BÀI tập lớn môn học KIẾN TRÚC máy TÍNH đề tài nghiên cứu tìm hiểu thiết bị lưu trữ dữ liệu theo nguyên lý quang học

4 .5 Đĩa laser...18.6 Một số ứng dụng công nghệ cao của thiết bị lưu trữ theo nguyên lý quang học...19 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với tư cách là ngành công nghệ kế thừa và phát triển một cách

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Thông Tin

- -

 BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Lớp: KTPM3-K9 Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thanh Hải Nhóm 1: Nguyễn Thị Hoài Thu

Nguyễn Thị Hương Bùi Duy Khánh Bùi Hoàng Sơn

Đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu thiết bị lưu trữ dữ liệu

theo nguyên lý quang học

Hà Nội, 2015

Mục Lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ LIỆU THEO NGUYÊN LÝ

QUANG HỌC 4

1 1 1 Lịch sử phát triển 4

.2 Định nghĩa thiết bị lưu trữ, quang học và các loại thiết lưu trữ dữ liệu cơ bản 4

1 1 2.1 Các khái niệm cơ bản 4

.2.2 Ưu và Nhược điểm 5

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ ĐĨA QUANG 6

2 2 2 1 Cấu tạo đĩa quang 6

.2 Phân loại và thông số kỹ thuật đĩa quang 7

.3 Nguyên lí hoạt động 8

2 2 3.1 3.2 Đọc dữ liệu 8

Ghi dữ liệu 10

2.4 Ghi Đĩa 11

2 2 4.1 4.2 Sản xuất công nghiệp 12

Ghi đĩa trên các máy tính 12

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU VỀ Ổ ĐĨA QUANG 13

3 3 3 1 Khái niệm 13

.2 Các thông số và phân loại 14

.3 Nguyên lý đọc ghi dữ liệu 14

CHƯƠNG 4 TÌM HIỂU MỘT SỐ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ LIỆU BẰNG NGUYÊN LÝ QUANG HỌC 14

4 4 4 4 .1 CD 14

.2 DVD 16

.3 Đĩa Blu-ray 17

.4 HD-DVD 18

4

.5 Đĩa laser 18.6 Một số ứng dụng công nghệ cao của thiết bị lưu trữ theo nguyên lý quang học 19

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với tư cách là ngành công nghệ kế thừa và phát triển một cách tối ưu hóa tất

cả các lĩnh vực khác, công nghệ thông tin dần đóng góp một cách thiết thực vào sự phát triểncủa nhân loại Để có sự phát triển vượt bậc của khoa học như hiện nay, con người luôn tìm tòi,sáng tạo và ứng dụng tri thức vào cuộc sống Sự ra đời của các thiết bị lưu trữ dữ liệu đã tạocho con người một kho tàng tri thức với rất nhiều kiến trúc phân tầng đáp ứng nhu cầu học tập,nghiên cứu và phát triển khoa học kĩ thuật tương lai

Các thiết bị lưu trữ ngày càng được nâng cấp một cách vượt bậc về cả chất lượng lẫndung lượng Thiết bị lưu trữ được phát triển dựa trên 2 nguyên lí cơ bản là từ tính và quanghọc Mỗi loại đều có những ưu nhược điểm riêng bổ xung cho nhau Các thiết bị lưu trữnguyên lí từ tính có dung lượng ghi cao, các thiết bị lưu trữ nguyên lí quang học lại thiên vềtính bảo mật Tin rằng với tốc độ phát triển như hiện nay của công nghệ thông tin, tương laicon người sẽ không phụ thuộc vào tài nguyên thiên nhiên mà bằng chính tri thức, công nghệtrong tầm tay

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ LIỆU THEO NGUYÊN LÝ QUANG HỌC

1.1 Lịch sử phát triển

Được phát triển vào khoảng cuối thập niên 1960, đĩa quang đầu tiên được phát minhbởi James Russell

• Năm 1978 hai hãng Philips và Sony bắt tay cùng nghiên cứu phát triển loại đĩa

CD-DA (digital audio) dùng cho việc ghi âm thanh

• Đến năm 1980 thì chuẩn đĩa CD-DA ra đời, chúng được chuẩn hoá với định dạngSách đỏ (Red Book)

• Năm 1983 Sony và Philips tiếp tục hợp tác để đưa ra các chuẩn đĩa chung Chuẩn địnhdạng Sách vàng để phù hợp hơn với dữ liệu trên máy tính CD ROM

• Từ đó về sau thì các định dạng đĩa CD được phát triển theo theo các chuẩn sáchXanh, Cam, Trắng

1

1

.2 Định nghĩa thiết bị lưu trữ, quang học và các loại thiết lưu trữ dữ liệu cơ bản .2.1 Các khái niệm cơ bản.

Máy tính có các thiết bị ngoại vi có khả năng nhận và xuất dữ liệu - đó là các ổ đĩa máy

tính, nơi ghi nhớ các thông tin dữ liệu Những thiết bị này gọi là các thiết bị lưu trữ thứ cấp

-secondary starage (thiết bị lưu trữ sơ cấp - primary storage là bộ nhớ máy tính.)

- Khác với thiết bị lưu trữ sơ cấp khi ngắt điện là mọi thứ trong RAM đều không còn,loại thứ cấp này có thể lưu dữ kiện ngay cả khi không có nguồn nuôi, xét về lý thuyết, dữ liệutrên loại này có thể tồn tại vĩnh viễn và có thể được đọc, ghi, sửa hay xóa lúc này hay lúc khác

Có hai phương pháp lưu dữ kiện tạo nên hai họ khác nhau, là dựa trên từ tính, và dựa trên khảnăng ứng dụng quang học

- Về cơ bản lưu trữ dữ liệu dạng đĩa trên máy tính được chia thành hai loại: ghi nhớ dữ

liệu theo nguyên lý sử dụng từ tính và quang học .

+Lưu trữ từ tính được biểu hiện bằng các đĩa mềm và đĩa cứng tiêu chuẩn được cài đặttrong hệ thống máy tính nhất, nơi dữ liệu được ghi từ tính trên đĩa quay.

+ Lưu trữ đĩa quang tương tự như lưu trữ đĩa từ trong hoạt động cơ bản, nhưng nó đọc

và ghi chép bằng cách sử dụng ánh sáng (quang học) thay vì từ tính.- Công nghệ lưu trữ quanghọc cho phép dữ liệu được ghi vào một lần nhưng đọc nhiều lần, điều này làm cho nó một cáchrất an toàn để lưu trữ thông tin quan trọng

- Lưu trữ quang học, trên đĩa quang như đĩa compact (CD) và videodiscs kỹ thuật số(DVD), thông tin được lưu trữ điện tử lưu trữ trung bình sử dụng ít năng lượng chùm tialaser để ghi lại và lấy kỹ thuật số (nhị phân ) dữ liệu Trong công nghệ lưu trữ quang học, mộtchùm tia laser mã hóa dữ liệu kỹ thuật số vào một laser quang học hay,đĩa ở dạng hố nhỏ bố trítrong các vòng tròn đồng tâm trên bề mặt đĩa

- Một máy quét laser năng lượng thấp được sử dụng để "đọc" những hố, với những biếnđổi trong cường độ ánh sáng phản xạ từ các hố được chuyển đổi thành tín hiệu điện Côngnghệ này được sử dụng trong các đĩa nhỏ gọn, có bản ghi âm; trong đĩa CD-ROM (đĩa nhỏ gọn

bộ nhớ chỉ đọc), mà có thể lưu trữ văn bản

1.2.2 Ưu và Nhược điểm.

Với nguyên lý từ tính, chúng gồm các loại đĩa cứng, đĩa mềm.Với nguyên lý quang học,đại diện cho chúng là các đĩa CD, DVD và với các chuẩn mới ngày nay Lưu trữ dựa trên từtính rất thông dụng và xuất hiện trên hầu hết các máy tính với đặc điểm là dung lượng lớn, việcghi dữ liệu thuận tiện Với các đĩa quang học việc ghi dữ liệu khó khăn hơn, phải thực hiệntrên các đĩa quang riêng và ổ đĩa quang có tính năng ghi dữ liệu

Trước đây đĩa mềm thường được sử dụng trong việc lưu trữ dữ liệu di động Đặc biệtvới các máy thế hệ rất cũ thường dùng đĩa mềm để chứa hệ điều hành , dùng để khởi động mộtphiên làm việc trên nền DOS

Ngày nay đĩa mềm thường ít được sử dụng bởi chúng có nhược điểm: kích thước lớn,dung lượng lưu trữ thấp và dễ bị hư hỏng theo thời gian bởi các yếu tố môi trường Các loại thẻnhớ giao tiếp qua cổng USB và các thiết bị lưu trữ bằng quang học (đĩa CD, DVD ) đang thaythế cho đĩa mềm Chúng khắc phục được các nhược điểm của đĩa mềm và đặc biệt là có thể códung lượng rất lớn (đến năm 2007 đã xuất hiện các thẻ nhớ dung lượng hơn 10 GB, đĩa DVDlên đến 17 GB)

Tuy nhiên đĩa mềm vẫn cần thiết trong một số trường hợp cần sửa chữa các máy tính đời cũ: một số thao tác nâng cấp BIOS bắt buộc vẫn phải dùng đến nó.

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ ĐĨA QUANG.

2.1 Cấu tạo đĩa quang

Đĩa quang là dạng thiết bị lưu trữ dữ liệu tháo lắp sửdụng các tính chất vật lý và năng lượng của ánh sáng cho quátrình ghi và đọc dữ liệu Trái với một dạng lưu trữ dữ liệu kháccùng loại là đĩa từ thì đĩa quang tuy giới hạn hơn về dung lượnglưu trữ nhưng lại có nhiều ưu điểm về kích thước và giá thànhsản xuất, do đó chúng được sử dụng rộng rãi trong thời gianhiện nay

Đĩa quang là thuật ngữ dùng để chỉ chung các loại đĩa mà dữ liệu được ghi/đọc bằng tiaánh sáng hội tụ Tuỳ thuộc vào từng loại đĩa quang (CD,DVD ) mà chúng có các khả năngchứa dữ liệu (CD,DVD ) mà chúng có các khả năng chứa dữ liệu với dung lượng khác nhau

Một cách chung nhất, đĩa quang có cấu tạo gồm:

Lớp polycarbonat trong suốt (phía bề mặt làm việc) Đối với loại đĩa quang ghi

dữ liệu ở cả hai mặt, các lớp được bố trí đối xứng nhau để đảm bảo ghi dữ liệu ở cả hai mặtđĩa

Đĩa quang, theo đúng như tên gọi của nó, đã sử dụng tính chất quang học để lưu trữ dữ liệu.Khi làm việc với ánh sáng thì chúng không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đầu đọc dữ liệu và bềmặt đĩa, do đó đĩa quang thường là bền nếu như chúng không bị tác động bởi yếu tố môitrường

Có một nguyên lý về ánh sáng như sau: nếu như

chúng chiếu vào bề mặt của một vật nào đó, ánh

sáng có thể bị hấp thụ hoặc phản xạ lại (một

phần hoặc toàn phần đối với cả hai trường hợp)

Nếu như có một vật chuyển động thay đổi trạng

thái hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng qua một

nguồn phát ánh sáng cố định thì chúng ta sẽ đọc

được trạng thái phản xạ lại ánh sáng hoặc

không phản xạ lại ánh sáng theo đúng tình trạng của vật chuyển động đó Đĩa quang vận dụngtính chất phản xạ ánh sáng nêu trên để chứa các dữ liệu tại bề mặt đĩa thông qua sự phảnxạ/không phản xạ

 Trên đĩa quang có các rãnh theo hình xoắn chôn ốc từ trong ra ngoài theo các track Trên cáctrack này là các rãnh (land) và các pit mà chúng có thể gây phản xạ lại theo hướng vuông gócvới chùm tia tới hoặc phản xạ ít theo phương vuông góc với chùm tia này Do hệ thống chiếutia là duy nhất trong một hệ quang học nên các loại ổ đĩa quang (hoặc máy phát đĩa quang) chỉquan tâm đến hướng vuông góc đối với chùm tia chiếu tới, đây là những tính chất quan trọngtrong sự hoạt động của các đĩa quang

2.2 Phân loại và thông số kỹ thuật đĩa quang.

- Đĩa CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW)

+Kích thước đường kính ngoài:120mm

+Dung lượng: Thông dụng là đĩa 129mm có dung lượng

605MiB (682MB) hoặc 700MiB (737MB) – 1MiB = 220byte

- Đĩa DVD (DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVD+R, DVD-R)

+Kích thước đường kính ngoài: 120mm

+Dung lượng: Cấu trúc pit và land trên đĩa DVD nhỏ hơn CD và có khả năng ghi trênnhiều lớp khác nhau.

(ảnh chụp phóng đại bề mặt ghi dữ liệu của một đĩa quang.)Trên đĩa quang có các rãnh theo hình xoắn chôn ốc từ trong ra ngoài theo các track.Trên các track này là các rãnh (land) và các pit mà chúng có thể gây phản xạ lại theo hướngvuông góc với chùm tia tới hoặc phản xạ ít theo phương vuông góc với chùm tia này Do hệthống chiếu tia là duy nhất trong một hệ quang học nên các loại ổ đĩa quang (hoặc máy phátđĩa quang) chỉ quan tâm đến hướng vuông góc đối với chùm tia chiếu tới, đây là những tínhchất quan trọng trong sự hoạt động của các đĩa quang.

Khi đọc dữ liệu trên đĩa quang, một tia tia laser (có công suất thấp) chiếu vào các điểmsáng và tối của chúng để nhận lại ánh sáng phản xạ Ánh sáng phản xạ này sẽ quay ngược lạinguồn phát ra chúng và bị đổi hướng bởi một hệ lăng kính đến phần đầu đọc để cho kết quảcác tín hiệu nhị phân.Tia laser chiếu lên bề mặt đĩa tại các Land sẽ phản xạ lại vào cảm biếntrong khi tại các Pit thì không Như vậy thì hệ thống thiết bị đọc đĩa quang sẽ là một hệ quanghọc phức tạp nhằm tạo ra tia laser chiếu vào bề mặt đĩa và thu lại tia phản xạ theo phương màtia laser chiếu đến

Tại thiết bị cảm nhận tia laser phản xạ lại, một điốt cảm quang sẽ tiếp nhận những ánhsáng rời rạc để biến chúng thành tín hiệu nhị phân, tức là tín hiệu có dạng 1000101001, chúngchứa âm thanh/video hoặc dữ liệu phần mềm máy tính

Khi đọc dữ liệu chỉ cần tia laser có công suất nhỏ nhất, đủ để chiếu lên bề mặt đĩa vàphân loại.

(Đọc dữ liệu)

2.3.2 Ghi dữ liệu

Phương pháp điều chế dữ liệu (mã hóa):

Dữ liệu trước khi ghi sẽ được mã hóa bằng phương pháp EMF (eight to fourteen-

modulation) nhằm tăng tối đa khoảng cách giữa các bit 1 bằng cách sử dụng bảng tìm kiếm(lookup table)

+ Dữ liệu sau khi đã mã hóa được chuyển thành tín hiệu laser chiếu lên bề mặt tạo thànhcác Pit Mỗi loại tia laser sẽ tạo nên các Pit có độ lớn khác nhau

+

+

Ghi dạng Disc-at-Once(DAO): Dữ liệu được sắp xếp và ghi một lần

Ghi dạng Track-at-Once(TAO): Dữ liệu được sắp xếp và ghi lên đĩa thành từng track(1 Track >= 300 Block, 1 Block = 64KB)

+

-Ghi dạng Session-at-Once(SAO): Là phương pháp kết hợp giữa DAO và TAO

Phân loại đĩa ghi: đĩa quang được chia thành nhiều loại khác nhau Về dạng thức dữliệu tồn tại, đĩa quang thường được chia thành các loại sau:

+ Đĩa đã ghi dữ liệu: Loại đĩa ca nhạc, phim, phần mềm ngay từ khi bán ra thị trường.Loại này người sử dụng không thể ghi thêm dữ liệu vào được (trừ một số trường hợp đặc biệtnhư đĩa mua về được ghi chưa hết dung lượng theo cách ghi cho phép ghi tiếp hay đĩa mua về

là dạng RW) Do là đĩa đã ghi dữ liệu nên giá cả của đĩa này sẽ cao hơn so với đĩa chưa ghi dữliệu

+ Đĩa chưa ghi dữ liệu

۰Loại ghi một lần: Đĩa được sản xuất chưa được ghi dữ liệu nhưng chỉ cho phépngười sử dụng ghi dữ liệu lần đầu tiên Tuy nhiên người sử dụng có thể có cách thức ghi dữliệu sao cho một đĩa có thể ghi nhiều lần liên tiếp nhau cho đến khi đĩa được ghi hết chỗ trống.Loại đĩa này thường có ký hiệu “R”, hầu hết các đĩa bán ngoài thịtrường được ghi từ loại đĩanày mà ra, người ta còn gọi loại đĩa này là đĩa trắng và chữ R là viết tắt của Recordable.

۰ Loại ghi nhiều lần: Đĩa được sản xuất chưa ghi dữ liệu nhưng cho phép người sử dụng

có thể ghi dữ liệu và sau đó có thể xoá đi để ghi lại dữ liệu khác (hoàn toàn khác nội dungtrước đó) Loại này thường có ký hiệu “RW”-Read-Write Để ghi và xóa được loại đĩa này,chúng ta cần dùng một phần mềm chuyên dụng như Nero Do có khả năng lưu trữ như mộtUSB- nghĩa là ghi-xóa-ghi nên giá của loại đĩa này rất mắc, cao khoảng 4 lần so với loại chỉghi một lần

- Với dạng thức: Số mặt chứa dữ liệu, đĩa quang có hai dạng sau:

Đĩa chỉ có một mặt chứa dữ liệu: Là loại đĩa thông dụng nhất: Dữ liệu chỉchứa trên một mặt của đĩa, mặt còn lại thường là nhãn đĩa và các lớp bảo vệ

Đĩa có cả hai mặt chứa dữ liệu(kiểu tương tự các đĩa nhựa của các máy hát

+

+

cổ điển):cả hai mặt đĩa đều được ghi dữ liệu do đó loại đĩa này thường không cólớp nhãn đĩahoặc các lớp bảo vệ phần dữ liệu Người sử dụng có thể lật mặt đĩa để đọc dữ liệu tại mặt cònlại Dung lượng đĩa hai mặt lớn nhất (tất nhiên gấp đôi đĩa một mặt)

Khi ghi dữ liệu, ổ đĩa quang phát ra một tia lazer (khác với tia để đọc dữ liệu) vào bềmặt đĩa Tuỳ theo loại đĩa quang là ghi một lần hoặc nhiều lần mà cơ chế làm việc ở đây khácnhau:

+ Với loại đĩa quang ghi một lần: Lớp chứa dữ liệu là lớp màu polymer hữu cơ: Tia lade

sẽ đốt lớp màu này tại từng điểm khác nhau (theo yêu cầu ghi dữ liệu) để tạo thành các điểmtối, các điểm còn lại không được đốt là các điểm sáng

+ Với loại đĩa quang ghi lại nhiều lần: Lớp chứa dữ liệu là lớp kim loại có thể chuyểnbiến trạng thái: trạng thái tinh thể (phản xạ với ánh sáng) và trạng thái vô định hình (khôngphản xạ ánh sáng chiếu vào) Khi ghi dữ liệu vào loại đĩa này, ổ đĩa quang cần thực hiện haicông đoạn: dùng tia lade để xoá dữ liệu và ghi dữ liệu mới

2.4 Ghi Đĩa.

2.4.1 Sản xuất công nghiệp

Đĩa được ghi theo một quy trình sản xuất từng lớp đĩa riêng biệt theo dạng tạo khuônmẫu, do đó các đĩa ghi công nghiệp thường bền hơn Để phân biệt, sự dễ nhận thấy nhất là cácđĩa quang ghi trong công nghiệp có bề mặt làm việc màu ánh kim (trắng)

Các đĩa quang ghi công nghiệp thường được thực hiện với số lượng lớn, khi đó chúng

có giá thành thấp hơn so với các đĩa được ghi do người sử dụng (so sánh cùng chất lượng đĩa)

Do đĩa quang thì có thể tạm phân thành hai loại: Đĩa được sảnxuất hàng loạt với nộidung cố định, không thể thay đổi được từ khi sản xuất (thường gọi là ROM: tức là chỉ đọc) vàloại đĩa có thể dùng cho người dùng chứa dữ liệu hoặc âm thanh/video trên nó (thường là Rhoặc RW tức là ghi được một lần hoặc ghi lại được nhiều lần) Hai loại này có cơ chế ghi đĩakhác nhau: sản xuất công nghiệp và ghi bằng các ổ đĩa quang có chức năng ghi

2.4.2 Ghi đĩa trên các máy tính

Ghi đĩa ở người sử dụng: Ngoài các thiết bị ghi dữ liệu chuyên dụng, người sử dụng-

chỉ có thể ghi dữ liệu vào đĩa quang bởi các ổ đĩa quang có chức năng ghi được sản xuất dướidạng phôi trắng (không chứa dữ liệu, có khả năng ghi)

- Bề mặt của các loại đĩa quang được cấu trúc thành các vòng tròn đồng tâm gọi làtrack với khoảng cách mỗi track là 1.6 mi-crô-mét Thực tế dữ liệu được lưu trữ là các hốc(pit) rất nhỏ, trên bề mặt lớp bạc bao phủ đĩa Hốc này gồm các vùng phản chiếu và các vùngkhông phản chiếu Các vùng phản chiếu biểu thị cho giá trị 1 và các vùng không phản chiếubiểu thị cho giá trị 0 của hệ nhị phân Khi đọc trên bề mặt đĩa, tia laser của mắt đọc trên các ổđĩa CD-ROM chỉ nhận biết được các vùng phản chiếu và không phản chiếu trên đĩa rồi cho racác tín hiệu 1–0 tương ứng

- Cũng như các loại đĩa CD-R (chính là định dạng CD-ROM sau khi đã được ghi dữliệu), đĩa CD-RW cũng được cấu tạo bởi chất dẻo tổng hợp làm nền, một lớp mỏng kim loại cótính phản chiếu, lớp bảo vệ bên ngoài Phân lớp chính lưu trữ dữ liệu được làm từ chất hữu cơtrùng hợp (polymer) Đối với đĩa CD-R, lớp chất này chỉ thay đổi một lần rồi trở nên bền vững.Ngược lại, đối với đĩa CD-RW, phân lớp lưu trữ được thay thế bằng một loại hợp kim có khảnăng trong suốt khi bị đốt nóng với một nhiệt độ thích hợp và mờ đi khi bị đốt nóng ở nhiệt độcao hơn Các vùng trong suốt sẽ cho phép lớp kim loại trên đĩa phản chiếu tốt hơn trong khicác vùng mờ sẽ không phản chiếu tia laser do mắt đọc phát ra Nhờ cấu trúc linh hoạt có thể