Стандарты, которые имеет CD-диск.

Лекция №9.

Оптические носители и приводы.

Компакт-диски. Компакт-диск (CD) относится к внешней памя­ти и предназначен для длительного хранения программ и данных. Эти устройства явились результатом сотрудничества японской фир­мы Sony и голландской Philips. Считается, что технологию CD-ROM изобрел в 1965 г.Джеймс Рассел (James Russell).

Имеется следующая легенда о том, как появилась цифра в 640 Мбайт в емкости CD. Якобы исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита (утверждают, что именно он является автором плейера Walkman) решил, что компакт-диски должны отвечать за­просам исключительно любителей классической музыки. После того как группа разработчиков провела опрос, выяснилось, что са­мым популярным классическим произведением в Японии в те вре­мена была 9-я симфония Бетховена, которая длилась 72, 73 мин. По­этому было решено, что компакт-диск должен быть рассчитан на 74 мин звучания, а точнее, на 74 мин и 33 с. Так родился стандарт, известный как «Красная Книга» (Red Book). По сравнению с 45 мин, предоставляемыми виниловыми пластинками, и их недол­говечностью это было существенным шагом вперед. Когда 74 мин пересчитали в байты, то получилось как раз 640 Мбайт.

В работе над «Красной Книгой», кроме специалистов фирмы Sony приняли участие специалисты фирмы Philips. Эта специфика­ция, в частности, определяла требования к качеству записи звука и регламентировала, например, такие характеристики аудио-СD, как их размер, метод кодирования данных и использование единой спи­ральной дорожки.

Две вышеназванные фирмы сыграли также ведущую роль при разработке первой спецификации цифровых компакт-дисков — так называемой «Желтой Книги» (Yellow Book). Она послужила основой для создания компакт-дисков с комплексным представлением ин­формации, т. е. способных хранить не только звуковые, но также текстовые и графические данные (CD-Digital Audio, CD-DA). При этом привод, читая заголовок диска, сам определял его тип (аудио или цифровые данные). В этом стандарте, однако, не регламентиро­вались логические и файловые форматы компакт-дисков, поскольку решение этих вопросов было полностью отдано на откуп фир­мам-производителям.

Стандарты, которые имеет CD-диск.

· " Красная книга" (Red Book). В ней описан стандарт на CD-DA.

· " Желтая книга" (Yellow Book). CD-ROM стандарт.

· " Синяя книга" (Blue Book). Стандарты CD Extra, CD+, мультисессионные CD, CDE, Enchanced CD, CD-MIDI, CD+G, ECD.

· " Зеленая книга" (Green Book). Стандарт на CD Interactive.

· " Оранжевая книга" (Orange Book). Книга, в которой три части. Первая описывает стандарт CD-МО, вторая - CD-WO (CD-R, CD Recordable), третья - CD-RW.

· " Белая книга" (White Book). Стандарт на Video CD.

Именно поэтому вторым стандартом де-факто для цифровых компакт-дисков стала спецификация HSG (High Sierra Group), или просто High Sierra. Этот документ носил рекомендательный харак­тер и был предложен основными производителями цифровых ком­пакт-дисков с целью обеспечить, хотя бы некоторую совместимость. Данная спецификация определяла уже как логический, так и фай­ловый форматы компакт-дисков.

Вначале компакт-диски использовались исключительно в высо­кокачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, заменяя уста­ревшие виниловые пластинки и магнитофонные кассеты. Однако вскоре лазерные диски стали использоваться и на персональных компьютерах.

Компьютерные лазерные диски были названы CD-ROM (Compact Disk — Read Only Memory, или «компакт-диск — память только для чтения»). В конце 90-х гг. устройство для работы с CD-ROM стало стандартным компонентом любого персонального компьютера, а подавляющее большинство программ стало распро­страняться на компакт-дисках.

В 1988 году, был принят следующий стандарт ISO 9660, для цифровых компакт-дисков в принципе совпадал с основными положениями HSG. Компакт-диски, соответствующие требованиям стандарта (ISO 9660 — стандарт, выпущенный Международной организацией по ISO 9660 стандартизации, описывающий файловую систему для дисков CD-ROM. Целью стандарта является обеспечить совместимость носителей под разными операционными системами, такими как Unix, Mac OS, Windows), который определяет их логический и файловый форматы, являются совместимыми друг с другом. В частности, этот документ определяет, каким образом найти на компакт-диске его содержание (Volume Table Of Contents, VTOC).

Для большинства компакт-дисков хранимая впоследствии на них информация заносится за один технологический цикл, или се­анс (single session). Оглавление диска, т. е. указатель того, где и как на нем хранится информация, содержится в VTOC. Однако после того как появилась технология, позволяющая дописывать информа­цию на специальные (дописываемые) CD-ROM, речь пошла уже о многосеансовых компакт-дисках и соответствующих приводах (multi session). Так, многосеансовые записи определены в форматах Kodak PhotoCD и CD-ROM ХА (extended Architecture).

Появились диски с возможностью многократной записи CD-RW (Compact Disk — Rewritable: перезаписываемый ком­пакт-диск). В настоящее время CD-R и CD-RW являются наиболее удобными средствами драйвера для различных устройств, музыка и многое другое. Стоимость хранения информации на компакт-дисках меньше, чем на любых других носителях.

Физическое устройство компакт-диска. Ком­пакт-диск состоит из нескольких слоев, соединенных в единую круг­лую тонкую пластину. Диаметр подавляющего большинства ком­пакт-дисков составляет 120 мм, что равняется 5 дюймам. Стан­дартный 5-дюймовый диск содержит 640—700 Мбайт информации.

CD-ROM, созданный промышленным способом, часто называ­ют штампованным. Он состоит из трех слоев (рис. 3.16, а). Основа диска, созданная из прозрачного поликарбоната, занимает большую часть диска. При изготовлении основы методом штамповки на нее наносится информационный узор. В результате получается прозрач­ная пластиковая пластина. С одной стороны она гладкая, а с дру­гой — нанесено множество микроскопических углублений, называемых питами (pit — углубление). Далее на основу напыляется отражающий металлический слой (чаще всего алюминий, хотя мо­гут использоваться и другие металлы или сплавы). Сверху на диск наносится защитный слой из тонкой пленки поликарбоната или специального лака. На защитном слое часто размещается полигра­фия — различные рисунки и надписи.

После создания всех слоев диск готов к использованию. Инфор­мация считывается с рабочей стороны диска через прозрачную ос­нову. Штампованный информационный узор и отражающий слой отражают луч считывающего лазера по-разному в разных участках.

Записываемые и перезаписываемые компакт-диски имеют до­полнительно еще один слой. Их основа не имеет информационного узора, но между основой и отражающим слоем расположен записы­вающий (регистрирующий) слой. Он может менять прозрачность под воздействием высокой температуры. При записи лазер разогре­вает заданные участки записывающего слоя, создавая информацион­ный узор. Участки слоя, к которым было применено температурное воздействие, темнеют. В качестве материала для регистрирующего слоя используют различные сложные органические соединения, на­пример цианин (Cyaninc) и фталоцианин (Phtalocyanine).

Из-за наличия регистрирующего слоя требования к отражающе­му слою у записываемых и перезаписываемых дисков выше, чем у штампованных, поэтому вместо алюминия приходится применять более дорогие материалы. Для отражающего слоя в CD-R и CD-RW применяют золото или серебро, хотя могут быть использованы сложные сплавы.

Накопитель на компакт-диске (CD-ROM). Считы­вание информации с компакт-диска так же, как и запись, происходит с помощью лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности. Сервомотор по команде от внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало или призму. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку.

Лазер излучает когерентный свет, состоящий из синхронизиро­ванных волн одинаковой длины. Луч, попадая на отражающую свет поверхность, через расщепляющую призму откло­няется на фотодетектор, который интерпретирует это как «1», а по­падая во впадину, рассеивается и поглощается — фотодетектор фик­сирует «0».

В отличие от винчестеров, дорожки которых представляют кон­центрические окружности, компакт-диск имеет одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружной сто­роны диска к внутренней. Тем не менее одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических: каждый из ее 360-гра­дусных фрагментов рассматривается как отдельная дорожка —- по аналогии с магнитными дисками.

В то время как магнитные диски вращаются с постоянным чис­лом оборотов в минуту, т. е. с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Ал£ и1аг Velocity), компакт-диск вращается обычно с пере­менной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линей­ную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким об­разом, чтение внутренних треков осуществляется с увеличенным, а наружных —- с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обу­словливается более низкая скорость доступа к данным для ком­пакт-дисков по сравнению с винчестерами. Для CD применяется сложная система кодирования информации: каждый байт представ­лен 14-разрядным кодом, выявляющим и исправляющим ошибки.

Логическая структура и форматы компакт-дис­ков. В зависимости от вида информации различают разные форма­ты компакт-дисков. Непрерывная последовательность углублений и промежутков между ними может быть разбита на отдельные сессии. В начале сессии расположена специальная начальная запись (мар­ка), называющаяся lead-in (ввести). В конце сессии располагается запись lead-out (вывести). Сессия, в свою очередь, может состоять из одной или нескольких дорожек. Чаще всего сессия состоит из од­ной дорожки. В конце диска помещается специальная запись, после которой не могут располагаться никакие другие данные.

На одном диске могут располагаться сессии различных форма­тов, однако чаще все сессии на диске имеют один формат. Наличие множества сессий позволяет записывать информацию отдельными частями, превращая CD-R и CD-RW в удобное средство ведения рабочего архива. Однако следует помнить, что запись первой сессии требует дополнительно 22 Мбайта, а запись каждой последующей сессии отнимает 13 Мбайт. Впрочем, это не так много, учитывая, что на диск можно записать 650—700 Мбайт информации, а на не­которые современные диски и еще больше.

Звуковая дорожка представляет собой преобразованный файл в распространенном формате PCM (Pulse Code Modulation —- импульсно-кодовая модуляция).

Базовый формат, предложенный в HSG-спецификации, во мно­гом аналогичен формату флоппи-диска. Системная дорожка (трек 0) любой дискеты не только идентифицирует сам флоппи-диск (его плотность, тип используемой операционной системы), но и хранит информацию о том, как он организован по директориям, файлам и поддиректориям. Инициирующая дорожка данных на компакт-дис­ке начинается со служебной области, необходимой для синхрониза­ции между приводом и диском: Далее расположена системная об­ласть, которая содержит сведения о структуре диска. В системной области находятся также директории тома с указателями или адре­сами других областей диска. Существенное различие между структу­рой компакт-диска и дискеты заключается в том, что на CD систем­ная область содержит прямой адрес файлов в поддиректориях, что должно облегчить их поиск.

Международный стандарт ISO 9660 описывает файловую систе­му на CD-ROM. ISO 9660 первого уровня напоминает файловую систему MS-DOS: имена файлов могут содержать до восьми симво­лов, расширение имени файла (состоящее из трех символов) отделя­ется от имени файла точкой. Имена файлов не могут содержать спе­циальных символов «-, ~, =, +». В именах используются только сим­волы верхнего регистра, цифры и символ «_». Имена каталогов не могут иметь расширений. Каждый файл имеет версию — номер вер­сии отделяется от расширения символом «;». Каталоги могут иметь глубину вложенности до 8. Стандарт ISO 9660 второго уровня по­зволяет использовать в именах файлов до 32 символов, накладывая описанные выше ограничения. Диски, созданные с использованием такого стандарта, не могут использоваться в ряде операционных систем, включая и MS-DOS.

Мы не рассматриваем здесь подробности различных форматов размещения информации на CD, поскольку технологии DVD во многом их дублируют.