Раздел: Технические науки
РЕФЕРАТ

Компакт-диски. Классификация. Принципы чтения и записи

Содержание
Общие сведения о компакт-дисках
Формат компакт-диска
Классификация
Принцип записи CD-R
Принцип записи CD-RW
Способы записи
Литература
В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Принцип работы этих дисков – оптический. Чтение и запись осуществляется лазером. В компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Отражение интерпретируется как единица, “впадина” - как ноль. Приведу некоторые технические параметры компакт-дисков. Рабочая длина волны лазера - 780 нм. Диаметр компакт-диска 120 мм. Толщина диска 1,2 мм. Объем диска 680 Мб (74 мин аудио). Вес 14-33 г. Цепочка углублений (pits) расположена по спирали как в грампластинке, но в направлении от центра (фактически CD является устройством последовательного доступа с ускоренной перемоткой). Интервал между витками - 1.6 мкм, ширина пита - 0.5 мкм, глубина - 0.125 мкм (1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате), минимальная длина - 0.83 мкм (рис. 1).
Существуют модификации в 80 минут (700 МБ), 90 минут (791 МБ) и 99 минут (870 MB). Номинальная (1x) скорость передачи данных - 150 КБ/сек (176400 байт/сек аудио или "сырых" данных, 4.3 Мбит/сек "физических" данных). 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 сторон 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.
Рассмотрим формат компакт-диска.
Поверхность диска разделена на области:

PCA (Power Calibration Area). Используется для настройки мощности лазера записывающим устройством. 100 элементов.
PMA (Program Memory Area). Сюда временно записываются координаты начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего устройства без закрытия сессии. 100 элементов.
Вводная область (Lead-in Area) - кольцо шириной 4 мм (диаметр 46-50 мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-in Track). Содержит TOC (абсолютные временные адреса дорожек и начала выводной области, точность - 1 секунда).
Область данных (program area, user data area).
Выводная область (Lead-out) - кольцо 116-117 мм (6750 секторов, 1.5 минуты, 13.5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).

Каждый байт данных (8 бит) кодируется 14-битным символом на носителе (кодировка EFM). Символы отделяются 3-битными промежутками, выбираемыми так, чтобы на носителе не было более 10 нулей подряд.
Из 24 байтов данных (192 бита) формируется кадр (F1-frame), 588 битов носителя, не считая промежутков:

синхронизация (24 бита носителя)
символ субкода (биты субканалов P, Q, R, S, T, U, V, W)
12 символов данных
4 символа контрольного кода
12 символов данных
4 символа контрольного кода

При декодировании могут использоваться различные стратегии обнаружения и исправления групповых ошибок (вероятность обнаружения против надежности коррекции).
Последовательность из 98 кадров образует сектор (2352 информационных байта). Кадры в секторе перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектов носителя. Адресация сектора произошла от аудиодисков и записывается в формате A-Time - mm:ss:ff (минуты:секунды:доли, доля в секунде от 0 до 74). Отсчет начинается с начала программной области, т.е. адреса секторов вводной области отрицательные. Биты субканалов собираются в 98-битные слова для каждого субканала (из них 2 бита - синхронизация). Используются субканалы:

P - маркировка окончания дорожки (min 150 секторов) и начала следующей (min 150 секторов).
Q - дополнительная информация о содержимом дорожки:

число каналов
данные или звук
можно ли копировать
признак частотных предыскажений (pre-emphasis): искусственный подъем высоких частот на 20 дБ
режим использования подканала

q-Mode 1: во вводной области здесь хранится TOC, в программной области - номера дорожки, адреса, индексы и паузы
q-Mode 2: каталоговый номер диска (тот же, что на штрих-коде) - 13 цифр в формате BCD (MCN, ENA/UPC EAN)
q-Mode 3: ISRC (International Standard Recording Code) - код страны, владельца, год и серийный номер записи

CRC-16

Последовательность секторов одного формата объединяется в дорожку (трек) от 300 секторов (4 секунды, см. субканал P) до всего диска. На диске может быть до 99 дорожек (номера от 1 до 99). Трек может содержать служебные области:

пауза - только информация субканалов, нет пользовательских данных
pre-gap - начало трека, не содержит пользовательских данных и состоит из двух интервалов: первый длиной не менее 1 секунды (75 секторов) позволяет "отстроиться" от предыдущего трека, второй длиной не менее 2 секунд задает формат секторов трека
post-gap - конец трека, не содержит пользовательских данных, длиной не менее 2 секунд

Вводная цифровая область должна завершаться постзазором. Первый цифровой трек должен начинаться со второй части предзазора. Последний цифровой трек должен завершаться постзазором. Выводная цифровая область не содержит предзазора.
Существует множество стандартов и форматов компакт-дисков – в зависимости от назначения и производителей. Приведу для примера далеко не все существующие: Audio CD (CD-DA), CD-ROM (ISO 9660, mode 1 & mode 2), Mixed-mode CD, CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture, mode 2, form 1 & form 2), Video CD, CD-I (CD-Interactive), СD-I-Ready, CD-Bridge, Photo CD (single & multi-session), Karaoke CD, CD-G, CD-Extra, I-Trax, Enhanced CD (CD Plus), Multi-session CD, CD-Text, CD-WO (Write-Once). Полное описание их займет слишком много места, и это не является целью написания данной работы.
В зависимости же от количества возможных операций записи компакт-диски разделяются на: CD-ROM (read only memory), CD-R (recordable), они же CD-WORM (write once read many), CD-RW (rewritable). Соответственно, СD-ROM изготавливается на заводе, и дальнейшая запись на него невозможна; CD-R предназначен для однократной записи в домашних условиях; CD-RW допускает множество операций записи. Диски CD-ROM представляют собой поликарбонат, покрытый с одной стороны отражающим слоем (алюминий или - для ответственных применений - золото) и защитным лаком с другой. Смена отражающей способности осуществляется за счет штамповки углублений в металлическом слое. На заводе их просто штампуют с матрицы. Это для нас не очень интересно, и мы подробнее остановимся на дисках, запись на которые можно сделать на домашнем компьютере.
Начнем с однократно-записываемых дисков (CD-R).
По своему внутреннему строению CD-R диск напоминает слоеный пирог, "начинка" которого состоит из активного, отражающего и защитного слоев, которые последовательно наносятся на основу из поликарбоната.
При этом основа CD-R диска ничем не отличается от той, что применяется в технологии изготовления компакт-дисков литьем: характеристики пластмассы должны быть таковы, чтобы луч лазера, проходящий сквозь нее, должным образом фокусировался и не вызывал разрушения диска. На основу наносится активный (или регистрирующий) слой, на котором, собственно, и происходит запись информации. Во время записи мощный лазерный луч нагревает небольшие участки активного слоя. Под воздействием высокой температуры меняются свойства вещества регистрирующего слоя в месте нагрева, в результате он перестает пропускать свет. В других местах, которые не разогревались лазером, свет по-прежнему беспрепятственно проходит через регистрирующий слой. В качестве материалов для регистрирующего слоя обычно используются цианин и фталоцианин.
Осталось разобраться с отражающим слоем. Итак, отражающий слой - это тончайшая пластинка из золота или серебра. Причем из серебра лучше, потому что у него больший коэффициент отражения. Но, тем не менее, диски с золотым отражающим слоем продолжают выпускаться, хотя они хуже и значительно дороже. Как обычно, приходится жертвовать одним качеством в угоду другому: золото - очень долговечный материал, а серебро со временем окисляется. Поэтому в тех случаях, когда требуется длительное хранение данных, применяются диски с золотым отражающим слоем. Ну и последний слой, защитный, наносится поверх отражающего, и служит для механической защиты CD-R диска и нанесения на него этикетки. Тут тоже возможны варианты: в простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Не самый лучший вариант защиты. Лак можно ободрать, и, что еще хуже, возможна химическая реакция между лаком и различными веществами, которые на него попадают (например, с чернилами, которыми Вы сделаете надпись на обратной стороне диска). Однако последнее время некоторые производители CD-R дисков используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им дополнительную надежность. Более надежные защитные покрытия - дополнительный слой специального пластика. Кроме защиты, такой способ еще и делает внешний вид диска более привлекательным по сравнению с лаковым.
Восстановить прозрачность веществ, используемых в качестве активного слоя в дисках CD-R, невозможно. С одной стороны, это дает некоторую гарантию того, что записанная информация будет надежно сохранена. Действительно, повредить запись, нанесенную на активный слой, можно только одним способом - сделать прозрачные участки непрозрачными. Что и может произойти под воздействием, например, яркого солнечного света. С другой стороны, один раз записанный диск переписать невозможно. К сожалению, решить это противоречие пока не удалось. На сегодняшний день мы вынуждены выбирать между возможностью перезаписи и надежностью хранения информации.
И если мы выбираем перезапись, то придется использовать диск CD-RW. Единственное отличие таких дисков от CD-R заключается в устройстве регистрирующего слоя. У CD-R дисков запись основана на изменении оптических свойств слоя под действием температуры - при нагревании слой мутнеет. Принцип записи CD-RW дисков чуть сложнее, здесь используется явление фазового перехода. Промежуточный слой специального органического материала может пребывать либо в аморфном, либо в кристаллическом виде.
Аморфное вещество, как известно из курса физики, это такое вещество, которое при нагревании не превращается в жидкость, а постепенно размягчаются, становятся все более текучими. Примером такого вещества может быть всем известный пластилин. Или мед. Кстати, на примере меда хорошо видно общее свойство аморфных веществ - с течением времени они переходят в кристаллическую форму. Поставьте банку прозрачного свежего меда в шкаф, и не трогайте года 2. Потом достаньте, и вы увидите, что мед загустел, а то и вовсе стал твердым, "засахарился". И стал непрозрачным! Вот на этом принципе и основана запись на CD-RW. Прозрачность регистрирующего слоя CD-RW зависит от того, в каком состоянии это вещество находится, в аморфном или в кристаллическом. И мы можем управлять процессом перехода из одного состояния в другое. Если нагреть регистрирующий слой до достаточно высокой температуры и затем резко охладить его, то вещество переходит в аморфную форму. Именно так происходит процесс записи. На чистом диске CD-RW регистрирующий слой находится в кристаллической форме. Мощный луч записывающего лазера разогревает участок поверхности и выключается, диск быстро остывает и в этом месте часть активного слоя переходит в аморфную форму. Для того, чтобы вернуть вещество активного слоя в кристаллическое состояние, его опять нагревают, но до меньшей температуры (менее интенсивным лучом). И вещество возвращается в кристаллическое состояние. Такую операцию можно проводить около 1000 раз, именно столько циклов перезаписи выдерживают CD-RW диски.
И все было бы хорошо, если бы не та самая особенность аморфных веществ кристаллизоваться со временем. Как бы мы ни хранили CD-RW, через несколько лет запись будет безвозвратно утеряна. К тому же такие диски легко могут быть стерты простым нагреванием. Зато можно перезаписывать.
Еще одна особенность дисков CD-RW проявляется при чтении. Если в дисках CD и CD-R мы четко выделяли два типа участков поверхности - отражающие свет и неотражающие, то в CD-RW вся поверхность является отражающей, хотя и в разной степени. Поэтому при чтении диска CD-RW информация считывается в тот момент, когда луч лазера попадает на участок перехода между кристаллическим и аморфным веществом. Лазер во всем этом процессе используется стандартный, с длиной волны 780 нанометров. Считывание производится тоже стандартным лазером, но разница в уровнях сигналов: для CD-RW-дисков меньше, чем для CD-ROM.
Рассмотрим способы записи компакт-дисков в домашних условиях. Для этого необходимо иметь не только записывающий CD-привод, но и специальное программное обеспечение. Они обычно поставляются вместе. Примером таких программ могут служить Easy CD, CD Creator, CD Publisher. В операционной системе Windows XP встроена поддержка записи компакт-дисков.
Процесс записи одной сессии представляет собой единую операцию, которая не может быть прервана, иначе диск будет испорчен. Для обеспечения равномерности поступления записываемой информации на лазер все приводы имеют буфер, исчерпание данных в котором (Underrun) приводит к аварийному прерыванию записи. Исчерпание данных в буфере может быть вызвано запуском параллельных процессов, работой системы виртуальной памяти (swapping), захватом процессора "нечестными" драйверами устройств, зависанием программы или операционной системы. К сбою записи приводят также механические толчки привода.
Различается два основных режима записи CD-R: DAO (Disk At Once - весь диск за один прием) и TAO (Track At Once - одна дорожка (сессия) за один прием). При записи методом TAO лазер включается в начале каждой дорожки и отключается в ее конце; в точках включения и выключения лазера формируются серии специальных кадров - run-in, run-out и link, предназначенные для связывания дорожек между собой. Стандартный промежуток содержит 150 таких кадров (2 секунды). При записи методом DAO лазер включен на протяжении записи всего диска.
Диск, записанный за один прием, является наиболее универсальным и считывается любыми CD-ROM с любым файловым диспетчером, однако после записи невозможно дописывание новых данных на диск, а режим DAO поддерживается не всеми записывающими приводами. Этот режим также желателен для записи мастер-дисков для последующего тиражирования путем штамповки - большинство типовых станков для изготовления матриц воспринимают только непрерывно записанные оригиналы.
В режиме TAO пишутся многосессионные диски, допускающие последующую дозапись данных; при этом для сессии записывается только зона Lead In (открытая сессия). При записи каждой последующей сессии предыдущая закрывается путем записи зоны Lead Out, за которой следует Lead In новой сессии. На эти две зоны расходуется дополнительно 13.5 Мб (6750 кадров) дискового пространства.
По стандарту, чтобы нормально считываться во всех устройствах, диск должен быть закрыт (Closed) путем записи выводной зоны. Закрытие диска повышает вероятность его успешного считывания в других приводах (подавляющее большинство современных приводов не обращают внимания на закрытость диска), однако лишает возможности дописывания дополнительных сессий.
Перед началом записи необходимо сформировать полный список входящих в сессию файлов; последующее добавление файлов на диск возможно лишь в виде дополнительных сессий. Приводы CD-ROM, не поддерживающие многосессионную запись, считывают с диска только первую TOC - соответственно, с их помощью можно считывать лишь файлы первой сессии. Многосессионные CD-ROM считывают только последнюю TOC, поэтому последняя TOC в многосессионном диске должна содержать ссылки и на файлы предыдущих сессий. Для этого при записи очередной сессии применяется опция импортирования сессий (Import Track) для создания полной общей TOC. Совпадающие по именам каталоги при этом объединяются, как при дописывании на обычный диск. Адресация файлов в любом случае ведется в пределах всего диска, поэтому объединению подвергаются только TOC. Файлы сессий, которые не были импортированы при создании очередной, в результирующем каталоге присутствовать не будут и обычное обращение к ним будет невозможным, однако многие программы записи на CD-R позволяют выборочно считывать отдельные сессии диска. Если запись на однократный многосессионный диск по какой-либо причине была прервана, в ряде случаев имеется возможность использовать оставшееся свободным пространство диска. Для этого требуется программа записи, имеющая опцию закрытия сессии (Close Track/Session), после чего нужные данные записываются очередной сессией без импорта прерванной сессии (предшествующие ей сессии могут быть импортированы).
Поскольку конечная видимость каждого файла определяется процессом импорта TOC, возможно исключение из каталога отдельных файлов и выборочная замена файлов с совпадающими именами. Старая копия файла продолжает оставаться на диске в одной из предшествующих сессий, однако в новый каталог помещается ссылка на новый экземпляр. Выборочное исключение файлов предыдущих сессий в каталог новой сессии дает эффект их "удаления". Видимость "удаленных" таким образом файлов впоследствии может быть "восстановлена" путем их импорта в новые сессии.
Для записи CD-RW может применяться их предварительное форматирование - разбивка на секторы, подобно магнитным дискам. После форматирования диск CD-RW может использоваться, как обычный сменный диск - стандартные файловые операции копирования, удаления и переименования преобразуются драйвером привода CD-RW в серии операций перезаписи секторов диска. Благодаря этому для работы с дисками CD-RW не требуется специального программного обеспечения, кроме драйвера привода с поддержкой UDF и программы начальной разметки.
Некоторые версии записывающих программ позволяют записывать загружаемые диски. Загружаемая часть CD-ROM записывается в виде образа загрузочной дискеты или винчестера, из которого при загрузке BIOS системной платы эмулирует диск A:.

Литература

http://people.kstu.edu.ru/CSN/CDR/rab.htm
http://www.kstu.kz/~yas/theory_lw/opt_70.htm
http://bog.pp.ru/hard/cdrom.html
http://www.procd.ru/