Оптические дисковые накопители (CD)

Компакт-диски

В последние годы помимо магнитных дисков стали доступны оптические диски. Они обладают более высокой плотностью записи, чем обычные магнитные диски(Это утверждение ошибочно.)Оптические диски изначально использовались для записи телевизионных про­грамм, но позже они стали использоваться как средства хранения информации в компьютерной технике. Из-за потенциально огромной емкости оптические диски стали предметом многих исследований, и их усовершенствование происходило довольно быстро.

Первые оптические диски были изобретены голландской корпорацией Philips для хранения кинофильмов. Они имели 30 см в диаметре, выпускались под мар­кой LaserVision, но нигде, кроме Японии, не пользовались популярностью.

В 1980 году корпорация Philips вместе с Sony разработала CD (Compact Disc -компакт-диск), который быстро вытеснил виниловые диски, использовавшиеся для музыкальных записей.

Описание технических деталей компакт-диска было опубликовано в офици­альном Международном Стандарте (IS 10149), который часто называют Красной книгой (по цвету обложки). Международные Стандарты издаются Международ­ной Организацией Стандартизации, которая представляет собой аналог таких на­циональных групп стандартизации, как ANSI, DIN и т. и. У каждой такой группы есть свой IS-номер (International Standard - Международный Стандарт). Между­народный Стандарт технических характеристик диска был опубликован для того, чтобы компакт-диски от разных музыкальных издателей и проигрыватели от раз­ных производителей стали совместимыми. Все компакт-диски должны быть 120 мм в диаметре и 1,2 мм в толщину, а диаметр отверстия в середине должен составлять 15 мм. Аудио-компакт-диски были первым средством хранения цифровой инфор­мации, которое вышло на массовый рынок потребления. Предполагается, что они будут использоваться на протяжении ста лет. Пожалуйста, сравните в 2080 году работу самой последней разработки и первой партии компакт-дисков.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрас­ного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стеклянном контрольном диске. По этому контрольному диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и таким образом получается компакт-диск с тем же набо­ром отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, который в свою очередь покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы в английском языке на­зываются термином «впадина» (pit), а ровные пространства между впадинами называются термином «площадка»- (land).

Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит инфра­красным светом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющиеся впадины и площад­ки Лазер находится на той стороне диска, где слой смолы, поэюму впадины для лазера оказываются выступами на ровной поверхности Так как впадины имеют высоту в четверть длины волны света лазера, длина волны света, отраженного от впадины, составляет половину длины волны света, отраженного от окружающей выступ ровной поверхности В результате, если свет отражается от выступа, фото­детектор проигрывателя получает меньше света, чем при отражении от площадки Именно таким образом проигрыватель отличает впадину от площадки Хотя, каза­лось бы, проще всего использовать впадину для записи 0, а площадку для записи 1, более надежно использовать переход впадина/площадка или площадка/впадина для 1 и его отсутствие для 0

Впадины и площадки записываются по спирали Запись начинается на некото­ром расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм диска Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм) Если ее распрямить, ее длина составит 5,6 км Спираль изображена на рис 2 19

Чтобы музыка звучала нормально, впадины и площадки должны сменяться с постоянной линейной скоростью Следовательно, скорость вращения компакт-диска должна постепенно снижаться по мере продвижения считывающей головки от центра диска к внешнему краю Когда головка находится на внутренней сторо­не диска, скорость вращения составляет 530 оборотов в минуту, чтобы достичь желаемой скорости 120 см/с Когда головка находится на внешней стороне диска, скорость вращения падает до 200 оборотов в минуту, чтобы обеспечить такую же линейную скорость Диск с постоянной линейной скоростью отличается от магнит­ного диска, который работает с постоянной угловой скоростью, независимо от того, где находится головка в настоящий момент Кроме того, скорость вращения ком­пакт-диска (530 оборотов в минуту) очень сильно отличается от скорости враще­ния магнитных дисков, которая составляет от 3600 до 7200 оборотов в минуту

В 1984 году Philips и Sony начали использовать компакт-диски для хранения компьютерных данных. Они опубликовали Желтую книгу, в которой определили точный стандарт того, что они назвали CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory — компакт-диск — постоянное запоминающее устройство). Чтобы влить­ся в широко развернувшийся к тому времени рынок аудио-компакт-дисков, ком­пьютерные компакт-диски должны были быть такого же размера, как аудио-диски, механически и оптически совместимыми с ними и производиться по той же техно­логии. Вследствие такого решения потребовались моторы, работающие с низкой скоростью и способные менять скорость. Стоимость производства одного компакт-диска составляла в среднем меньше 1 доллара.

В Желтой книге определено форматирование компьютерных данных. В ней также описаны усовершенствованные приемы исправления ошибок, что является существенным шагом, поскольку компьютерщики, в отличие от любителей музыки, придают очень большое значение ошибкам в битах. Разметка компакт-диска состо­ит в кодировании каждого байта 14-битным символом. Как мы видели выше, 14 би­тов достаточно для того, чтобы закодировать кодом Хэмминга 8-битный байт, при этом останется два лишних бита. На самом деле используется более мощная сис- тема кодировки. Перевод из 16-битной в 8-битную систему для считывания ин-формации производится аппаратным обеспечением с помощью поисковых таблиц.

На следующем уровне 42 последовательных символа формируют фрейм из 588 битов. Каждый фрейм содержит 192 бита данных (24 байта). Оставшиеся 396 битов используются для исправления ошибок и контроля. У аудио- и компью­терных компакт-дисков эта система одинакова.

У компьютерных компакт-дисков каждые 98 фреймов группируются в сектор, как показано на рис. 2.20. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байтов, первые 12 из которых- O0FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFO0 (в шестнадцатеричной системе), что дает возможность проигрывателю определять начало сектора. Сле­дующие 3 байта содержат номер сектора, который необходим, поскольку поиск на компакт-диске, на котором данные записаны по спирали, гораздо сложнее, чем на магнитном диске, где данные записаны на концентрических дорожках. Чтобы найти определенный сектор, программное обеспечение подсчитывает, куда приблизитель­но нужно направляться; туда помещается считывающая головка, а затем начина­ется поиск преамбулы, чтобы установить, насколько верен был подсчет. Послед­ний байт преамбулы определяет тип диска.

Желтая книга определяет 2 типа дисков. Тип 1 использует расположение дан­ных, показанное на рис 2 20, где преамбула составляет 16 байтов, данные — 2048 байтов, а код с исправлением ошибок - 228 байтов (код Рида-Соломона) Тип 2 объединяет данные и коды с исправлением ошибок в поле данных на 2336 байтов. Такая схема применяется для приложений, которые не нуждаются в исправлении ошибок (или, точнее, которые не могут выделить время для этого), например аудио и видео Отметим, что для обеспечения высокой степени надежности используются три схемы исправления ошибок в пределах символа, в пределах фрейма и в преде­лах сектора Одиночные ошибки в битах исправляются на самом нижнем уровне, пакеты ошибок — на уровне фреймов, а все остаточные ошибки — на уровне сек­торов Для обеспечения такой надежности необходимо 98 фреймов по 588 битов (7203 байта), чтобы поддерживать 2048 байтов полезной нагрузки Таким образом, эффективность составляет всего 28%

Односкоростные устройства для чтения компакт-дисков считывают 75 секто­ров/с, что обеспечивает скорость передачи данных 153 600 байт/с при диске пер­вого типа и 175 200 баит/с при диске второго типа Двухскоростные устройства работают в два раза быстрее и т д, до самой высокой скорости Стандартный аудио-компакт-диск располагает емкостью для 74 минут музыки, что соответ­ствует 681 984 000 байтов Это число равно 650 Мбайт, так как 1 Мбайт=2²⁰ байтов (1 048 576 байт), а не 1 000 000 байтов

Отметим, что даже устройство для чтения компакт-дисков со скоростью, обо­значаемой как 32х (4 915 200 байт/с), не сравнимо с быстрым магнитным диском SCSI-2 (10 Мбайт/с), несмотря на то, что многие устройства для чтения компакт-дисков используют интерфейс SCSI (кроме того, применяется интерфейс EIDE). Когда вы понимаете, что время поиска составляет несколько сотен миллисекунд, становится ясно, что устройства для чтения компакт-дисков по производитель­ности сильно уступают магнитным дискам, хотя емкость компакт-дисков гораздо выше¹.

В 1986 году корпорация Philips опубликовала Зеленую книгу, добавив графи­ку и возможность помещать аудио-, видео- и обычные данные в одном секторе, что было необходимо для мультимедийных компакт-дисков

Последняя проблема, которую нужно было разрешить при разработке компакт-дисков, - совместимость файловой системы Чтобы можно было использовать один и тот же компакт-диск на разных компьютерах, необходимо было соглашение по поводу файловой системы компакт-дисков Чтобы выпустить такое соглашение, представители разных компьютерных компаний встретились на озере Тахо в Хай-Сьерраз (the High Sierras) на границе Калифорнии и Невады и разработали фай­ловую систему, которую они назвали High Sierra Позднее эта система преврати­лась в Международный Стандарт (IS 9660) Существует три уровня этого стандарта На первом уровне допустимы имена файлов до 8 символов, за именем файла мо­жет следовать расширение до трех символов (соглашение для наименования фай­лов в MS-DOS) Имена файлов могут содержать только прописные буквы, цифры и символ подчеркивания Директории могут вкладываться одна в другую, причем допускается не более 8 иерархических ступеней. Имена директорий могут не со­держать расширения. На первом уровне требуется, чтобы все файлы были смеж­ными, что не представляет особых трудностей в случае с носителем, на который информация записывается только один раз. Любой компакт-диск, который со­ответствует Международному Стандарту IS 9660 первого уровня, может быть прочитан с использованием системы MS-DOS, компьютеров Apple, Unix и прак­тически любого другого компьютера. Производители компакт-дисков считают это свойство большим плюсом.

Второй уровень Международного Стандарта IS 9660 допускает имена файлов до 32 символов, а на третьем уровне допускается несмежное расположение фай­лов. Расширения Rock Ridge (названные так причудливо в честь города в фильме Джина Уайлдера «Горящие седла») допускают очень длинные имена файлов (для Unix), UID, GID и символические связи, но компакт-диски, не соответствующие первому уровню, не будут читаться на всех компьютерах

Компакт-диски стали очень популярны для распространения компьютерных игр, художественных фильмов, энциклопедий, атласов и различного рода справоч­ников. В настоящее время на компакт-дисках выпускается большая часть коммер­ческого программного обеспечения. Сочетание большой вместимости и низкой цены делает компакт-диски подходящими для бесчисленного множества прило­жений.