueiam a passagem de luz do laser de leitura, logo não há reflexão da mesma na camada metálica. Cada área não reflectora equivale a um “O”, enquanto que cada ponto que fica cristalino, logo transparente, representa um “1”. Quando queremos apagar um CD-RW, o laser assume um outro papel, ou seja é colocado a uma temperatura tal que, não sendo suficientemente elevada para derreter o composto, tem intensidade suficiente para o levar ao ponto de cristalização. Ao manter o material a essa temperatura, o laser restaura o estado cristalino do composto químico.

Como vimos nos CD-RW, o laser tem três estados:

F  Leitura, estado normal do laser que reflecte a luz para o sensor opto- – electrónico,

F  Apagar, o laser é colocado na temperatura necessária para cristalizar o composto químico.

F  Escrita, o laser é colocado na temperatura necessária para fundir o composto químico.

O DVD

O DVD (Digital Versatile Disc) é idêntico ao CD, mas com muito mais capacidade de armazenamento. Um DVD standard pode armazenar cerca de sete vezes mais dados que um CD. Isto quer dizer que num DVD podemos colocar uni filme completo codificado em MPEG, além de muito mais informação.

Normalmente num DVD temos até 133 minutos de vídeo de alta resolução, comprimido em MPEG, o som correspondente ao filme com qualidade digital Dolby Surround e até 32 línguas diferentes de legendas.

Originalmente, o DVD foi concebido para armazenar filmes e substituir as cassetes de vídeo comum. Um  DVD pode armazenar mais de 2 horas de vídeo com 500 linhas horizontais de resolução, o dobro da resolução de uma cassete VHS comum. Existem 4 tipos de DVD, que diferem na capacidade. O DVD 5 é capaz de armazenar 4,7 GB de dados ou 133 minutos de vídeo. O DVD 10 utiliza a mesma tecnologia do DVD 5, mas nele são usados os dois lados do disco, dobrando a capacidade, temos então 9,4 GB de dados ou 266 minutos de vídeo. Temos também o DVD 9 e o DVD 18, que são capazes de armazenar respectivamente 8,5 e 17GB de dados.

O único problema com o DVD 18 é que, como são gravados dados nos dois lados do disco, é preciso virar o disco quando se chega ao meio do filme. No caso de DVD’s com dados, também é preciso virar o disco para ler os dados gravados no outro lado. Para acabar com este inconveniente, foram desenvolvidas unidades com duas cabeças de leitura, uma de cada lado. Estas unidades porém ainda são pouco populares, pois são bem mais caras.

Um DVD é muito parecido com um CD comum. A diferença é que os sulcos no DVD são mais pequenos e mais próximos uns dos outros. Enquanto no CD cada bit óptico mede 0,83 nanometros, de comprimento e 1,6 nm de largura, num DVD cada ranhura mede apenas 0,4 nm x 0,74 fim, permitindo gravar muito mais dados no mesmo espaço físico.

Os DVDs têm o mesmo diâmetro e espessura dos CD’s, e são construídos a partir dos mesmos materiais e processos de fabrico. Tal como num CD, os dados são codificados sob a forma de protuberâncias na pista do disco.

O DVD é composto por várias camadas de plástico, totalizando uma espessura de cerca 1,2 mm. Cada camada é criada por injecção de policarbonato de plástico num molde. Este processo forma um disco com protuberâncias microscópicas orientadas como uma única, contínua e extremamente comprida espiral de dados.

Logo que o disco de policarbonato está formado, é ejectada no disco uma fina camada reflectora que cobre as protuberâncias. Para as camadas interiores é usado o alumínio. No entanto, para as camadas exteriores usa-se uma camada semi-reÍlectora em ouro, que vai permitir ao laser focar através dessas mesmas camadas exteriores até à camada interior. Após todas as camadas estarem formadas, cada uma delas é coberta com laca e acabada sob luz infravermelha. No caso dos discos de uma face, é gravada uma etiqueta na face não legível. Os discos dupla face levam a etiqueta na zona central. Podemos ver na figura seguinte os vários tipos de DVD e suas camadas.

Devemos realçar que a distancia que separa uma pista da adjacente num DVD é de 740 nanometros, isto tendo em linha de conta que um nanometro é a bilionésima parte do metro. As protuberâncias que forma a pista têm cerca de 320 nanometros de largura, 400 nanometros de comprimento e 120 nanometros de espessura. Na figura seguinte podemos ver a ilustração do que falámos:

As dimensões microscópicas das protuberâncias fazem com que a espiral no DVD seja extremamente comprida. Se dispuséssemos a pista numa linha contínua em vez de uma espiral, teríamos, no caso de um DVD de camada simples, cerca de 12 Km de comprimento. Isso quer dizer que num DVD dupla face e camada dupla teríamos cerca de 48 Km!

A ideia de aumentar a densidade e a quantidade de discos, é a mesma usada para aumentar a capacidade dos discos rígidos. Até aí não temos nenhuma grande inovação, apenas uma evolução natural do CD-ROM. Surgiu a ideia de sobrepor duas camadas de dados, variando o foco do laser de acordo com a camada a ser lida. Usando esta tecnologia a primeira camada de dados é feita de material semitransparente, enquanto a segunda, de material que não permite a passagem de luz. As duas camadas podem então ser lidas aleatoriamente, simplesmente variando o foco do laser.

Usando esta tecnologia, foi desenvolvido o DVD 9, que é capaz de armazenar 8,5 GB de dados, quase o dobro de um DVD comum. Usando as duas faces do disco, foi possível dobrar a capacidade do disco, chegando aos 17GB do DVD 18.

O uso de duas camadas de dados sobrepostas no DVD, é o primeiro uso em larga escala da holografia para armazenamento de dados.

Claro que é muito mais dificil implementar esta técnica na prática do que na teoria, mas podemos esperar para o futuro, discos ópticos com cada vez mais camadas sobrepostas, alcançando capacidades inimagináveis de armazenamento.

O leitor de DVD’s

O leitor de DVD é idêntico ao leitor de CD’s. Tem um bloco a laser que lança um feixe laser sobre a superfície do disco de modo a ler as protuberâncias da pista. Ao fazer isso, o leitor descodifica filmes gravados em formato MPEG e transforma-os num sinal standard de vídeo composto. Quanto ao áudio, também é descodificado e enviado a um processador Dolby, onde é amplificado e enviado para os alto-falantes.

O leitor de DVDs é composto por três partes fundamentais:

– Motor: faz rodar o disco e é controlado para rodar entre as 200 e as 500 rpm, dependendo da pista que estiver a ler.

– Laser e sistema de lentes; tem como função focar as protuberâncias e lê-las, o feixe emitido pelo laser tem um comprimento de onda mais pequeno ( 640 nanometros) que o do leitor de CDs (780 nanometros), o que faz com que o feixe possa focar áreas bastante pequenas.

– Mecanismo de tracção: move o bloco do laser de modo a que o feixe possa seguir a pista espiral, ele tem de ser capaz de mover o laser com uma precisão e resolução micrométricas.

No interior do leitor existe também todo um circuito lógico capaz de transformar a informação em blocos de dados e enviá-los para um DAC (digital analog converter), no caso de sinal áudio ou vídeo, ou directamente para outro componente no caso de dados ou vídeo digital.

Tal como acontece com o leitor de CD’s, o leitor de DVD’s tem de focar o laser na pista; o feixe de laser passa através da camada de policarbonato, reflecte na camada de material semitransparente, ou através dela, até à camada interior, no caso de discos de camada dupla, atingindo depois um dispositivo opto-electrónico que detecta as alterações de luminosidade. As protuberâncias reflectem a luz de um modo diferente das áreas lisas, e o sensor opto-electrónico detecta essas diferenças de reflexão, O circuito lógico interpreta as alterações na reflexividade de modo a ler os dados.

O mais difícil na leitura dos DVD’s é a manutenção do feixe de laser centrado na pista respectiva. O responsável por essa tarefa é o mecanismo de tracção. Conforme o DVD roda, o mecanismo de tracção tem de mover o laser continuamente, desde o centro do disco até à periferia. Tal como já vimos com os CD’s, as protuberâncias no interior do disco rodam mais depressa que na periferia. Isto acontece porque a velocidade linear, ou tangencial, das protuberâncias é igual ao raio vezes a velocidade de rotação do disco. Logo, conforme o laser se move para o exterior, o motor tem de diminuir a velocidade de rotação para que as protuberâncias passem pelo laser sempre à mesma velocidade.

Gravação de CD’s

Durante vários anos, os CD’s foram suportes somente para leitura. Para copiá-lo era usar disquetes, Zip-drives ou algum outro dispositivo. Actualmente porém, há uma grande popularização dos gravadores de CD-ROM e DVD’s, que são já praticamente tão populares como as unidades de disquete. Qualquer utilizador com 150 Euros, ou menos que isso, pode comprar um gravador e gravar DVD’s com dados ou mesmo CD’s de música, sem grandes dificuldades.

Existem diversos programas de gravação de CD’s no mercado, com destaque para os mais populares: Nero, Roxio, etc.

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