CD-ROM. Форматы и стандарты

CD-ROM. Форматы и стандарты.

Компакт-диски (CD-ROM), изначально разработанные для любителей высококачественного звучания, проочно обосновались теперь на рынке компьютерных устройств. Благодаря своим малым размерам, большой емкости, надежности и долговечности они с успехом применяются в качестве устройств внешней памяти. Попутно отметим, что наличие привода CD-ROM на вашем компьютере позволяет не только использовать диски с программами, но и слушать музыку.

Собственно привод компакт-дисков не похож на обычные дисководы только потому, что на эти диски нельзя записывать информацию. Низкая скорость передачи (около 150 - 300 Кбайт/с) обуславливает необходимость правильной организации данных на самом оптическом диске, иначе задержки в передаче данных могут достигать до 0,75 секунды, Кстати, на один компакт-диск можно вместить 150000 страниц текста, что эквивалентно 17 Библиям. Теперь немного истории.

Форматы и стандарты 

Музыкальные оптические компакт-диски пришли на смену виниловым ("грампластинкам") в 1982 году примерно в то же время, когда появились первые персональные компьютеры фирмы IBM. Эти устройства явились результатом плодотворного сотрудничества двух гигантов электронной промышленности - японской фирмы Sony и голландской Philips. Любопытно, что строго определенная емкость компакт-дисков связана с интересной историей.

Исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита (кстати, именно он является автором плеера Walkman) решил, что компакт-диски должны отвечать запросам исключительно любителей классической музыки не более и не менее. 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 минуты. Видимо, если бы японцы больше любили короткие симфонии Гайдна или оперы Вагнера (исполняемые по два вечера), развитие компакт-дисков могло пойти совсем по другому пути. Но факт остается фактом, поэтому было решено, что компакт-диск должен быть рассчитан всего на 74 минуты звучания, а точнее на 74 минуты и 33 секунды. Так родился стандарт, известный как "Красная Книга" (Red Book). Не все любители музыки могли согласиться с выбранной длительностью звучания, но, по сравнению с 45 минутами, предоставляемыми виниловыми пластинками, и их недолговечностью это было существенным шагом вперед. Когда 74 минуты пересчитали в байты, то получилось как раз 640 Мбайт. 

Напомним, что в работе над "Красной Книгой" (Red Book) кроме специалистов фирмы Sony приняли участие и специалисты фирмы Philips. Эта спецификация, в частности, определяла минимальные требования к качеству записи звука и регламентировала, например, такие характеристики аудиокомпакт-дисков, как их размер, метод кодирования данных и использование единой спиральной дорожки.

Две вышеназванные фирмы сыграли такке ведущую роль приразработке первой спецификации цифровых компакт-дисков - так называемой "Желтой Книги" (Yellow Book). Она послужила основой для создания компакт-дисков с комплексным представлением информации, то есть 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. Это, в частности, означало, что компактдиск, соответствующий требованиям "Желтой Книги", мог работать только на конкретной модели накопителя. Такое положение дел, особенно в связи с большим коммерческим успехом компакт-дисков, разумеется, не могло удовлетворить производителей подобных устройств. В общих интересах необходимо было срочно найти компромисс.

Именно поэтому вторым стандартом "де-факто" для цифровых компакт-дисков стала спецификация HSG (High Sierra Group), или просто High Sierra. Этот документ носил, вообще говоря, 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.

Отметим, кстати, любопытную деталь: название спецификации повторяет название отеля и казино: одного из городков в Калифорнии, где собрались обсудить свои вопросы лидеры в производстве CD-ROM. К сожалению, для HSG-спецификации подходящего цвета книги так и не нашлось.

Впрочем, созданная спецификация оказалась настолько привлекательной, что принятый несколько позже международный стандарт ISO 9660 для цифровых компакт-дисков в принципе совпадал с основными положениями HSG. Заметим, что все компакт-диски, соответствующие требованиям стандарта ISO 9660, 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). Заметим, что базовый формат, предложенный в HSG-спецификации, во - многом напоминал формат флоппи-диска. Как известно, 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 структурировании диска. В системной области находятся также директории данного тома с указателями или адресами других областей диска. Существенное различие между структурой компакт-диска и, например, дискетой 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 ("-", "~", "=", "+"). При именовании файлов используются символы только верхнего регистра, цифры и символ "_". Имена каталогов не мо гут иметь расширений. Каждый файл имеет версию - номер версии отделяется от расширения символом ";". Каталоги могуиметь глубину вложенности 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.

Перед тем как продолжить нашрассказ, введем для компактдисков понятие сеанса. В следующем разделе мы поясним 6oлee подробно, как записываются данные на CD, а сейчас лишь отметим, что для большинства компакт-дисков вся хранимая впоследствии на них информация заносится за один техноло-, гический цикл, или сеанс (single session). Как уже говорилось оглавление диска, то есть 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).

В частности, технология фирмы Eastman Kodak PhotoCD предлагается в качестве недорогого средства для создания и доступа к цифровым фотографиям. Например, по этой технологии на специальный (дописываемый) компакт-диск можно записать любые 35-мм слайды и негативы, причем как черно-белые, так и цветные Таблица 3.1 ные. Для того чтобы просматривать фотографии на зкране монитора, необходим, разумеется, PhotoCD-со вместимый привод. Такие приводы обладат способностью работать с многосеансовыми записями, то есть записями, сделанными именно в несколько приемов (сеансов). Обычный привод CD-ROM сможет прочесть (увы !) только первую запись (сеанс). Но одна запись может, разумеется, содержать несколько фотографий.

В таблице показаны основные типы разрешений, с которыми могут храниться изображения на PhotoCD.

Разрешение 

(в линиях)

Применение

256 х 384

Бытовые телевизоры и VGA-адаптеры низкого разрешения

512 х 768

Телевизоры S-VHS и VGA-адаптеры с 1 и более байт памяти

1024 х 1536

В настоящий момент не воспроизводимо

2048 х 3072

В настоящий момент не воспроизводимо

Основные принципы функционирования

Обычный процесс изготовления компакт-диска состоит из нескольких этапов. Как правило, они включают в себя следующие операции: подготовку информации для записи на мастер-диск (первый образец), изготовление самого мастердиска и матриц (негатив мастер-диска), тиражирование компакт-дисков. Закодированная информация наносится на мастер-диск лазерным лучом, который создает на его поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками. Цифровая информация представляется здесь чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет островков. Копии негатива мастер-диска (матрицы) используются для прессования самих компакт-дисков. Отметим, что сформированные лазерным лучом впадины очень малы по размеру. Примерно 30-40 впадин соответствуют толщине человеческого волоса, а это примерно  50 мкм.

В приводе компакт-дисков можно выделить несколько базовых элементов: лазерный диод, сервомотор, оптическую систему (включающую в себя расщепляющую призму) и фотодетектор.

Итак, считывание информации с компакт-диска, так же как и запись, происходит при помощи лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности. Сервомотор по команде от внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку. Такой луч, попадая на отражающий свет островок, через расщепляющую линзу отклоняется на фотодетектор, который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный ноль. В качестве отражающей поверхности компакт-дисков обычно используется алюминий. Разумеется, вся поверхность компактдиска покрыта прозрачным защитным слоем.

В отличие, например, от винчестеров, дорожки которых представляют концентрические окружности, компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Тем не менее одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических.

В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних сторов осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.

Как мы уже отмечали, в последнее время появились так называемые перезаписываемые компакт-диски CD-R (CD-Recordable). Носители типа CD-R могут быть записаны самим пользователем на специальном CD-R-приводе. В основном здесь применяются технологии, основанные на изменении отражающих свойств вещества подложки компакт-диска под действием луча лазера. Кстати, заметим, что перезаписываемые компакт-диски в несколько раз дороже обычных. Дело в том, что в качестве светоотражающего слоя в них используется уже не алюминий, а золото. Между прочим, подобные компакт-диски обычно служат как мастерные для дальнейшего тиражирования. Тем не менее в ряде случаев CD-R-диски можно использовать и для долговременного архивирования какой-либо ценной информации. Заметим, что читать CD-R-диск можно и на обычном приводе, но, разумеется, только первый сеанс записи. Когда смотришь на не полностью записанный CD-R, область с информацией выглядит более темной и она легко различима. Писать информацию привод начинает от внутренних логических дорожек к внешним (от меньших по диаметру к большим).

Стоит отметить основную разницу между аудиокомпактдисками и компакт-дисками с цифровыми данными. Понятно, что пропуск (неправильное чтение) любой впадины на поверхности диска может привести к потере целостности записанных данных. Это в свою очередь ведет к воспроизведению неверной информации или невозможности запустить исполняемые модули записанных программ.

Другое дело аудиокомпакт-диски. Здесь пропуск нескольких впадин на диске практически не сказывается на качестве звучания. Дело в том, что в данном случае на помощь приходит принцип интерполяции. Как известно, интерполяция позволяет отыскивать значения промежуточных величин по уже известным значениям. Например, предположим, что на аудиодиске было записано три последовательных значения 10, 13 и 20. Допустим, что второе число по некоторым причинам не прочиталось (например, из-за загрязнения или повреждения поверхности диска). Линейная интерполяция для чисел 10 и 20 дает 15 [(10+20)/2]. Разумеется, полученное значение не совпадает с исходным, что, однако, в данном случае для кодирования аналогового сигнала (музыки) не имеет Особого значения, поскольку слушающий музыку не ощутит это на слух.

Таким образом, понятно, что привод для CD-ROM с цифровой информацией - устройство более прецизионное, нежели плеер, предназначенный только для аудиодисков.