1.
¿Qué son los discos ópticos, qué
tipos existen, y cuáles son sus usos?
2. ¿Cómo se fabrican los
CD-ROM, y se graban los sectores de la
espiral?
3. ¿Cómo se lee un CD en una
unidad lectora de CD-ROM, sea simple, 2x, 4x,… 12x
…?
4. ¿Cómo son y se escriben
los CD para grabación por un usuario designados
CD-R?
5. ¿Cómo se direcciona y
localiza un sector de la espiral en un CD-ROM o en un
CD-R ?
7. ¿Qué es
el formato lógico HSG/ISO 9660 para organización
interna de un CD-ROM usado en sistemas operativos para almacenar
archivos?
8. ¿En qué
consisten las técnicas magneto-ópticas (MO) y de
cambio de fase usadas en discos
ópticos borrables?
9. ¿Qué son los CD-RW o
CD-E?
10.
¿Qué son los discos y unidades
PD?
11. ¿Qué son
los DVD-ROM, leídos con láser
azul?
12. ¿Qué son
los DVD-RAM?
13.
Bibliografía:
1. ¿Qué son los discos ópticos,
qué tipos existen, y cuáles son sus
usos?
Los discos ópticos presentan una capa interna
protegida, donde se guardan los bits mediante distintas
tecnologías, siendo que en todas ellas dichos bits se leen
merced a un rayo láser incidente (figuras 2.39 y 2.54).
Este, al ser reflejado, permite detectar variaciones
microscópicas de propiedades óptico-reflectivas
ocurridas como consecuencia de la grabación realizada en
la escritura. Un
sistema
óptico con lentes encamina el haz luminoso, y lo enfoca
como un punto en la capa del disco que almacena los datos.
Las tecnologías de grabación (escritura) a
desarrollar son:
- por moldeado durante la fabricación, mediante
un molde de níquel (CD-ROM y
DVD
ROM), - por la acción de un haz láser (CD-R y
CD-RW,
también llamado CD-E), - por la acción de un haz láser en
conjunción con un campo magnético (discos
magneto-ópticos – MO).
Los discos ópticos tienen las siguientes características, confrontadas con los
discos magnéticos:
- Los discos ópticos, además de ser
medios
removibles con capacidad para almacenar masivamente datos en
pequeños espacios -por lo menos diez veces más
que un disco rígido de igual tamaño- son
portables y seguros en la
conservación de los datos (que también permanecen
si se corta la energía
eléctrica). El hecho de ser portables deviene del
hecho de que son removibles de la unidad.
Asimismo, tienen bajo costo por
byte almacenado. Los CD-ROM se
copian (producen) masivamente.
La mayor capacidad de los discos ópticos frente a los
magnéticos se debe al carácter puntual del haz
láser incidente, y a la precisión del enfoque
óptico del láser. Ello permite que en una pista
los bits estén más juntos (mayor densidad
lineal), y que las pistas estén más
próximas (más t.p.i).
Los CD son más seguros en la
conservación de los datos, dado que la capa que los
almacena es inmune a los campos magnéticos caseros, y
está protegida de la corrosión ambiental, manoseo, etc., por
constituir un "sandwich" entre dos capas transparentes de
policarbonato.
Por otra parte, la cabeza móvil -que porta la fuente
láser y la óptica asociada- por estar separada a 1
mm. de la superficie del disco, mmca puede tocarla. Por ello no
produce en ella desgaste por rozamiento, ni existe riesgo de
"aterrizaje", como en el disco rígido con cabezas
flotantes. Tampoco el haz láser que incide sobre la
información puede afectarla, dada su baja
potencia.
Son aplicaciones comunes de los discos ópticos:
las bases de datos en
CD ROM para
bibliotecas de
datos invariables (enciclopedias, distribución de software, manuales de
software, demos,
etc.), y para servidores de
archivos en
una red local,
así como el uso de CD-R (grabables por el usuario) para
copias de resguardo seguras, y las bibliotecas de
imágenes.
Puede estimarse entre 10 y 15 años la permanencia
de la información en un CD ROM
común, dado que la superficie de aluminio que
contiene la información se oxida muy lentamente en ese
lapso, salvo que sea sometida a una protección
anti-óxido especial, o sea de oro. En un CD-R este
tiempo
será mucho mayor, por presentar oro la fina capa
metálica interior.
En informática se usan los siguientes tipos de
discos ópticos, tratados luego en
detalle:
1. Grabado masivamente por el fabricante, para ser
sólo leídos: como lo son el CD ROM (Disco
compacto de sólo lectura) y
el DVD ROM
(Digital Versatil Disc de sólo lectura). En
éstos, a partir de un disco "master" grabado con
luz
láser, se realizan múltiples copias obtenidas por
inyección de material (sin usar láser). Se
obtienen así discos con una fina capa de aluminio
reflectante -entre dos capas transparentes protectoras-. Dicha
capa guarda en una cara unos y ceros como surcos discontinuos
(figura 2.33), que forman una sola pista en espiral. La espiral
es leída con luz
láser por la unidad de CD del usuario.
2. Grabable una sola vez por el usuario: el CD-R (CD
Recordable) antes llamado CD-WO (Write once) En la escritura,
el haz láser sigue una pista en espiral pre-construida
en una capa de pigrnento. Donde el haz incide, su calor
decolora para siempre el punto de incidencia. En la lectura,
esta capa deja pasar el haz láser hacia la capa
reflectora dorada que está más arriba,
reflejándose de forma distinta según que el haz
haya atravesado un punto decolorado o no, detectándose
así unos y ceros. Ambas capas están protegidas
por dos capas transparentes. Una vez escrito, un CD-R puede
leerse como un CD-ROM.
3. Borrables-regrabables: en la tecnología de grabación
magneto-óptico (MO), la luz láser (figura 2.52)
calienta puntos (que serán unos) de una capa
-previamente magnetizada uniformemente- para que pierdan su
magnetismo
original (este corresponde a ceros). Al mismo tiempo, un
campo magnético aplicado produce sólo en dichos
puntos una magnetización contraria a la originaria (para
así grabar unos).
Estas diferencias puntuales de magnetización son
detectadas en la lectura
(figura 2.51) por la luz láser (con menos potencia),
dado que provocan distinta polarización de la luz
láser que reflejan. Otro tipo de CD ópticos
re-escribibles son los CD-E (CD-Erasable), hoy designados CD-RW
(CD ReWritable), con escritura "por cambio de
fase" (de cristalina a amorfa o viceversa) de los puntos de la
capa del disco que guarda los datos. Se trata de una tecnología puramente óptica, sin magnetismo, que
requiere una sola pasada para escribir una porción o la
pista en espiral completa. En la tecnología PD (Phase
change/Dual) que también es por cambio de
fase, la unidad escribe pistas concéntricas. "Dual"
indica que la unidad también puede leer CD con pistas en
espiral (CD-ROM, CD-R, CD-RW).
Si bien los CD-ROM son los CD más usados para
almacenar programas y
datos, las unidades lectoras de CD actuales también
permiten leer información digital de otros tipos de CD
basados en la misma tecnología, con vistas a aplicaciones
en multimedia, como
ser:
CD-DA (Digital Audio): es el conocido CD que escuchamos
en un reproductor de CD para audio. Podemos escuchar la música que contiene
mientras trabajamos con una PC, o bien mezclarla en usos multimedia.
CD-I son las iniciales de disco compacto interactivo. De
tecnología semejante al CD-ROM, puede combinar datos,
audio y video, conforme a
un estándar multimedia propuesto por Phillips y Sony en
1986. Este también define métodos
para codificar y decodificar datos comprimidos, y para
visualizarlos. Almacena 72 minutos de audio digital
estéreo ó 19 horas de conversación de
calidad en
mono, ó 6000 a 1500 imágenes
de video –
según la calidad deseada-
que pueden buscarse interactivamente y mezclarse. Requiere una
plaqueta inteligente especial en el computador. Al
usuario le es factible interactuar mientras el CD es reproducido
-en una unidad lectora compatible- mediante el mouse, o un
dispositivo para disparar sobre un punto infrarrojo emitido
("thumbstick").
CD-ROM XA (de extended Architecture): es un
estándar para sonido e imagen propuesto
por Phillips, Sony y Microsoft,
extensión de las estructuras de
un CD-ROM, que especifica la grabación comprimida de
sonido en un
CD-ROM por el sistema ADPCM,
también empleado en CD-I. Esto hace que un CD-ROM XA sea
un puente entre CD-ROM y CD-I.
Photo CD: el estándar elaborado en 1990 por
Phillips y Eastman Kodak especifica el procedimiento
para convertir fotografías de 35 mm en señales
digitales para ser grabadas en un CD-R en una o varias sesiones.
La grabación se realiza durante el revelado de la
película. Así se guardan cientos de fotos color en un CD-R.
Los Photo CD y Video CD son CD-ROM XA "Bridge Format", que pueden
leerse en lectoras CD-I como en lectoras propias de computadoras.
DVI es un tipo de CD ROM que integra video, televisión, gráficos con
animación, audio multicanal y textos. Necesita plaquetas
adicionales. Merced a una técnica de compresión de
datos, éstos ocupan 120 veces menos lugar, permitiendo ver
una hora de video de 30 imágenes por segundo. A esta
velocidad,
dado que una imagen de TV
ocupa 600 KB, para ver un segundo se requieren 600 KB x 30 = 18
MB. De no existir compresión, los 600 MB de un CD ROM
sólo permiten unos 600/18 » 30 seg. de visión. Los
reproductores de CD actuales pueden leer CD-ROM, CD-R (de varias
sesiones), CD-ROM XA, Photo CD, Video-CD, CD-I, CD-plus, y
CD-DA.
2. ¿Cómo se
fabrican los CD-ROM, y se graban los sectores de la
espiral?
En un CD-ROM la espiral que codifica la
información grabada es moldeada (en máquinas que
fabrican en serie miles de CD iguales) en un molde de
níquel, en el cual a temperatura se
inyecta plástico.
A dicha espiral así moldeada se le deposita una
fina capa de aluminio, y es protegida por una capa transparente
superior. Más en detalle, con el disco visto desde abajo,
la superficie grabada (figura 2.33) presenta una sucesión
de hoyos ("pits") separados por espacios planos ("lands"), que
forman una pista en espiral.
De este modo, un CD-ROM es grabado por el fabricante -en
serie con otros iguales- pudiendo posteriormente ser sólo
leído por el usuario en su unidad lectora de CD-ROM. En
ésta (figura 2.37) un haz láser puntual sigue la
pista en espiral metalizada que contiene la información, y
al ser reflejado por dicha pista permite detectar la longitud de
los "pits" y "lands" que codifican la información
almacenada.
Por presentar un CD-ROM más bytes para
código detector de errores que un disco CD-DA, no es
factible leerlo en una reproductora para CD de audio.
La información digital (bits) en un CD-ROM -al
igual que en un CD DA- se debe grabar en bloques (también
llamados sectores) contiguos de una espiral (figura
2.34).
Un tipo de CD-ROM de 60 min de duración
(también son comunes los de 74 min) presenta la espiral
constituida por 27000 sectores conteniendo cada uno 2048 bytes (2
K) para datos. En total se pueden almacenar:
2048 bytes x 270.000 = 552.960.000 bytes =
552.960.000/1.048.576 MB = 527 MB.
Antes de grabar el disco "master", punto de partida para
fabricar miles de CD ROM, un programa
fracciona cada archivo a grabar
en sectores de 2048 bytes de datos, y les agrega, conforme a los
campos de un sector (figuras 2.45 a 2.48):
- unos y ceros indicadores
de comienzo de bloque, que sirven para sincronismo con la
lectora de CD. - una secuencia de bits que irá en la cabecera
(header) de cada bloque para poder
localizarlo. - los códigos ECC de Reed y Salomon para
detectar/corregir errores que van al final de cada
bloque.
Cada uno de los 270.000 bloques así conformados
se va grabando en un disco "master" de vidrio,
recubierto en una de sus caras por una película que
atacará un haz láser, para formar en ella una
espiral constituida por hoyos ("pits"). Para ello, se inserta el
disco "master" de vidrio en un
dispositivo de grabación, que presenta un cabezal que
porta un haz láser de potencia, el cual se mueve en
línea recta desde el centro al borde del disco. Este
movimiento
combinado con el de giro del disco, da como resultado que sobre
la superficie del disco pueda formarse una espiral que crece
desde el centro. Cada vez que el haz es activado, el calor que
genera la punta microscópica del mismo (menor que una
milésima de mm.) ataca la película que recubre el
vidrio del "master" -en la cual está enfocado- generando
en ella un hoyo que conformará la espiral.
Más en detalle, una computadora
envía al cabezal, uno por uno, los bits a grabar, y en
correspondencia se enciende o apaga el haz láser. Si el
haz se activa, quema un punto microscópico en la pista en
espiral que se va generando (de ancho algo menor que el punto),
creando en ella un hoyo. De esta forma dicha pista se va
conformando por hoyos ("pits"), separados por espacios no
atacados por el haz, los "lands" (figura 2.33).
En un tipo de grabación corriente, un "land"
representa un uno, y el "pit" que le sigue representa uno o
más ceros, según sea la longitud de dicho "pit" (y
el tiempo involucrado).
La espiral presenta unas 16.000 vueltas por pulgada
radial (t.p.i). En el espesor de un cabello entran 50 vueltas. En
total tiene 22.190 vueltas.
Cada archivo queda
grabado en sectores sucesivos (que forman lo que suele
denominarse un "track", aunque la pista en espiral es una sola).
A continuación de un archivo sigue otro en la espiral,
como en una cinta magnética.
Luego de grabar el disco "maestro" se fabrican
réplicas metálicas (resistentes a la
manipulación) de su superficie, por duplicación
electrolítica, resultando otros discos de metal,
"negativos" y "positivos" del "maestro" original. Este
servirá de molde para fabricar en serie los CD de
plástico. Para fabricar cada CD, por inyección de
plástico (policarbonato que se derrite en el molde de
níquel citado), se moldean la espiral -réplica de
la existente en el "master"- junto con la capa inferior que le
sirve de protección, constituyendo una sola pieza
transparente. (figura 2.35 a). Por ser el molde un "positivo" del
master, la espiral moldeada será un "negativo", o sea los
"pits" como "mesetas montañosas" en su superficie
superior. Esta superficie "montañosa" en espiral, debe ser
metalizada (figura 2.35 b) con una fina capa reflectante de
aluminio (u oro); y en otro paso deberá ser cubierta por
una capa protectora de resina acrílica, sobre la cual se
imprimirá la etiqueta, que conforma el "el techo" plano
del CD. Visto el CD de–,de abajo presenta una superficie plana,
sobre la cual está la espiral "montañosa"
recubierto por la capa de metal, y sobre ésta la capa
protectora transparente donde va la etiqueta.
La figura 2.35 c es una ampliación de la 2.35 b,
con un corte en "mesetas". Sirve para mostrar que en una lectura,
el haz láser -que llega al CD por su cara inferior y
atraviesa su capa transparente protectora inferior- si pasa por
una "meseta" es reflejado por la capa de aluminio que la recubre,
siendo así la meseta sensada desde abajo por el haz como
un hoyo ("pit"). Los hoyos vistos desde la cara inferior del CD
son como se indica en la figura 2.33.
La pista en espiral de un CD presenta el mismo
número de bits por centímetro en todos sus tramos
(densidad
lineal constante), para aprovechar mejor el medio de almacenamiento.
Un disquete gira a velocidad
angular constante (CAV: constant angular velocity), como ser,
cada vuelta siempre en 1/5 seg. Si tiene 18 sectores por pista,
en cada vuelta leerá 18 sectores en 1/5 seg, cualquiera
sea la pista. De esta forma, con CAV, se logra fácil que
la cantidad de bits que se leen por segundo (velocidad de
transferencia interna) sea la misma, sin importar qué
pista sea.
Análogamente en un CD-ROM, por tener su pista en
espiral igual densidad en cualquier tramo, a medida que ella es
leída desde el centro al borde, -y por ende también
cuando es grabada- la velocidad de giro debe disminuir
continuamente, para que la cantidad de bits leídos por
segundo sea constante en cualquier tramo. Dado que la espiral
tiene igual cantidad de bits por cm en cualquier tramo, una
vuelta interna guardará menos bits que otra más
externa, por tener menor longitud. Si la espiral se leyera a
velocidad de giro constante, durante una revolución
del disco, una vuelta más interna de la espiral
proporcionaría menos bits que otra más externa. De
ser así, la lectura de una vuelta más interna de la
espiral al ser leída proveería menos bits por
segundo que otra más externa.
Para tener igual densidad en cualquier tramo de la
espiral, en la grabación del "master", el punto luminoso
del haz láser emitido por la cabeza (que se mueve en
línea recta radial desde el centro al borde del plato,
incidiendo siempre perpendicular al disco) genera la espiral a
velocidad lineal constante (constant linear velocity-CLV, en
cm/seg), para que sea constante la cantidad de bits grabados (y
por ende leídos y transferidos) por segundo. Para que esto
ocurra, el disco en el centro gira a una cierta velocidad angular
(vueltas por segundo), que debe disminuirr permanentemente a
medida que la cabeza se aleja rectilineamente hacia el borde del
disco.
Resulta así, que la velocidad de rotación
variable de un CD no se debe a su pista en espiral. Del mismo
modo (figura 2.3), en un disquete, un sector más interno
ocupa menos longitud de pista (mayor densidad de bits por cm) que
otro más externo (menor densidad).
Sintetizando: por girar un CD a velocidad angular
variable, y ser escrito a velocidad linear constante, se escriben
(y leen) la misma cantidad de bits por segundo y por
centímetro, cualquiera sea el sector del mismo Los
sectores grabados, por contener igual cantidad de bytes,
presentarán igual longitud en centímetros, dado que
la cantidad de bits por centímetro es igual en cualquier
porción de la espiral. El número de sectores
escritos en cada vuelta de la espiral es un número
variable, y en general no entero.
3. ¿Cómo se lee un CD en
una unidad lectora de CD-ROM, sea simple, 2x, 4x,… 12x
…?
El hardware de una unidad
lectora de CD (CD drive o CD player) comprende,
básicamente:
- Mecanismos y motor de
bandeja para insertar y retirar el CD. - Electrónica de este periférico (IDE o
SCSI), basada en un microcontrolador, con programas en
EPROM para gobernar la mecánica y la electrónica de la unidad, y para detectar
y corregir errores de lectura. - Motor de giro del disco.
- Motor para movimiento
(radial), hacía delante o atrás, de la base que
soporta el cabezal de lectura. - Diodo láser y óptica
auxiliar. - Optica móvil de enfoque (con motor).
- Subsistema de óptica móvil para
seguimiento de la pista. - Diodos foto-sensores de las
señales ópticas reflejadas en el CD, y
óptica auxiliar.
En un tipo de mecanismo corriente, al apretar un
botón la bandeja de inserción ("caddy") sale hacia
fuera, y el CD es puesto en ella (figura 2.36). Al pulsar
nuevamente dicho botón, la bandeja vuelve hacia
adentro.
En un determinado momento de su trayecto empuja
también hacia adentro a dos "mandíbulas" que se
cierran paulatinamente (como una dentadura), hasta que el agujero
central del disco queda prisionero (a través del hueco la
bandeja) entre dos piezas circulares giratorias imantadas,
vinculadas a esas mandíbulas. Así el disco queda
centrado, y levantado respecto de la bandeja, a fin de no rozarla
al girar.
Más en detalle, al final del recorrido de la
bandeja -cuando se cierran por completo las mandíbulas- la
pieza circular ligada a la mandíbula superior atrae
magnéticamente al cuerpo de la pieza circular de la
mandíbula inferior, vinculada al eje de un motor de giro,
para asegurar que el borde interno del disco quede aprisionado
entre dichas piezas, a fin de que pueda girar correctamente y
esté centrado, como se planteó.
La mandíbula inferior presenta una base que
contiene el motor de giro, el cabezal con el láser, y un
sistema con dos guías (figura 2.37) para desplazar hacia
atrás o adelante (mediante otro motor) el cabezal respecto
a esta base, en dirección radial al disco. Además
existe un bus flexible, para
conectarla a la electrónica IDE.
Para que en todos los puntos grabados en espiral en el
CD pueda incidir el haz láser generado por el cabezal, a
medida que éste avanza radialmente hacia el borde del CD,
se disminuye la velocidad de giro del disco; e inversamente, si
el cabezal avanza hacia el centro, el CD debe girar más
rápido. O sea, que al pasar el haz de un punto al
siguiente de la espiral grabada, la velocidad de giro del disco
ya varió.
El cabezal está a 1 mm. de la superficie del CD,
generando un haz láser infrarrojo no visible, de baja
potencia (pero peligroso para la vista), con un sistema de
autoenfoque automático permanente en la capa de aluminio
del CD, para incidir sobre "pits" y "lands" de la espiral grabada
en esta capa (figuras 2.38 y 2.39).
Si en su movimiento rectilíneo radial a velocidad
constante, el punto luminoso del haz incide en un "land" de la
espiral grabada (cuya velocidad de rotación varía
constantemente), el haz láser es reflejado por el
aluminio, con mayor intensidad que si incide en un
"pit".
Un diodo fotosensor detecta estas diferencias de
intensidad de luz láser reflejada, a fin de recuperar
-bajo la forma de impulsos eléctricos- los ceros y unos
almacenados. Dichos pulsos según su duración
representan distinto número de ceros, mientras que tanto
el comienzo como el final de un pulso representa un
uno.
A un nivel de mayor detalle, en el cabezal existe un
sistema de lentes móviles no dibujado -gobernado por la
electrónica de la unidad lectora de CD, basada en un
microprocesador–
que tiene como función enfocar el haz láser en cada
punto de la espiral grabada, formada en la capa metálica
del CD. Esto es necesario, dado que el CD no es perfectamente
plano, por presentar deformaciones (± 0,6 mm) por el
proceso de
fabricación. También dicha electrónica
comanda otro subsistema para desplazar levemente el haz sobre la
superficie grabada del CD, de modo que en la lectura el haz siga
correctamente sobre la pista en espiral grabada.
Los CD que almacenan 650 MB y 1,3 GB se graban
típicamente según al método PPM
(pulse position modulation) por el cual (figura 2.39) se
representa un uno haciéndole corresponder un "land" de la
espiral, al cual sigue un número de ceros representados
por la longitud del "pit" que sigue a dicho "land". Los bytes a
grabar están recodificados según el código
EFM, a tratar.
En la lectura de un CD (figura 2.38) el diodo
láser del cabezal genera un haz de luz láser
infrarrojo perpendicular a la superficie del disco. En su camino
hacia el disco, atravesará un prisma triangular sin
desviarse, y luego pasará por otra lente (o por una bobina
en la cual circula corriente eléctrica) para que el haz
sea enfocado como un punto en la capa reflectante de aluminio
donde están los pits y lands de la espiral. Al incidir el
haz en la primer capa transparente protectora del CD, tiene un
diámetro de 1 mm (figura 2.40).
Atravesando esta capa los rayos se difractan
(desvían), llegando luego a tener el haz un
diámetro de unas 0,8 milésimas de mm. Cuando incide
sobre la pista en espiral (cuyo ancho es de 0,5
milésimas).
En PPM un "land" es menor que 0,8 milésimas, por
lo que el haz mmca puede incidir totalmente en un "land": parte
de los rayos incidirán en el "land", y parte en el "pit"
vecino (figura 2.39). Dado que un "pit" está a una
profundidad de un cuarto de longitud de onda de un "land", la
porción de rayos que inciden en el "pit", antes de hacerlo
recorren un cuarto de onda más que los que inciden en el
"land". El haz luego de incidir en el aluminio, se
reflejará. Los rayos que incidieron en el "pit"
después de reflejarse harán nuevamente un cuarto de
onda más de camino que aquellos que incidieron en el
"land".
En definitiva, los rayos incidentes en el "pit"
recorrerán media onda (un cuarto más un cuarto)
más que los incidentes en el "land". El efecto resultante,
es que el haz que incide parte en un "land" y parte en un "pit",
al ser reflejado, llega al diodo fotosensor con muy poca
intensidad luminosa (luego de pasar por el objetivo y ser
reflejado por la cara de un cristal que por su inclinación
oficia de espejo), por anularse entre sí los rayos
desfasados en media onda provenientes del "land" y del
"pit".
En cambio, cuando el haz incide en un "pit" (figura
2.39), en cada punto del mismo todos los rayos reflejados
recorrerán la misma distancia, reforzándose
mutuamente (todos en fase) provocando una fuerte intensidad
luminosa al llegar al fotodiodo.
El método de
registro PWL
(Pulse Width Modulation) permite una mayor densidad de almacenamiento.
Los "lands" dejan de servir para codificar un solo uno, pudiendo
codificar uno o más ceros como los "pits". La
transición de "pit" a "land" o la inversa codifica un uno
(figura 2.41); y la distancia entre dos transiciones (dos unos)
representa un cierto número de ceros, según sea su
longitud (y el tiempo transcurrido).
Existen unidades lectoras CD-ROM de tipo 2x, 4x, 6x y
8x,…. de doble, cuádruple, séxtuple,
óctuple, … velocidad que la velocidad simple de una
unidad CD de audio estándar, respectivamente. Las mismas
tienen, en consecuencia, tiempos de acceso y transferencia
respectivamente más rápidos que la velocidad CD
estándar.
Por ejemplo, las del tipo 6x tienen un tiempo de acceso
de unos 120 mseg (para 1/3 de carrera del cabezal entre extremos,
que se duplica si la carrera es entre extremos), y velocidad de
transferencia de 900 Kbytes/seg, casi 1 MByte/seg (contra 600
Kbytes/seg de las 4x, en correspondencia con el 50% de diferencia
de velocidad). Las unidades 6x presentan un buffer de datos de
256 Kbytes.
En la performance de una lectora intervienen la eficiencia del
controlador y e1 tamaño del buffer.
4. ¿Cómo son y se
escriben los CD para grabación por un usuario designados
CD-R?
Un CD-R (CD Recordable, o sea grabable) puede grabarse
por cualquier usuario que tenga conectado en su computadora el
periférico "unidad grabadora de CD" (u optar por pagar
este servicio).
En ésta, un haz láser graba en una espiral
parcialmente pregrabada de fábrica –construida en
una capa de material orgánico- un equivalente de "pits" y
"lands", requeridos para almacenar los datos. Dicha espiral ya
viene formateada por hardware con las direcciones
de los sectores, y sirve de guía para el láser. El
CD-R sobre dicha capa orgánica con la espiral, que es
translúcida, presenta otra capa de oro para reflejar el
haz láser en cada lectura (figura 2.43). Estas dos capas
están protegidas por otras de policarbonato. La capa
orgánica translúcida es de resina o pigmento verde
(generalmente cyanina). Durante el proceso de
grabación (figura 2.42) de los datos, el equivalente de un
"pit" se establece al decolorarse -merced al calor puntual
generado por el haz láser- puntos de la capa
orgánica de pigmento (típicamente verde). 0 sea que
un CD-R simula ópticamente los "pits" y "lands"
físicos de un CD-ROM.
Después de ser grabado, un CD-R se convierte de
hecho en un CD-ROM, que puede leerse en cualquier unidad lectora
de estos discos -de la forma antes descripta- sin posibilidad de
ser regrabado.
Para la lectura de cada punto de la espiral (figura
2.43), el haz láser incidente atraviesa la capa de
policarbonato transparente y la capa de pigmento, hasta llegar a
la capa superior metalizada cm oro, donde se refleja (en ella
está enfocado). El haz reflejado -correspondiente al punto
leído- es sensado por un fotodiodo, pasando ahora primero
por la capa de pigmento y luego por la transparente. Según
que el punto de la capa de pigmento por donde pasó el haz
incidente (y retomó reflejado) esté decolorado
("pit") o no ("land"), el haz reflejado tendrá distinta
intensidad, lo cual será detectado por el fotodiodo.
Puntos sucesivos de igual intensidad luminosa constituirán
un "pit" o un "land", según el valor de la
intensidad detectada.
No es necesario grabar toda la espiral de un CD-R de una
sola vez (sesión). Es factible hacerlo en tantas
"sesiones" como archivos se
quiera incorporar a lo largo del tiempo, hasta completar la
capacidad del CD-R (como ser, 650 MB).
Una vez grabada una porción de la espiral, no
puede borrarse y ser regrabada. Por tal motivo, los CD-R
también se denominan CD-WO (Write Once, o sea de una
escritura). Esta imposibilidad de regrabación ha motivado
su uso en el ámbito contable y financiero, pues garantiza
datos no borrables para auditorias.
Por lo general, los CD-R se reconocen a primera vista, por el
color dorado de
su etiqueta.
Los primeros 4 mm de ancho radial de una espiral de un
CD-R o de un CD-ROM (figura 2.44) constituyen el "lead in", que
antecede a la zona de datos. Esta es de unos 29 mm de ancho, y le
sigue el "lead out" de 1 mm.
En un CD-R, el "lead-in" es precedido por dos
áreas necesarias para alinear el haz láser a fin de
poder grabar
lo que sigue. Cada sesión de grabado de la espiral debe
comenzar con la escritura de un "lead in", y terminar con la de
un "lead out". A su vez, cada "lead in" debe contener la tabla de
contenidos ("Tabla of contents" TOC), índice de los datos
grabados en la sesión correspondiente.
Debe mencionarse que un CD-R grabado en "multisesiones"
debe ser leído por un lector de CD-ROM apropiado (como son
los actuales). De no serlo, sólo leerá la primer
sesión.
Existen grabadoras/lectoras de CD-R de varias
velocidades (x1, x2, x4 … ). A mayor velocidad debe usarse un
láser más potente para producir más calor,
de forma de poder atacar adecuadamente los puntos requeridos en
la espiral. Existen discos vírgenes CD-R para distintas
velocidades, cuyo sustrato disipa distinta cantidad de calor en
correspondencia con su velocidad de grabación.
Los discos WORM ("Write Once Read Many") fueron los
precursores de los CD-R. La tecnología WORM no está
normalizada: ciertos discos sólo pueden insertarse en
unidades de un determinado fabricante. Estos discos son de 5
1/4", y vienen en "cartuchos" semejantes a los de plástico
que protegen los disquetes magnéticos de 3 1/2", para ser
insertados en las unidades correspondientes. Además
existen discos con datos grabados en espiral, y otros con pistas
concéntricas. Según la norma seguida por los
fabricantes, un cartucho de 5 1/4" puede tener ya sea 640 MB
ó 1,2 GB. Discos de 12" usados en redes pueden guardar
más de 6 GB.
Por su capa orgánica los CD-R no deben ser
expuestos a excesivo calor (por ejemplo dentro de un
automóvil o sol directo) o humedad, pues pueden reducir su
vida útil, o ser inutilizables por filtraciones de
cyanina. También se debe cuidar de no escribir con
bolígrafo su etiqueta, dado que la presión ejercida
puede dañarlos. Una unidad CD-R puede leer un CD-ROM, y
viceversa.
5.
¿Cómo se direcciona y localiza un sector de la
espiral en un CD-ROM o en un CD-R ?
Tanto en el CD-ROM grabado en serie por inyección
de material, como en el CD-R grabado en una unidad de
grabación, la lectura de los archivos contenidos es casi
directa (random), sin tener que empezar a buscar desde el
comienzo de la espiral, merced a que los sectores grabados en
ésta son localizables por su dirección.
Cada sector de un CD-ROM o de un CD-R (figura 2.34) se
identifica por una dirección formada por tres
números (figura 2.45). Volviendo al CD antes ejemplificado
de 60 minutos y 270.000 sectores, los dos números primeros
de una dirección son los minutos y segundos horarios
(mm:ss); cada uno puede variar entre 00 y 59 (para indicar 60
números distintos). A partir del comienzo de la espiral
minutos y segundos van progresando en forma absoluta desde 00:00
hasta 59:59 como indicadores de
direcciones de los sucesivos sectores de la misma, y sirven de
primer referencia para localizarlos.
Pero para individualizar cada sector hace falta un
tercer número, dado que, por ejemplo, si en un CD x1 lee
75 sectores por segundo, suponiendo que un sector se lea luego de
transcurridos 23 min. 40 seg. del comienzo (00:00) de la espiral,
los 74 sectores siguientes en su dirección
contendrán los números 23:40, puesto que la menor
medida de tiempo en este sistema es el segundo. A fin de
individualizar cada uno de los 75 sectores con dirección
23:40 se agrega otro número designado número de
sector, que va de 0 a 74. Entonces, ese primer sector que
está justo en 23:40 tendrá por dirección
23:40 0; el siguiente 23:40 1; y así hasta el 23:40 74,
luego del cual seguirá el de dirección 23:41 0,
etc. En esencia, es como dividir el segundo en 75 fracciones,
puesto que en un CD x1 cada sector se lee en 1/75 de
segundo.
Minutos y segundos pueden combinarse para formar 60 x 60
= 3.600 combinaciones de números distintos. Cada una de
ellas puede asociarse a un número de sector, que va entre
0 y 74 (o sea se pueden indicar 75 números distintos). Por
lo tanto, en total pueden formarse 3.600 x 75 = 270.000
combinaciones (direcciones) distintas, una para cada
sector.
Conforme a lo anterior, las direcciones irán
progresando como sigue:
00:00 0 00:00 1 00:00 2 … 00:00 73 00:00 74; y para el
siguiente segundo:
00:01 0 00:01 1 00:01 2 … 00:01 73 00:01 74; y para el
siguiente segundo:
00:02 0 00:00 1 00:02 2 … 00:02 73 00:02 74; y para el
siguiente segundo:
00:59 0 00:59 1 00:59 2 … 00:59 73 00:59 74; y para el
siguiente segundo:
01:00 0 01:00 1 00:00 2 … 01:00 73 01:00 74; y para el
siguiente segundo:
01:01 0 01:01 1 00:01 2 … 01:01 73 01:01 74; y para el
siguiente segundo:
01:02 0 01:02 1 00:02 2 … 01:02 73 01:02 74; y para el
siguiente segundo:
Los últimos 75 sectores, del total de 270.000 de
la espiral de 60 min. de duración deben tener por
dirección:
59:59 0 59:59 1 59:59 2 … 59:59 73 59:59 74
De esta forma, el sector 155 contado desde el comienzo
de la espiral, tendrá por dirección 0:2 4
Suponiendo que se conoce la dirección del sector al que se
ordena acceder (lo cual implica haber consultado un archivo de
subdirectorio, según se verá), el microprocesador
de la unidad lectora dará la orden de traslado
rápido del cabezal (según la recta en que se
desplaza) a la porción de la espiral donde se encuentra
dicho sector, en función de los minutos y segundos de su
dirección. Luego, el haz láser del cabezal
(enfocado en la capa metálica) traspasará la capa
transparente protectora, y leerá direcciones de sectores
de dicha porción, para que se puedan hacer ajustes finos
del posicionamiento
del cabezal (y de la velocidad de rotación), hasta
encontrar el sector al que se quiere acceder.
El tiempo medio de acceso a un sector de la espiral
depende que el CD sea x1, x2, x4, etc. Así
tenemos:
CD x 1 (velocidad simple), lee 75 sectores/seg, (como
los CD-DA) y transfieren 150 KB/seg.
CD x 2 (velocidad doble): tiempo de acceso 400 mseg; lee
150 sectores / seg y transfiere 300 KB / seg.
CD x 4 (cuádruple velocidad): tiempo de acceso
240 mseg; lee 300 sectores/seg y transfiere 600
KB/seg.
CD x 6 (séxtuple velocidad): tiempo de acceso 170
mseg, y transfiere 900 KB/seg.
CD x 8 (óctuple velocidad'): tiempo de acceso 160
mseg, que transfiere 1,2 MB/seg.
Como en los discos rígidos, las mayores
velocidades de giro de los CD x2, x4, etc. implican mayores
velocidades de transferencia, dado que el haz láser lee
más bit/seg., lo cual se traduce en que pasarán
más rápido a la electrónica de la lectora de
CD, y por ende a memoria
principal. En multimedia muchas aplicaciones pueden tener serios
problemas de
continuidad de sonido e imagen si usan CD x1 ó
x2.
La performance de un reproductor de CD-ROM
también depende del tamaño del buffer de su
interfaz (típicamente de 256 KB), y de la calidad de su
electrónica.
Como aparece en las figuras 2.39 y 2.41, el
número de ceros entre dos unos, por limitaciones
técnicas, no puede ser mayor que once, ni menor que tres.
Nos encontramos con una convención y problemática
semejantes a las existentes con la codificación RLL de los
discos rígidos (figura 2.26). Para los CD (de audio o de
datos) se usa la codificación EFM ("Eight to Fourteen
Modulation"). En ésta, grupos de 8 bits
a grabar se convierten a 14 bits, según la tabla de la
izquierda.
De esta forma, 16 ceros seguidos se codifican mediante
28 bits en EFM, entre los cuales existirán 6 unos. Para
poder separar dos bytes consecutivos, de forma que codificados en
EFM no puedan existir menos de dos ceros entre dos unos, se
agregan 3 "merge bits", pasándose así de 14 a 17
bits por cada grupo de
8.
En esencia, la codificación EFM es un caso
particular de la llamada "modulación" PCM (Pulse Code
Modulation) usada para codificar información
digital.
6. ¿Cómo
son en detalle los sectores de un CD y el código
CIRC?
El hecho de que un CD de audio digital (CD-DA o CD
player) pueda ser escuchado en la lectora de CDROM de una PC
implica que la información está estructurado de
manera semejante en ambos. En lo que sigue, se describirá
la trama interna de un CD-DA, para luego mostrar su diferencia
con el CD-ROM.
Los formatos de los sectores de los distintos tipos de
CD tienen un origen común en el CD-DA. En éste un
sector comprende 98 sub-bloques ("frames") iguales (figuras 2.45
y 2.46) codificados en EFM.
Cada "frame" (figura 2.46) comienza con 27 bits para
sincronismo, y luego siguen 17 bits en EFM (1 byte real, con bits
PQRSTUVW) para control.
Después siguen 476 bits en EFM (28 bytes reales)
compuestos por 24 bytes de datos mezclados con 4 bytes
adicionales para el código detector-corrector de errores
designado CIRC (Cross Interleaved Reed-SalomoW Code). Luego
siguen otros 68 bits EFM (4 bytes) de CIRC.
Los bytes de CIRC sirven para asegurar que sólo
puede haber un bit errado no corregido por cada 108
bits = 100 millones de bits (1/108 = 10-8)
en un CD-DA, lo cual no es perceptible escuchando música, pues cada
segundo se leen 75 sectores. Si un sector está malo el
oído no lo nota, dado que el reproductor de CD esta
programado para repetir en este caso el sector
anterior.
En total, un "frame" (cuadro/trama) consta de: 27 + 17 +
476 + 68 = 588 bits (en codificación EFM). De acuerdo con
lo anterior, un sector -por contener 98 "frames" con 24 bytes
reales para datos cada uno- puede almacenar en total: 24 x 98 =
2352 bytes de datos.
Dado que la capacidad máxima de un CD-DA puede
ser 680 MB, ello implica que consta de: 680 x 1.048.576
bytes/2352 bytes = 300.000 sectores (1 MB = 1.048.576
bytes).
Conforme a lo descripto, la espiral de un CD esta
compuesta por una sucesión continua de "frames", siendo
que cada 98 "frames" consecutivos forman un sector (bloque). No
existe separación alguna entre un sector y el siguiente.
Se utiliza la zona de datos del primer "frame" de cada sector
para guardar información que identifica dicho sector.
(mm:ss y número de sector).
Otra forma de representar un sector sin detallar
"frames" (figura 2.47) concentra en un solo campo los 2352 bytes
de datos del mismo antes calculados, que en realidad están
repartidos en sus 98 "frames" (figura 2.46). También los 4
bytes de CRC, que aparecen una vez junto con los datos y otra vez
solos en cada uno de los 98 "frames", se concentran en dos campos
contiguos, cada uno agrupando un total de 4 x 98 = 392 bytes Los
8 bits PQRSTUVW del byte de control de cada
"frame" (figura 2.46), llamado "subcódigo", en un sector
totalizarán: 1 x 98 = 98 bytes de control (figura 2.47).
Los bits de sincronismo de cada "frame" no aparecen. De los 2352
bytes se usan 16 para sincronismo e identificación del
sector, quedando 2336 bytes para datos.
Todos los bits P de los 98 "frames" de un sector,
constituyen el "subcanal P" del mismo (que se conoce totalmente
cuando se termina de leer dicho sector), el cual indica si el
sector contiene música o datos para computación. Los datos de un subcanal P a
lo largo de un CD (compuesto por los bits P de todos los
sectores) pueden Regar a 4 MB. Del mismo modo, los 98 bits
designados Q conforman el "subcanal Q".
En los subcanales o subcódigos P y Q, que entre
otras cosas indican si la grabación es de 2 ó 4
canales, el tipo de pre-énfasis empleado en la
grabación musical, si se trata de sectores en blanco entre
temas musicales, el número de tema grabado, y la
codificación que sirve para visualizar en el reproductor
tiempos en mm:ss.
Con los 6 bits R a W de los 98 sub-bloques se forma un
subcanal auxiliar menos utilizado, con información para
sincronización, identificación y otros
fines.
Usando los subcanales es factible almacenar,
además de la música, imágenes fijas (unas
700) o móviles.
Cada sector consta de 588 x 98 = 57.624 bits.
Multiplicando este valor por los
300.000 sectores de un CD, resulta un total cercano a los 20 mil
millones de bits, de los cuales sólo 680 MB son para datos
del usuario Este tipo de CD puede guardar 650 MB en un disco de
74 minutos, y 553 MB en discos de 60 minutos.
Hasta acá el CD-DA. Los CD-ROM y los CD-R
presentan la misma Estructura de
98 "frames" por sector.
Pero el error de un bit cada 108, admisible
en un CD-DA, no puede ocurrir en un CD-ROM usado en computación, en especial si contiene
archivos de programas. En un CD-ROM conservar la integridad de
los datos guardados es más crítica que en un disco
rígido, dado que si en este último se tiene
sectores malos, esto puede subsanarse copiándolos en otros
sectores, lo cual no es factible de realizar con los datos de un
CD-ROM.
Por ello, en el formato "modo 1" (figura 2.48) de un
CD-ROM, que es el más universal, además del
código CIRC existente en cada "frame" (igual al visto en
un CD-DA), se usan 288 bytes de los 2352 bytes para datos, a fin
de realizar una corrección adicional sobre todo el sector.
Esta se lleva a cabo luego que se hicieron las correcciones CIRC
en cada "frame" del sector, mediante sus dos CIRC, como se
describió en el pie de página anterior. Estos 288
bytes constan de 4 bytes de código detector errores (EDC),
más 8 bytes cm ceros, más 276 bytes de
código corrector. De este modo, sólo es factible un
bit errado por cada 10.000.000.000.000 de bits (1/1013
= 10-13), o más. Un lector de CD-DA no puede
interpretar estos 288 bytes (escritos con los datos), por lo que
no puede leer un CD-ROM. A diferencia, un lector de CD-ROM puede
leer un CD-DA.
En un CD-ROM, en un CD-R, como en un CD-DA, de los 2352
bytes de datos del sector, deben destinarse al comienzo (figura
2.45 y 2.48), en la zona de datos del primer frame, 12 bytes para
sincronismo del sector (que existen además de los bits de
sincronismo de cada "frame" del mismo), y 4 bytes para el
encabezamiento ("header"). Este contiene en 3 bytes los valores de
minutos (mm), segundos (ss), y números (de 0 a 74)
descriptos, que identifican cada sector. El cuarto byte indica el
"modo".
Por lo tanto, cada sector de un CD-ROM "modo 1" guarda
en neto: 2352 – 12 – 4 – 288 = 2048 bytes reales (2 K) de
datos.
Puesto que un sector de un CD-DA o CD-ROM, o CD-R
presenta 98 "frames" de 24 bytes de datos, y se leen 75
sectores/seg (CD-ROM x1), para esta velocidad de lectura
corresponde una velocidad de transferencia de (98 x 24)
Bytes/sector x 75 sectores/seg = 176.400 Bytes/seg. (que se
duplica, triplica, etc., para 2x, 3x … ).
De uso menos frecuente en computación es el
formato "modo 2" (figura 2.47) de 2336 bytes para datos por
sector, para aprovechar casi 15% más el espacio que en el
modo 1, dado que, (como en los CD-DA) no se emplean 288 bytes
adicionales para una ulterior corrección. Este formato es
eficaz en aplicaciones donde el error de 1 bit en 108
citado no es crítico, como ser en el ahnacenanúento
de imágenes.
También existe el formato CD-ROM X-A (de extended
Architecture), para multimedia, que agrega un campo de 8 bytes
("sub-header") al formato de la figura 2.47, quedando libres 2324
bytes para datos. Permite reunir secuencias de video
sincronizadas con texto y sonido
comprimidos.
Los reproductores de CD actuales pueden leer CD-ROM,
CD-R (de varias sesiones), CD-ROM X-A, Photo CD, Video-CD, CD-I,
CD-plus, y CD-DA.
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