Komputery osobiste zdobyły w ostatnich latach ogromną popularność, znajdując zastosowanie zarówno w domach jak i we wszelkich dziedzinach aktywności zawodowej. Komputerem jest zestaw urządzeń elektronicznych, automatyzujących procesy informacyjne. Jednym z najważniejszych urządzeń działających w komputerze są napędy nośników. Poniżej przedstawione zostaną nośniki najczęściej wykorzystywane w komputerach PC.

Dysk twardy - HDD

Oprogramowanie komputerowe staje się coraz nowocześniejsze, zabierając tym samym coraz więcej przestrzeni na dyskach twardych. Każdy program do poważnych zastosowań wymaga zainstalowania na dysku. Zazwyczaj dysk twardy montowany jest przy przedniej ścianie we wnętrzu obudowy komputera. Dzięki niewielkim gabarytom (3,5 cala) dyski twarde mogą być montowane w tzw. kieszeniach, czyli specjalnych szufladach umożliwiających ich szybkie przenoszenie pomiędzy różnymi komputerami. Takie rozwiązanie jest bardzo łatwe w montażu i używaniu. Zazwyczaj na przedniej ścianie obudowy komputera zlokalizowana jest dioda (najczęściej czerwona) sygnalizująca pracę dysku.

Dyski twarde zbudowane są z tarcz magnetycznych, każda o dwóch powierzchniach. Na każdą powierzchnię przypada jedna głowica zapisująco-odczytująca posiadająca mechanizm umożliwiający dokładne wyszukiwanie na powierzchni talerzy właściwych sektorów. Tarcze podzielone są na ścieżki, składających się z sektorów zwanych cylindrami. Powierzchnia tarczy pokryta jest delikatną warstwą magnetyczną. Silnik porusza tarczami z dużą prędkością, natomiast precyzyjny serwomechanizm dokonuje regulacji ustawienia ramion głowic, utrzymując głowice zaledwie kilka mikronów od powierzchni tarczy. Głowice zapisująco-odczytujące nie mogą mieć kontaktu z powierzchnią nośnika, gdyż przy prędkościach z jakimi kręcą się tarcze mogłoby dojść do porysowania delikatnej warstwy magnetycznej. Każdy dysk posiada odpowiednie układy elektroniczne z odpowiednimi interfejsami, natomiast jego napędem steruje kontroler pracując z wykorzystaniem techniki "dedicated servo", gdzie jedna płaszczyzna dysku przeznaczona jest do przechowywania oznaczeń indeksowych, służących do sterowania pozycjonowaniem głowic napędu. Z tego powodu dyski twarde posiadają nieparzystą ilość głowic zapisująco-odczytujących.

Niewielki system operacyjny zwany "Firmware" umieszczony w pamięci ROM, koduje oraz dekoduje określone dane a właściwe procedury korygują ewentualne błędy, jakie mogą powstawać podczas odczytu danych z dysku. W momencie wyłączenia zasilania, specjalny mechanizm automatycznie (wykorzystują specjalną sprężynę) przesuwa głowice na bezpieczną ścieżkę tarczy, gdzie następnie następuje ich zaparkowane, zapobiegając w ten sposób przypadkowemu uszkodzeniu powierzchni tarczy. Dyski, które posiadają typowy interfejs IDE (ang. Intergrated Drive Electronics), czyli scalony sterownik elektroniczny, kompatybilne są do poprzednich wersji, posiadając możliwość zwiększonej transmisji danych i możliwość podłączenia dodatkowego urządzenia jak np. CD-ROM z mechanizmem PIO (ang. Program Input/Output). Obecnie standardowym złączem dla dysków twardych jest złącze SATA.

Napęd CD-ROM

Dysk kompaktowy jest krążkiem służącym do odtwarzania zapisanego w cyfrowej postaci informacji przy pomocy wiązki promienia lasera. Informacje na takim nośniku zapisywane są w formie niewielkich wyżłobień w powierzchni telluru. Technika odczytu i zapisu danych cyfrowych została opracowana przez firmę Philips w latach 70-tych i standard ten jest do tej pory jednym z najbardziej popularnych. W technologii Philipsa krążek ma średnicę 5 cali (około 12 cm), natomiast jego pojemność zezwala na nagranie ok. 1 godziny ścieżki bądź 650 MB danych. Głównymi elementami odtwarzacza CD-ROM są:

  • mikroprocesor, który wytwarza wszelkie napięcia niezbędne do sterowania urządzeniem
  • odczytująca głowica laserowa z mechanizmem skupiającym strumień światła laserowego oraz mechanizmem ścieżkującym
  • silnik prądu stałego (służący do obracania płytą) z układem automatycznie regulującym obroty talerza
  • układ elektroniczny służący do przetwarzania sygnałów z postaci cyfrowej do analogowej.

Pierwszy odtwarzacz CD-ROM skonstruowany został w końcu lat 70-tych w holenderskiej firmie Philips. Płyta CD jest przeźroczystym krążkiem z warstwy poliwęglanowej, z wytłoczonymi wgłębieniami. Warstwę ta pokrywa cienka powłoka aluminiowa odbijającą światło. Cały nośnik pokryty jest od góry lakierem, gdzie wykonywane są ewentualne nadruki.

Wiązka lasera padając na krążek CD odbija się od cienkiej warstwy aluminium. Jeśli odbicie następuje od obszaru nazywanego landem (nie posiadającego wgłębienia), natężenie wiązki jest większe niż w sytuacji, gdy odbija się on od tzw. pitu (wgłębienia). Podczas przejścia wiązki pomiędzy landami i pitami maja miejsce wahania natężenia światła a w konsekwencji zmiany skokowe sygnału elektrycznego pochodzącego ze światłoczułych elementów. Dane zapisywane na dysku CD zakodowane są tzw. metodą EFM. Urządzeniami, które są przystosowane do zapisu informacji na płytach CD-ROM są napędy CD-R oraz CD-RW, popularnie zwane nagrywarkami. Jeżeli chodzi o stronę elektroniczną czy sposób kodowania oraz format zapisu danych, urządzenia te są takie same jak klasyczne napędy CD. Różnice widoczne są w technologii i materiałach użytych do produkcji płyt. W przypadku płyt CD-R warstwa poliwęglanowa powleczona jest specjalną substancją (zwaną cyjaniną), która na skutek promieniowania laserowego określonej mocy mętnieje. Na tą warstwę napylona jest cienka warstwa aluminium. Podczas nagrywania płyty wiązka laserowa o zwiększonej mocy oddziałuje na warstwę cyjaniny, powodując jej zmętnienie, co przypomina pit na klasycznej płycie, ponieważ powoduje redukcję natężenia odbitej wiązki.

Następnym krokiem było użycie substancji, która zależnie od długości wiązki lasera, która na nią pada, staje się mętna bądź na nowo przeźroczysta. Wykorzystanie takiej substancji zamiast cyjaniny umożliwiło wielokrotny zapis danych na płycie CD. Tak powstały płyty CD wielokrotnego zapisu (tzw. CD-RW).

Napęd DVD

Napędy DVD z wyglądu przypominają czytniki płyt CD. Budowa oraz działanie są bardzo podobne do napędów CD-ROM. Największą zaletą napędów DVD jest ich uniwersalność. Urządzenia te służą zarówno do przechowywania danych, korzystania z multimedialnych aplikacji czy baz danych oraz do odtwarzania filmów. Ogromną zaleta tych odtwarzaczy jest niewątpliwie cena, która jest niewiele większa niż w przypadku standardowego czytnika CD-ROM. Jeżeli będziemy chcieli wykorzystywać czytnik DVD-ROM jako odtwarzacz filmów, należy podjąć trochę więcej działań, niż ma to miejsce w przypadku odtwarzacza stacjonarnego. Jeżeli chcemy oglądać filmy bezpośrednio na ekranie telewizora, musimy zaopatrzyć się w sprzętowy dekoder MPEG-2. Programowe dekodery dobrze spełniają swoją rolę podczas oglądania filmów na ekranie monitora, lecz w przypadku telewizora raczej nie dają zadowalających efektów. Konieczność dołożenia karty wiąże się z instalowaniem dodatkowych sterowników, poszukiwaniem ich najnowszej wersji itd. Również wyprowadzenie dźwięku na zewnątrz do wzmacniacza nie jest takie oczywiste. W przypadku oglądania filmu na monitorze z wykorzystaniem głośników komputerowych jest znacznie mniej pracy, gdyż wykorzystać można dekoder programowy, który nie wymaga dodatkowej karty. Jeżeli chodzi o wydajność komputera, wymagania są tutaj bardzo niskie. Minimalny procesor, w jaki musi być wyposażona jednostka to Pentium II 300 MHz, w przypadku procesorów firmy Intel oraz 400 MHz w przypadku innych producentów, np. AMD.

Opisując odtwarzacze DVD dość często definiuje się, do jakiej generacji sprzętu dany model się zalicza. Pierwsza generacja sprzętu to napędy charakteryzujące się jednokrotną prędkością odczytu. Z czasem dostępu oscylującym w granicach od 100 do 250 milisekund, umożliwiały osiąganie transferów rzędu 1,32 MB/s, co w przybliżeniu odpowiada napędom CD-ROM x9. Jeżeli odczytywana płyta jest płytą CD-ROM a nie DVD-ROM napęd zwiększa wtedy swoją szybkość i dorównuje czytnikom CD x12.

Napędy DVD drugiej generacji, znane jako x2, charakteryzują się przeciętnym transferem na poziomie 2,6 MB/s (co odpowiada napędom CD-ROM x18), a odczytując płyty CD-ROM zwiększają swą szybkość, która odpowiada napędom CD x24.

Najnowsze napędy DVD oznaczane są jako x16. Jeżeli chodzi o oglądanie filmów na DVD to prędkość odczytu nie ma tutaj znaczenia, jedyną różnicą są nieco szybciej funkcjonujące mechanizmy wyszukiwania, natomiast płynność odtwarzania pozostaje niezmienna. Prędkości napędów nabierają natomiast znaczenia w chwili korzystaniu z oprogramowania. Technologia DVD stała się już obowiązującym standardem wypierając niemal zupełnie klasyczne napędy CD-ROM.

Stacja dyskietek - FDD

Napęd dysków elastycznych czyli stacja dysków FDD (ang. Floppy Disk Drive), to urządzenie posiadające cześć mechaniczną i układy elektroniczne potrzebne do kontrolowania pracy mechanizmów oraz realizacji operacji zapisu i odczytu. Stacje dyskietek współpracują z układem wejścia/wyjścia w postaci sterownika napędu dyskietek, oznaczanym jako FDC (ang. Floppy Disc Controller).

Stacja dyskietek posiada dwa silniki. Pierwszy służy do napędzania krążka pokrytego ferromagnetykiem, który stanowi nośnik informacji. Prędkość obrotowa tego silnika wynosi 360 obrotów na minutę dla dyskietek 3,5". Drugi silnik, zwany krokowym umożliwia liniowy ruch głowicy odczytująco-zapisującej, przesuwającej się niewielkimi krokami wzdłuż średnicy krążka magnetycznego. Silnik ten odpowiada za precyzyjne ułożenie głowicy nad danym obszarem krążka. Dane zapisywane są na dyskietkach w postaci koncentrycznych pierścieni zwanych ścieżkami (ang. track), ponieważ w chwili zapisu pojedynczej ścieżki głowica zostaje nieruchoma. Gdy cała ścieżka zostanie zapełniona, należy przesunąć głowicę o określony odcinek i rozpocząć zapisywanie na kolejnej ścieżce. Najbardziej zewnętrzna ścieżka to tzw. ścieżka zerowa (ang. track zero). Pełni ona specjalną funkcję, dlatego w napędzie istnieje czujnik, który sygnalizuje ustawienie głowicy na ścieżce zerowej.

Pamięci dyskietkowe są najstarszymi, lecz wykorzystywanymi do dzisiaj zewnętrznymi pamięciami masowymi. Główną zaletą tego typu pamięci jest ciągle duża łatwość wymiany nośnika (dyskietki). Trzeba jednak zauważyć, iż obecnie dyskietki są używane coraz rzadziej z uwagi na bardzo niewielką pojemność. Najczęściej używa się dyskietek do przenoszenia niewielkich plików (głównie tekstowych) między komputerami. Dyskietka bywa przydatna, gdy istnieje potrzeba awaryjnego uruchomienia komputera w celach diagnostycznych. Obecnie używa się dyskietek 3,5", nośniki 5,25" wyszły całkowicie z użytku kilka lat temu.

Dyskietka zbudowana jest z krążka, na który naniesiony został materiał ferromagnetyczny. W przypadku dyskietki 5,25" krążek posiada otwór na środku i jest opakowany w kopertę ze sztucznego tworzywa wyściełaną po wewnętrznej stronie miękkim materiałem. Koperta posiada kilka obustronnych otworów. Główny centryczny otwór umożliwia zaciśnięcie się sprzęgła napędu na krążku nośnika, równie ważny - podłużny, wykonany promieniowo, umożliwia głowicy stacji zapis oraz odczyt danych. Oprócz tego w określonej odległości od osi obrotowej istnieje pojedynczy otwór (analogiczny istnieje na krążku nośnika), który służy do zsynchronizowania prędkości obracania się krążka. Prawa krawędź koperty zaopatrzona jest w kwadratowe wycięcie (w miejscu poza krążkiem nośnika), które służy do zabezpieczania dyskietki przed zapisem przez zaklejenie naklejką tego wycięcia.

Podsumowanie

Jak wynika z przedstawionych powyżej opisów napędy nośników to dość skomplikowane technicznie urządzenia. Przeciętny użytkownik komputera zwykle nie zna dokładnie zasad na jakich działają opisane powyżej napędy. Nawet tak proste z pozoru operacje jak zapis czy odczyt danych na nośniku możliwy jest dzięki zastosowaniu skomplikowanej technologii i niezwykle precyzyjnych mechanizmów.

Bibliografia:

"Urządzenia techniki komputerowej" - Krzysztof Wojtuszkiewicz, wyd. Mikom W-wa 2002

PC Word Komputer numer 2/00

Komputer Świat numer 11/00

Komputer Świat numer 22/00