Unidad De Disco Óptico
1. Laser y óptica
La parte más importante de una unidad de disco óptico es el camino óptico, ubicado en
un pickup head (PUH), que consiste habitualmente de un láser semiconductor, un lente que guía el
haz de láser, y fotodiodos que detectan la
luz reflejada en la superficie del disco.
En los inicios, se usaban los lásers de CD con una longitud de onda de
780 nm, estando en el rango infrarrojo. Para
los DVD, la longitud de onda fue reducida a 650 nm (color rojo), y la longitud
de onda para el Blu-ray fue reducida a 405 nm (color violeta).
Se usan dos servomecanismos principales, el
primero para mantener una distancia correcta entre el lente y el disco, y para
asegurar que el haz de laser es enfocado en un punto de láser pequeño en el
disco. El segundo servo mueve un cabezal a lo largo del radio del disco,
manteniendo el haz sobre una estría, un camino de datos en espiral continúo.
Debido a que la profundidad de los surcos es aproximadamente la cuarta o
sexta parte de la longitud de onda del láser, la fase del haz reflejado cambia
en relación al haz entrante de lectura, causando una interferencia destructiva
mutua y reduciendo la intensidad del haz reflejado. Esto es detectado por
fotodiodos que emiten señales eléctricas.
Para medios regrabables como CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, o BD-RE, el láser es
usado para derretir una aleación de metal cristalina en la capa de grabación
del disco. Dependiendo de la cantidad de energía aplicada, la sustancia puede
volver a adoptar su forma cristalina original o quedar en una forma amorfa, permitiendo que sean
creadas marcas de reflexividad variante.
Los medios de doble cara pueden ser usados, pero no son de fácil acceso con
una unidad estándar, ya que deben ser volteados físicamente para acceder a los
datos en la otra cara.
Los medios de doble capa (DL, double layer) tienen dos capas de datos
independientes separadas por una capa semireflexiva. Ambas capas son accesibles
por el mismo lado, pero necesitan que la óptica cambie el foco del láser.
La primera estría en espiral habitualmente comienza sobre el borde interior
y se extiende hacia fuera, mientras que la segunda estría comienza en el borde
exterior y se extiende hacia dentro.
2. Mecanismo de Rotación
El mecanismo de rotación de las unidades ópticas difiere significativamente
del de los discos duros, en que el segundo
mantiene una velocidad angular constante (VAC), en otras palabras un número
constante de revoluciones por minuto (RPM). Con la
VAC, usualmente en la zona exterior del disco se consigue un mejor throughput (rendimiento) en
comparación con la zona interior.
Por otra parte, las unidades ópticas fueron desarrolladas con la idea de
alcanzar un throughput constante, inicialmente en las unidades de CD
igual a 150 KiB/s. Era una
característica importante para hacer streaming de datos de audio, que
siempre tiende a necesitar una tasa de bits (bit rate) constante.
Pero para asegurar que no se desperdicia la capacidad del disco, un cabezal
también tendría que transferir datos a una tasa lineal máxima todo el tiempo,
sin detenerse en el borde exterior del disco.
Las unidades de CD más recientes mantenían el paradigma VLC, pero
evolucionaron para alcanzar velocidades de rotación mayores, popularmente
descritas en múltiplos de una velocidad base (150 KiB/s). Como resultado, una
unidad de 4X, por ejemplo, rotaría a 800-2000 RPM, transfiriendo
datos a 600 KiB/s continuamente, lo que es igual a 4 x 150 KiB/s.
La velocidad de base del DVD, o "velocidad 1x", es de 1,385 MB/s, igual a 1,32 MiB/s, aproximadamente 9
veces más rápido que la velocidad base del CD. La velocidad base de una unidad
de Blu-ray es de 6,74 MB/s, igual a 6,43 MiB/s.
Existen límites mecánicos respecto a cuán rápido puede girar un disco.
Después de una cierta de rotación, cerca de 10.000 RPM, el estrés centrífugo
puede causar que el plástico del disco se arrastre y posiblemente
se destruya. En el borde exterior de un CD, 10.000 RPM equivalen aproximadamente
a una velocidad de 52x, pero en el borde interior solo a 20x. Algunas unidades
disminuyen aún más su velocidad de lectura máxima a cerca de 40x argumentando
que los discos vírgenes no tendrán peligro de daños estructurales, pero los
discos insertados para leer pueden sí tenerlo. Sin las velocidades de rotación
más altas, un mayor rendimiento de lectura puede conseguirse leyendo
simultáneamente más de un punto en una estría de datos, pero
las unidades con tales mecanismos son más caras, menos compatibles, y muy
raras.
Debido a que mantener una tasa de transferencia constante para el disco
entero no es muy importante en la mayoría de los usos contemporáneos de los CD,
para mantener la velocidad de rotación del disco a una cantidad baja segura a
la vez que se maximiza la tasa de datos, el enfoque VLC puro debió ser
abandonado. Algunas unidades trabajan con un esquema VLC parcial (VLCP),
cambiando de VLC a VAC solo cuando se alcanza un límite de rotación. Pero
cambiar a VAC requiere cambios significativos en el diseño del hardware, por
eso en cambio la mayoría de las unidades usan el esquema de velocidad lineal
constante por zonas (VLC-Z). Este esquema divide el disco en varias zonas, cada
una con su propia velocidad lineal constante diferente.
3. Mecanismo de Carga
Las unidades ópticas actuales usan o un mecanismo de carga de bandeja,
donde el disco es cargado en una bandeja motorizada u operada manualmente, o un
mecanismo de carga de sócalo, donde el disco se desliza en un sócalo y es
retraído hacia dentro por rodillos motorizados.
Las unidades de carga de sócalo tienen la desventaja de no ser compatibles
con los discos más pequeños de 80mm o cualquier
tamaño no estándar; sin embargo, la videoconsola Wii parece haber derrotado este
problema, ya que es capaz de cargar DVD de tamaño estándar y discos de GameCube de 80 mm en la
misma unidad con carga de sócalo.
Un menor número de modelos de unidades, la mayoría unidades portables
compactas (como un Discman), tienen un mecanismo
de carga superior (por arriba) en el cual la tapa de la unidad se abre hacia
arriba y el disco es colocado directamente sobre el rotor.
Algunas de las primeras unidades de CD-ROM usaban un mecanismo en el cual
los CD tenían que ser insertados en cartuchos o cajas especiales, similares en
apariencia a un disquete de 3.5".
Esto se hacía para proteger al disco de daños accidentales causados por
introducirlos en cajas plásticas más duras, pero no ganó aceptación debido al
costo adicional y los problemas de compatibilidad, como que las unidades
necesitarían inconvenientemente que los discos fueran insertados en un cartucho
antes de usarse.
4. Interfaces de computadora
La mayoría de las unidades internas para computadoras personales, servidores y estaciones de trabajo son diseñadas
para encajar en una bahía de 5.25" y conectarse mediante una interfaz ATA o SATA. Las unidades
externas usualmente se conectan mediante interfaces USB o FireWire. Algunas versiones
portables para usar con laptops se alimentan
mediante baterías o mediantes su bus de interfaz.
Cuando la unidad de disco óptico fue desarrollada por primera vez, no era
fácil de añadir a las computadoras. Algunas computadores como la IBM PS/2 estaban
estandarizadas para los disquetes de 3.5" y los discos duros de 3.5",
y no incluían un lugar para un dispositivo interno más grande. Además las PC de
IBM y sus clones al comienzo únicamente incluían una sola interfaz ATA, la cual
para el momento en el que él se introducía CD, ya estaba siendo en uso para
soportar dos discos duros.
Las primeras laptops no tenían incorporada una interfaz de alta velocidad
para soportar un dispositivo de almacenamiento externo.
Esto fue resuelto mediante varias técnicas:
Las primeras tarjetas de sonido podían incluir
una segunda interfaz ATA, si bien a menudo se limitaba a soportar una sola
unidad óptica y ningún disco duro.
Se desarrolló una unidad externa de puerto paralelo que se conectaba
entre la impresora y la
computadora. Esto era lento pero una opción para las laptops.
También se desarrolló una interfaz de unidad óptica PCMCIA para laptops.
Se podía instalar una tarjeta SCSI en las PC de escritorio para incorporar
una unidad SCSI externa, aunque SCSI era mucho más caro que las otras opciones.
5. Compatibilidad
Todas las grabadoras no graban todos los medios ópticos ni todas las
lectoras leen todos.
La mayoría de las unidades ópticas son retro compatibles con sus modelos
anteriores hasta el CD, si bien esto no es exigido por los estándares.
Comparado con una capa de 1.2 mm de policarbonato de un CD, el haz de laser
de un DVD solo debe penetrar 0.6 mm para alcanzar la superficie de grabación.
Esto permite a la unidad de DVD enfocar el haz en un punto de menor tamaño para
leer surcos (pits) pequeños. Los lentes de DVD soportan un enfoque diferente
para CD o DVD con el mismo láser.
Abajo se muestra una tabla con los distintos discos ópticos y lo que puede
hacer cada hardware, tanto de grabación
como de lectura, con ellos. En ésta observamos que el hardware para CD sólo se
puede usar para ellos, el de DVD se puede usar para CD y DVD y no para BD y el de BD se puede
utilizar para todos los formatos.
6. Rendimiento de Grabación
Las unidades ópticas de grabación indican tres velocidades. La primera
velocidad es para las operaciones de grabación de una sola vez (R), la segunda
para las operaciones de regrabación (RW o RE), y la última para operaciones de
solo lectura (ROM). Por ejemplo una unidad de CD es capaz de grabar discos CD-R
grabar discos CD-RW, y leer cualquier disco CD.
A finales de los años 1990, los subdesbordamientos
de búfer (buffer underruns) se volvieron un problema muy común a medida que
las grabadoras de CD de alta velocidad comenzaban a hacer su aparición en las
computadoras hogareñas y de oficina, las cuales (por una variedad de razones)
no podían mantener el flujo de datos de la grabadora constantemente
alimentando. Entonces, la grabadora era obligada a detener el proceso de
grabación, dejando una pista truncada que usualmente hacía inútil al disco.
En respuesta a esto, los fabricantes de grabadoras de CD comenzaron a
distribuir unidades con "protección contra subdesbordamiento de
búfer" (bajo varias marcas comerciales, como "BURN-Proof"
de Sanyo y "Lossless
Link" de Yamaha). Estas protecciones
pueden suspender y resumir el proceso de grabación de tal manera que la brecha
que la detención produce pueda ser correctamente tratada por la lógica de
corrección de errores integrada en las unidades de CD-ROM y reproductores de
CD.
7. Esquemas de Grabación
La grabación de CD en computadoras personales era originariamente una tarea
orientada a batch en la que se
necesitaba software de autoría especializado para crear una "imagen" de los datos a
grabar, y para grabarla a un disco en una sesión. Esto era aceptable para fines
de archivo, pero limitaba la conveniencia general de los discos CD-R y CD-RW
como medios de almacenamiento removibles.
La escritura de paquetes (packet writing) es un esquema en el que la
grabadora escribe incrementalmente en los discos en pequeñas ráfagas, o
paquetes. La escritura de paquetes secuencial llena el disco con paquetes de
abajo hacia arriba. Para hacerlo legible en unidades de CD-ROM y DVD-ROM, el
disco debe ser cerrado en cualquier momento escribiendo una tabla de contenidos
al comienzo del disco; tras la escritura de la tabla de contenidos, ya no se
podrán añadir más paquetes al disco.
La escritura de paquetes de tamaño fijo (en los medios CD-RW y DVD-RW)
divide el disco en paquetes acolchados (de mayor tamaño) de tamaño
fijo. Este acolchonamiento reduce la capacidad del disco, pero le
permite a la grabadora iniciar y detener la grabación en un paquete individual
sin afectar a sus vecinos. Esto se asemeja tanto al acceso de escritura de
bloque ofrecido por medios magnéticos que muchos sistemas de archivo
funcionarán de igual manera. No obstante, tales discos no son legibles por la
mayoría de las unidades de CD-ROM y DVD-ROM o en la mayoría de los sistemas
operativos sin drivers adicionales.
El formato de disco DVD+RW va más allá mediante la introducción de
indicaciones de temporización más precisas en las estría de datos del disco
permitiendo así que bloques de datos individuales sean reemplazados sin afectar
la retro compatibilidad (una característica denominada "vinculación sin
pérdida" [lossless linking]). El formato en sí fue diseñado para tratar
con grabaciones discontinuas debido a que se esperaba que fuera ampliamente
usado en grabadores
de video digital (en inglés digital video recorders o
DVR). Muchos de estos grabadores usan esquemas de compresión de video de tasas
variables que requieren que la grabación se realice en pequeñas ráfagas;
algunos permiten reproducir y grabar al mismo tiempo, grabando rápidamente de
forma alternada en la cola del disco mientras se lee desde otro lugar.
Mount
Rainier intenta hacer que los discos CD-RW y DVD+RW escritos por paquetes
sean tan convenientes para usar como los medios magnéticos removibles haciendo
que el firmware dé formato a nuevos discos en segundo plano y gestione los
defectos de medios (mapeando automáticamente las partes del disco que han
sido desgastadas mediante ciclos de borrado para reservar espacio en otra parte
del disco). Hacia febrero de 2007, Windows Vista ofrece soporte
nativo para Mount Rainier. Todas las versiones anteriores de Windows necesitan de una
solución ajena, al igual que Mac OS X.
8. Identificador único de Grabadora
Debido a la presión ejercida por la industria de la música, representada
por la IFPI y la RIAA, Philips desarrolló el Recorder
Identification Code o RID (en español código de identificación de
grabadora) para permitir que los medios sean asociados de forma singular con la
grabadora que los escribió. Este estándar está contenido en los Rainbow Books. El RID es el opuesto
al Source Identification Code o SID (en español "código de
identificación de fuente"), un código de proveedor de ocho caracteres que
es colocado en cada CD-ROM.
El RID consiste de un código de proveedor (por ejemplo "PHI" para
Philips), un número de modelo y el ID único de la grabadora.
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