Nová média - DVD-RAM technologie

Hardware

Materiály pro DVD-RAM

DVD-RAM disk se skládá ze 2 disků. Jeden disk pro jednu stranu - u oboustranného média. U jednostranného média je jeden disk pouze z plastu (polykarbonát). Jak uvidíme dále, spirála na DVD-RAM disku se skládá z velkého počtu částí. Tyto části jsou dvojího typu: 1. hlavička, 2. datová oblast. Každá část je vyrobena z jiného materiálu, protože datovou oblast je nutno přepisovat, ale hlavička je napevno a není ji možné změnit.

Jak už bylo v úvodu řečeno, DVD-RAM je médium využívající látky, která se může nacházet ve 2 různých tuhých stavech. Jeden je amorfní a druhý krystalický. Finta je v tom, že látka ve stavu krystalickém jinak odráží světelný paprsek, než ve stavu amorfním.

Takže obecně už víme, jaké vlastnosti musí mít daný materiál, tak se podíváme na průřez diskem:

• Polykarbonát - je ochranná vrstva proti mechanickému poškození.
• Adhezní vrstva - prostě lepidlo :-).
• Záznamové vrstva - to je ta vrstva, která se mění z amorfní na krystalickou a naopak.
• Dielektrická vrstva - je z obou stran záznamové vrstvy. Pravděpodobně je to jakási ochrana záznamové vrstvy.
• Zbytek už je snad jasnej :-).

Principy

Princip čtení

Amorfní stav materiálu je takový, při kterém se odrážené světlo rozptýlí. V krystalickém stavu naopak je světlo odraženo podobně jako je tomu u zrcadla. Tyto odlišné způsoby odražení světla lze detekovat. Mimo jiné se z charakteru odrazu paprsku dají získat informace o navádění paprsku (tzv. tracking) nad stopou.

Princip zápisu

Pro zápis, mazání a čtení jsou použity 3 různé intenzity 650nm laseru. Pokud použijeme nejvyšší intenzitu laseru, zahřeje se materiál na 900 - 1300 Fahrenheitů (cca 482 - 704 °C) a poté rychle ochladne. Tím se nestihne rekrystalizovat a ztuhne v amorfní podobě. Při použití střední intenzity laseru dojde k zahřátí na cca 400 Fahrenheitů (204 °C) a materiál již pomaleji chladne (menší gradient teploty) a stihne rekrystalizovat. Výsledkem je krystalický materiál s dobrou odrazivostí. Nejnižší intenzitu používáme pouze pro čtení. Nijak nemění stav materiálu. Na následujícím obrázku je ukázán typický průběh zapisování. Laser je při zápisu nastaven na střední intenzitu, tj vše vymaže a zápisový signál je na něj modulován. Tzn. přepínání na vysokou intenzitu se provádí při zápisu jedniček.

Peak Power je maximální intenzita, Bias Power je střední intenzita a Read Power je nejnižší (čtecí) intenzita laseru.

Fyzická struktura disku

Disk jako takový je rozdělen na několik zón. V každé zóně je jiný (od středu zvyšující se) počet sektorů. Každý sektor má vlastní hlavičku. Když se podíváte na DVD-RAM disk, uvidíte množství čáreček. To jsou právě hlavičku sektorů.

V následujícím textu si povíme něco o struktuře DVD-RAM disku

Land & groove

Všechna CD a DVD média používají na disku spirálovou stopu. Ta je od sebe oddělena malou vyvýšeninou (land). Záznamová část se nachází pouze v drážce (groove). Tím se nevyužívá plocha vyvýšeniny. U DVD-RAM je použit pro uložení dat jak land tak i groove. Pro zvyšování kapacity je potřeba zvyšovat hustotu jednotlivých pitů. Tím ale dochází ke slabnutí naváděcího servo signálu a k zesílení přeslechů. Řešení je právě záznam na obě plochy: land i groove. U DVD-RAM disků je výškový rozdíl mezi land a groove λ/6n, kde λ je vlnová délka laseru a n je optický index substrátu. Tato úprava zeslabuje přeslechy a dovoluje tudíž použít klasická schémata pro naváděcí signál i při použití menších a bližších pitů na záznamovém médiu.

Navíc je snazší korigovat směr paprsku. Na spodním obrázku vidíme, že pokud dojde k otřesu mechaniky a laserový paprsek se vychýlí, tak u DVD-RAM se dostane na jinou úroveň (land -> groove nebo groove -> land) a to už lze velmi jednoduše detekovat pouhým měřením charakteristiky odráženého světla. Zatímco u DVD±RW média přeskočíme na jinou stopu a jedeme dále, aniž bychom něco tušili. Zvlášť nepříjemná je tato situace v době zápisu na médium.

CAPA - Complimentary Allocated Pit Addresing

CAPA je způsob adresování jednotlivých sektorů pomocí fyzického ID (Physical ID - PID). CAPA hlavička je uložena pro každý sektor zvlášť. Podrobnější popis celého sektoru je zde. Datová oblast, která je mezi jednotlivými CAPA hlavičkami, tj. land a groove má tzv. zvlněné hranice mezi land a groove (wobbles). Toto zvlnění je pravidelné, takže logika mechaniky ví přesně, kde se nachází laserový paprsek a kde bude další CAPA hlavička.

Na obrázcích jsou zobrazeny dva různé pohledy na CAPA hlavičku s datovou oblastí.

Aby mohly být tyto adresní hlavičky umístěny podél celé spirálovié stopy, musí se provádět změna land -> groove a groove -> land každou otáčku. Zelená křivka označuje trasu, kterou sleduje laserový paprsek při čtení/zápisu.

Sektory - fyzická struktura

Pity jsou uloženy na médiu ve spojité spirále. Jsou organizovány ve shlucích, kterým říkáme fyzický sektor. Každý fyzický sektor obsahuje 2048 bytů uživatelských dat, časovací informace a část informací z ECC kódu. Blok, přes který se počítá ECC kód, obsahuje 16 sektorů (informace z ECC kódu jsou rozprostřeny přes všech 16 sektorů). Přesný popis sektoru je zobrazen na následujícím obrázku:

Sektor tedy obsahuje 128 bytovou hlavičku (HF - Header Field), 2 bytový MF (Mirror Field) a 2567 bytů dlouhý blok zapisovatelných dat (RF - Recording Field).

Ve stručnosti si popíšeme jednotlivé části sektoru. Více informací lze získat např. na těchto stránkách.

HF je zapsána při výrobě média "natvrdo". Je to vlastně CAPA hlavička zmíněná výše. Toto pole obsahuje důležité informace 4x, aby se zvýšila spolehlivost. Tzn. že jsou zde 4 bloky: hlavička 1, hlavička 2, hlavička 3 a hlavička 4. Hlavička 1 a hlavička 3 jsou každá dlouhá 46 bytů, hlavička 2 a hlavička 4 jsou dlouhé jen 18 bytů.

• hlavička 1 obsahuje 36 bytů VFO1, 3 byty AM, 4 byty PID1, 2 byty IED1, 1 byte PA1
• hlavička 2 obsahuje 8 bytů VFO2, 3 byty AM, 4 byty PID2, 2 byty IED2, 1 byte PA2
• hlavička 3 obsahuje 36 bytů VFO1, 3 byty AM, 4 byty PID3, 2 byty IED3, 1 byte PA1
• hlavička 4 obsahuje 8 bytů VFO2, 3 byty AM, 4 byty PID4, 2 byty IED4, 1 byte PA2

• VFO - Variable Frequency Oscillator. Každé VFO pole obsahuje opakující se sled vzorků 100010001000. Slouží pro synchronizaci PLL (Phase Locked Loop).
• AM - Address Mark. Obsahuje speciální adresovou značku, která indikuje začátek PID pole.
• PID - Physical ID. Obsahuje informace o sektoru (1B = 8bitů) a číslo fyzického sektoru (3B = 24bitů).
• IED - ID Error Detection Code. Obsahuje zabezpečení PID pole kódem detekujícím chybu.
• PA - Post Ambles. Obsahuje stavové informace potřebné pro demodulaci. Hraje roli při úpravě polarizace - ukončení hlavičky.

RF obsahuje uživatelská data s podpůrnými informacemi. Na obrázku si můžeme všimnout jisté volnosti ve velikosti a pozici různých polí. Jsou zde zobrazeny indexy J (0-15) a K (0-7) v polích Gap, Guard1, Guard2 a Buffer. To nám umožňuje při zápisu náhodně posouvat začátek sektoru pouhou volbou indexů J a K. Důsledkem je menší opotřebování materiálu a tím samozřejmě i delší životnost média.

Takže RF obsahuje tyto pole:

• Gap - prázdná výplň. Velikost: 10+J/16 bytů.
• Guard1 - u technologie zápisu pomocí změny fáze dochází při opakovaném zápisu na začátku a na konci zapisovacího cyklu k silnějšímu opotřebování materiálu. Tato oblast je vlastně obětovaná této technologické neřesti. Velikost 20+K bytů.
• VFO3 - PLL pole, obsahuje posloupnost opakujících se synchronizačních sekvencí, 35 bytů.
• PS - Pre-Synchronous code. Obsahuje synchronizační kód. Velikost: 3 byty.
• Data - zakódovaná uživatelská data. Velikost: 2418 bytů.
• PA3 - Post Amble. Obsahuje stavové informace potřebné pro demodulaci. Také označuje konec datové oblasti. Velikost: 1 byte.
• Guard2 - Stejný význam jako Guard1, jen na konci zapisovací zóny. Velikost: 55-K bytů.
• Buffer - absorbuje změny v rychlosti rotace disku (přesun do jiné zóny, atp.). Taktéž slouží jako rezerva, aby se nezapisovalo tam kam nemá (moc daleko - do dalšího sektoru). Velikost: 25-J/16 bytů.

Jak jsem se zmínil, blok uživatelských dat je také zakódován. Obsahuje data ID (číslo logického sektoru), IED (Data ID Errot Detection Code, 16 bitová ochrana data ID), synchronizační kód, ECC (Error Correction Code), EDC (Error Detection Code), blok uživatelských dat (2048 bytů).

Systém ochran proti chybám je principielně stejný jako u klasického CD/DVD. Tj. je použit Reed-Solomon Product Code (RSPC). Jeho popis najdete na přednáškových slajdech. Hrubý popis je i na již zmíněných stránkách.

ZCLV - Zoned Constant Linear Velocity

Aneb konstantní lineární rychlost v zóně. ZCLV metoda rozděluje disk na několik zón. Uvnitř těchto zón se disk otáčí konstantní rychlostí. Tato metoda umožňuje zápis konstantním datovým tokem.

Jak vidíme na obrázku, disk je rozdělen do několika oblastí. Lead-in, data a lead-out. Lead-in je dále rozdělena do oblasti s neměnným obsahem (embossed) a do přepisovatelné (rewritable) oblasti. Neměnná oblast obsahuje řídící informace, jako například typ disku, formát disku, metoda zápisu. Přepisovatelná oblast je použitá pro testování disku, defect management, aj.

DMA - Defect Management Areas

Defect Management je schopnost nahradit poškozený sektor jiným ze zálohy tak, aby nedošlo k úbytku kapacity média. K tomuto účelu existují na DVD-RAM médiu v každé zóně tzv. spare area (náhradní oblast) a 4 tzv. Defect Management Areas (DMA - oblasti pro správu defektů). Budeme je označovat DMA1 - DMA4. Každá oblast obsahuje stejná data (opět redundance = vyšší spolehlivost). DMA1 a DMA2 jsou u středu disku v tzv. lead-in oblasti, druhé dvě (DMA3 a DMA4) jsou na okraji disku v tzv. lead-out oblasti.

Každá DMA obsahuje 2 seznamy. PDLA a1(Primary Defect List Area - oblast pro seznam primárních defektů) a SDLA a2 (Secondary Defect List Area - oblast pro seznam sekundárních defektů). Primární defekty jsou označovány jako defekty prvního řádu. PDLA tedy obsahuje jako své prvky množství PDL (Primary Defect List - seznam primárních defektů). Obdobně SDLA a2 obsahuje jako své prvky množství SDL (Secondary Defect List - seznam sekundárních defektů). DMA mimo jiné také obsahuje velikost náhradní oblasti pro špatné sektory. A to buď ve tvaru fyzické adresy prvního a posledního sektoru oblasti, nebo ve tvaru fyzické adresy prvního sektoru a její velikost.

Proces náhrady dělíme na 2 typy. První se nazývá tzv. slipping (klouzavý), druhý je označen jako lineární. Rozdíl je v tom, že klouzavým procesem se opravují primární defekty na úrovni sektorů. Lineárním procesem se opravují sekundární defekty na úrovni ECC bloků (tj. 16 sektorů).