CD-ROM - CD-ROM

CD-ROM ( / ˌ с я д я г ɒ м / , компакт - диск , память только для чтения ) представляет собой предварительно прессуют оптический компакт - диск , который содержит данные . Компьютеры могут читать, но не могут записывать или стирать CD-ROM, т. Е. Это тип постоянной памяти .

История

В 1990-х годах компакт-диски широко использовались для распространения программного обеспечения и данных для компьютеров и игровых консолей пятого поколения . Некоторые компакт-диски, называемые расширенными компакт-дисками , содержат как компьютерные данные, так и аудио, причем последние могут быть воспроизведены на проигрывателе компакт-дисков , тогда как данные (например, программное обеспечение или цифровое видео) можно использовать только на компьютере (например, ПК в формате ISO 9660). ПЗУ).

Самая ранняя теоретическая работа по хранению на оптических дисках была сделана независимыми исследователями в Соединенных Штатах, включая Дэвида Пола Грегга (1958) и Джеймса Рассела (1965–1975). В частности, патенты Грегга были использованы в качестве основы спецификации LaserDisc, которая была совместно разработана MCA и Philips после того, как MCA приобрела патенты Грегга, а также основанную им компанию Gauss Electrophysics. LaserDisc был непосредственным предшественником компакт-диска, с основным отличием в том, что LaserDisc кодировал информацию посредством аналогового процесса, тогда как компакт-диск использовал цифровое кодирование.

Ключевая работа по оцифровке оптического диска была выполнена Тоши Дои и Кеес Шухамер Имминк в 1979–1980 годах, которые работали в рабочей группе для Sony и Phillips. Результатом стал компакт-диск Digital Audio (CD-DA), разработанный в 1980 году. CD-ROM был позже разработан как расширение CD-DA и адаптировал этот формат для хранения любых форм цифровых данных с начальной емкостью. 553 МБ . Sony и Philips создали технический стандарт , определяющий формат CD-ROM в 1983 году, который впоследствии стал называться « Желтой книгой» . Одна из набора книг в цветном переплете, которые содержат технические характеристики для всех форматов компакт-дисков, Желтая книга определяет формат для дисков с максимальной емкостью 650 МБ. Компакт-диск был анонсирован в 1984 году и представлен Denon и Sony на первой японской компьютерной выставке COMDEX в 1985 году.

CD-ROM
CD-ROM.png
Традиционный компакт-диск
Тип СМИ Оптический диск
Кодирование Разные
Емкость 194 МБ (8 см), 650–900 МБ (12 см)
 Механизм чтения Лазерный диод 600-780 нм, 150 КБ / с (1 ×; 150 × 2 · 10 ), 10800 КБ / с (72 ×)
Написать  механизм Прессованная форма
Стандарт ISO / IEC 10149
использование Хранилище данных

CD-ROM начал использоваться в домашних игровых приставках, начиная с PC Engine CD-ROM² (TurboGrafx-CD) в 1988 году, в то время как приводы CD-ROM также стали доступны для домашних компьютеров к концу 1980-х годов. К началу 1990 года в Японии было продано около 300 000 проигрывателей компакт-дисков, а в Соединенных Штатах ежемесячно выпускалось 125 000 дисков CD-ROM. В 1990 году Data East продемонстрировала игровую системную плату , поддерживающую CD-ROM, похожую на видеоигры с лазерными дисками 1980-х годов, но с цифровыми данными, что обеспечивает большую гибкость, чем старые игры с лазерными дисками.

CD-ROM диски

Средства массовой информации

Компакт-диск в лотке частично открытого DVD-дисковода.

Компакт-диски внешне идентичны аудио-компакт-дискам , и данные хранятся и извлекаются очень похожим образом (отличаясь от аудио-компакт-дисков только стандартами, используемыми для хранения данных). Диски изготовлены из поликарбонатного пластика толщиной 1,2 мм с тонким слоем алюминия для создания отражающей поверхности. Наиболее распространенный размер CD-ROM - 120 мм в диаметре, хотя стандартный мини-компакт-диск меньшего размера имеет диаметр 80 мм, а также компакт-диски различных форм и нестандартных размеров (например, носители размером с визитную карточку ), также доступны.

Данные хранятся на диске в виде серии микроскопических углублений, называемых «ямками», с пустыми промежутками между ними, называемыми «землями». На отражающую поверхность диска попадает лазерный луч, чтобы определить рисунок ямок и уступов. Поскольку глубина ямы составляет примерно от одной четверти до одной шестой длины волны лазерного излучения используется для чтения диска, отраженного луч «сек фаза сдвинута по отношению к входящему пучку, что приводит к деструктивной интерференции и уменьшение отраженному интенсивность луча. Это преобразуется в двоичные данные.

Стандарт

Для данных, хранящихся на компакт-дисках, используются несколько форматов, известных как « Радужные книги» . Желтая книга , опубликованная в 1988 году, определяет спецификации для CD-ROM, стандартизирован в 1989 году , как ISO / IEC 10149 / ECMA -130 стандарта. Стандарт CD-ROM основан на оригинальном стандарте Red Book CD-DA для аудио компакт-дисков. Другие стандарты, такие как Белая книга для видео компакт-дисков , дополнительно определяют форматы на основе спецификаций CD-ROM. Сама « Желтая книга» не находится в свободном доступе, но стандарты с соответствующим содержанием можно бесплатно загрузить с сайтов ISO или ECMA.

Существует несколько стандартов, которые определяют, как структурировать файлы данных на компакт-диске. ISO 9660 определяет стандартную файловую систему для CD-ROM. ISO 13490 является усовершенствованием этого стандарта, который добавляет поддержку непоследовательных дисков с однократной записью и перезаписываемых дисков, таких как CD-R и CD-RW , а также нескольких сеансов . Стандарт ISO 13346 был разработан для устранения большинства недостатков ISO 9660, и его часть превратилась в формат UDF , который был принят для DVD . Спецификация загрузочного компакт-диска была выпущена в январе 1995 года, чтобы заставить компакт-диск имитировать жесткий диск или дискету , и называется El Torito .

Формат CD-ROM

Данные, хранящиеся на компакт-дисках, соответствуют стандартным методам кодирования данных компакт-дисков, описанным в спецификации Красной книги (изначально определенной только для аудио-компакт-дисков ). Это включает в себя перекрестное чередование кодирования Рида – Соломона (CIRC), модуляцию от восьми до четырнадцати (EFM) и использование ямок и площадок для кодирования битов на физической поверхности компакт-диска.

Структуры, используемые для группировки данных на CD-ROM, также взяты из Красной книги . Подобно аудио компакт-дискам (CD-DA), сектор CD-ROM содержит 2352 байта пользовательских данных, состоящих из 98 кадров, каждый из которых состоит из 33 байтов (24 байта для пользовательских данных, 8 байтов для исправления ошибок и 1 байт для субкод). В отличие от аудио-компакт-дисков, данные, хранящиеся в этих секторах, соответствуют любому типу цифровых данных, а не аудиосэмплам, закодированным в соответствии со спецификацией аудио-компакт-диска. Для структурирования, адресации и защиты этих данных стандарт CD-ROM дополнительно определяет два режима сектора, режим 1 и режим 2, которые описывают два разных макета для данных внутри сектора. Дорожка (группа секторов) внутри CD-ROM содержит только сектора в том же режиме, но если несколько дорожек присутствуют в CD-ROM, каждая дорожка может иметь свои сектора в другом режиме от остальной части дорожек. Они также могут сосуществовать с дорожками звукового компакт-диска, как в случае компакт-дисков со смешанным режимом .

Структура сектора

Оба сектора режима 1 и 2 используют первые 16 байтов для информации заголовка , но отличаются в оставшихся 2336 байтах из-за использования байтов исправления ошибок . В отличие от аудио компакт-диска, компакт-диск не может полагаться на маскирование ошибок с помощью интерполяции ; требуется более высокая надежность полученных данных. Для улучшения исправления и обнаружения ошибок режим 1, используемый в основном для цифровых данных, добавляет 32-битный код циклического избыточного кода (CRC) для обнаружения ошибок и третий уровень исправления ошибок Рида-Соломона с использованием продукта Рида-Соломона. как Код (RSPC). Таким образом, режим 1 содержит 288 байтов на сектор для обнаружения и исправления ошибок, оставляя 2048 байтов на сектор для данных. Режим 2, который больше подходит для данных изображения или видео (где безупречная надежность может быть немного менее важной), не содержит дополнительных байтов обнаружения или исправления ошибок, поэтому в каждом секторе имеется 2336 доступных байтов данных. Обратите внимание, что оба режима, как и аудио компакт-диски, по-прежнему выигрывают от нижних уровней исправления ошибок на уровне кадра.

Перед сохранением на диске описанными выше методами каждый сектор CD-ROM скремблируется, чтобы предотвратить отображение некоторых проблемных шаблонов. Затем эти скремблированные сектора следуют тому же процессу кодирования, который описан в Красной книге, чтобы в конечном итоге быть сохраненными на компакт-диске.

В следующей таблице показано сравнение структуры секторов на CD-DA и CD-ROM:

Формат ← Структура сектора 2352 байта →
Цифровое аудио CD: 2352 (цифровой звук)
CD-ROM, режим 1: 12 (шаблон синхронизации) 3 (адрес) 1 (Режим, 0x01) 2,048 (Данные) 4 (Обнаружение ошибки) 8 (Зарезервировано, ноль) 276 (Исправление ошибок)
CD-ROM Mode 2: 12 (шаблон синхронизации) 3 (адрес) 1 (Режим, 0x02) 2336 (Данные)

Чистая скорость передачи байтов CD-ROM Mode-1, основанная на сравнении со стандартами аудио CD-DA, составляет 44100 Гц × 16 бит / выборку × 2 канала × 2048/2352/8 = 150 КБ / с (150 × 2 · 10 ). Это значение, 150 КБ / с, определяется как «1-кратная скорость». Следовательно, для CD-ROM в режиме 1 привод 1 × CD-ROM читает 150/2 = 75 последовательных секторов в секунду.

Время воспроизведения стандартного компакт-диска составляет 74 минуты или 4 440 секунд, содержащихся в 333 000 блоках или секторах . Следовательно, чистая емкость CD-ROM режима 1 составляет 650 МБ (650 × 2 20 ). Для 80-минутных компакт-дисков емкость составляет 703 МБ.

CD-ROM XA extension

CD-ROM XA - это расширение стандарта Yellow Book для CD-ROM, которое объединяет сжатые аудио-, видео- и компьютерные данные, обеспечивая одновременный доступ ко всем. Он был задуман как мост между CD-ROM и CD-i ( Зеленая книга ) и был опубликован Sony и Philips при поддержке Microsoft в 1991 году, впервые анонсирован в сентябре 1988 года. «XA» означает расширенную архитектуру.

CD-ROM XA определяет две новые схемы расположения секторов, называемые Mode 2 Form 1 и Mode 2 Form 2 (которые отличаются от оригинального Mode 2). XA Mode 2 Form 1 аналогична структуре Mode 1, описанной выше, и может чередоваться с секторами XA Mode 2 Form 2; он используется для данных. XA Mode 2 Form 2 содержит 2324 байта пользовательских данных и аналогичен стандартному Mode 2, но с добавленными байтами обнаружения ошибок (без исправления ошибок). Он может чередоваться с секторами XA Mode 2 Form 1 и используется для аудио / видеоданных. Видео CD , Super Video CD , Photo CD , Enhanced Music CD и CD-i используют эти режимы секторов.

В следующей таблице показано сравнение структуры секторов в режимах CD-ROM XA:

Формат ← Структура сектора 2352 байта →
CD-ROM XA Mode 2, Form 1: 12 (шаблон синхронизации) 3 (адрес) 1 (режим) 8 (Подзаголовок) 2,048 (Данные) 4 (Обнаружение ошибки) 276 (Исправление ошибок)
CD-ROM XA Mode 2, Form 2: 12 (шаблон синхронизации) 3 (адрес) 1 (режим) 8 (Подзаголовок) 2,324 (Данные) 4 (Обнаружение ошибки)

Образы дисков

Когда создается образ диска CD-ROM, это может быть сделано либо в «сыром» режиме (извлечение 2352 байта на сектор, независимо от внутренней структуры), либо с получением только полезных данных сектора (2048/2336/2352 / 2324 байта в зависимости от режима CD-ROM). Размер файла образа диска, созданного в необработанном режиме, всегда кратен 2352 байтам (размеру блока). Форматы образов дисков, в которых хранятся необработанные сектора CD-ROM, включают CCD / IMG , CUE / BIN и MDS / MDF . Размер образа диска, созданного из данных в секторах, будет зависеть от типа используемых секторов. Например, если образ CD-ROM в режиме 1 создается путем извлечения только данных каждого сектора, его размер будет кратен 2048; Обычно это происходит с образами дисков ISO .

На 74-минутный CD-R можно разместить образы дисков большего размера в необработанном режиме, до 333 000 × 2352 = 783 216 000 байт (~ 747 МБ). Это верхний предел для необработанных изображений, созданных на компакт-диске Red Book объемом 74 мин или ≈650 МБ . Увеличение на 14,8% связано с отбрасыванием данных для исправления ошибок.

Производство

Предварительно запрессованные CD-ROM производятся серийно путем штамповки, при которой стеклянный мастер-диск создается и используется для изготовления «штамповщиков», которые, в свою очередь, используются для изготовления нескольких копий окончательного диска с уже имеющимися ямками. Записываемые ( CD-R ) и перезаписываемые ( CD-RW ) диски производятся другим способом, при котором данные записываются на них с помощью лазера, изменяющего свойства красителя или материала с фазовым переходом в процессе, который часто называют « горящий ».

Емкость

На компакт-диске можно легко хранить все слова и изображения бумажной энциклопедии, а также аудио- и видеоклипы.

Емкость CD-ROM обычно выражается двоичными префиксами , вычитая пространство, используемое для данных исправления ошибок. Стандартный 120-миллиметровый компакт-диск объемом 700 МБ фактически может вместить около 703 МБ данных с исправлением ошибок (или всего 847 МБ). Для сравнения, однослойный DVD-ROM может содержать 4,7 ГБ (4,7 × 10 9 ) данных с защитой от ошибок, то есть более 6 CD-ROM.

Емкость типов компакт-дисков (90- и 99-минутные диски не входят в стандартную комплектацию)
Тип Секторов Данные (режим 1) макс. размер Аудио макс. размер Время
( МБ ) Прибл. (1 = 2 20 ) (МБ) ( мин )
8 см 94 500 193 536 184,570 222,264 21 год
283 500 580,608 553,711 666,792 63
650 МБ 333 000 681,984 650,391 783 216 74
700 МБ 360 000 737,280 703,125 846,720 80
800 МБ 405 000 829,440 791,016 952,560 90
900 МБ 445 500 912,384 870,117 1 047 816 99
Примечание. Значения в мегабайтах (МБ) и минутах (мин) являются точными; (1 = 2 20 ) значения являются приблизительными.

CD-ROM приводы

Вид на разобранную лазерную систему привода CD-ROM
Движение лазера позволяет читать в любом месте компакт-диска.
Лазерная система привода CD-ROM

Диски CD-ROM читаются с помощью приводов CD-ROM. Привод компакт-дисков может быть подключен к компьютеру через интерфейс IDE ( ATA ), SCSI , SATA , FireWire или USB или собственный интерфейс, такой как интерфейс компакт-дисков Panasonic , стандарты LMSI / Philips, Sony и Mitsumi. Практически все современные приводы CD-ROM могут также воспроизводить аудио компакт-диски (а также видео компакт-диски и другие стандарты данных) при использовании с правильным программным обеспечением.

Лазер и оптика

В приводах компакт-дисков используется лазерный диод с длиной волны 780 нм, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне . Лазерный луч направляется на диск через оптико-электронный модуль слежения, который затем определяет, был ли луч отражен или рассеян.

Скорость передачи

Исходная скорость

Приводы CD-ROM имеют коэффициент скорости относительно музыкальных компакт-дисков. Если CD-ROM читается с той же скоростью вращения, что и аудио CD , скорость передачи данных составляет 150 КБ / с, обычно называемая «1 ×» (с постоянной линейной скоростью, сокращенно «CLV» ). При такой скорости передачи данных дорожка движется под лазерным пятном со скоростью около 1,2 м / с. Для поддержания этой линейной скорости при перемещении оптической головки в различные положения угловая скорость варьируется от примерно 500 об / мин на внутреннем крае до 200 об / мин на внешнем крае. Рейтинг скорости 1x для CD-ROM (150 КБ / с) отличается от рейтинга скорости 1x для DVD (1,32 МБ / с).

Повышение скорости

Увеличивая скорость вращения диска, данные могут передаваться с большей скоростью. Например, привод CD-ROM, который может читать с 8-кратной скоростью, вращает диск со скоростью от 1600 до 4000 об / мин, обеспечивая линейную скорость 9,6 м / с и скорость передачи 1200 КБ / с. При скорости выше 12 × большинство приводов считывают данные с постоянной угловой скоростью (CAV, постоянные об / мин), так что двигатель не переключается с одной скорости на другую, когда головка перемещается с места на место на диске. В режиме CAV число «×» обозначает скорость передачи на внешнем крае диска, где она максимальна. 20 × считалось максимальной скоростью из-за механических ограничений, пока Samsung Electronics не представила SCR-3230, 32-кратный привод CD-ROM, который использует систему шарикоподшипников для балансировки вращающегося диска в приводе, чтобы уменьшить вибрацию и шум. По состоянию на 2004 год самая высокая обычно доступная скорость передачи составляла около 52 × или 10400 об / мин и 7,62 МБ / с. Более высокие скорости вращения ограничены прочностью поликарбонатного пластика, из которого сделаны диски. При 52x линейная скорость самой внешней части диска составляет около 65 м / с. Тем не менее, улучшения все же можно получить, используя несколько лазерных датчиков, как продемонстрировал Kenwood TrueX 72 ×, который использует семь лазерных лучей и скорость вращения примерно 10 ×.

Первый привод 12 × был выпущен в конце 1996 года. При скорости выше 12 × возникают проблемы с вибрацией и нагревом. Приводы CAV обеспечивают скорость до 30 × на внешнем крае диска при той же скорости вращения, что и стандартная ( постоянная линейная скорость , CLV) 12 × или 32 × с небольшим увеличением. Однако из-за характера CAV (линейная скорость на внутреннем крае все еще только 12х, плавно увеличиваясь между ними) фактическое увеличение пропускной способности составляет менее 30/12; фактически, примерно в 20 раз больше для полностью полного диска и даже меньше для частично заполненного.

Физические ограничения

Проблемы с вибрацией, обусловленные ограничениями достижимой симметрии и прочности в массовых носителях, означают, что скорость приводов CD-ROM не сильно увеличилась с конца 1990-х годов. Спустя более 10 лет широко доступные приводы варьируются от 24 × (компактные и портативные устройства, 10 × скорость вращения) до 52 × (обычно устройства для компакт-дисков и только для чтения, 21 × скорость вращения), все используют CAV для достижения заявленной " max "скорости, от 32 × до 48 × наиболее распространены. Даже в этом случае эти скорости могут вызвать плохое считывание (исправление ошибок привода стало очень сложным в ответе) и даже разрушение плохо сделанного или физически поврежденного носителя, с небольшими трещинами, быстро перерастающими в катастрофические поломки при центростремительной нагрузке на 10 000–13 000 об / мин (т. Е. 40 –52 × CAV). Высокие скорости вращения также создают нежелательный шум из-за вибрации диска, воздушного потока и самого двигателя шпинделя. Большинство приводов 21-го века допускают принудительные низкоскоростные режимы (с использованием небольших служебных программ) в целях безопасности, точного чтения или молчания и автоматически отключаются, если встречаются многочисленные последовательные ошибки чтения и повторные попытки.

Обходные пути

Были опробованы и другие методы повышения скорости чтения, такие как использование нескольких оптических лучей, увеличение пропускной способности до 72 × при 10 × скорости вращения, но наряду с другими технологиями, такими как носители записи 90 ~ 99 минут, GigaRec и компакт-диски двойной плотности ( Purple Книжный стандарт), их полезность была сведена на нет с появлением бытовых приводов DVD-ROM, способных обеспечивать постоянную 36-кратную эквивалентную скорость CD-ROM (4x DVD) или выше. Кроме того, с компакт-диском объемом 700 МБ, полностью читаемым менее чем за 2½ минуты при 52 × CAV, увеличение фактической скорости передачи данных оказывает меньшее влияние на общую эффективную скорость привода, если принять во внимание другие факторы, такие как загрузка / выгрузка, распознавание носителей и т. Д. время вращения вверх / вниз и случайное время поиска, что значительно снижает отдачу от инвестиций в разработку. Подобный эффект расслоения с тех пор наблюдался при разработке DVD, где максимальная скорость стабилизировалась на уровне 16 × CAV (в исключительных случаях - между 18 × и 22 ×), а емкость - на уровне 4,3 и 8,5 ГБ (однослойный и двухслойный), с более высокой скоростью и емкостью. вместо этого нужно обслуживать приводы Blu-ray.

Рейтинги скорости

Записываемые компакт-диски часто продаются с тремя различными номиналами скорости: одна скорость для операций однократной записи, одна для операций повторной записи и одна для операций только для чтения. Скорости обычно указываются в таком порядке; то есть привод компакт-дисков 12 × / 10 × / 32 × может, если позволяют ЦП и носитель, записывать диски CD-R со скоростью 12 × (1,76 МБ / с), записывать на диски CD-RW со скоростью 10 × (1,46 МБ / с). с) и чтение с компакт-дисков на 32-кратной скорости (4,69 МБ / с).

Таблица скорости

Общие скорости передачи данных для приводов CD-ROM
Скорость передачи КБ / с Мбит / с МБ / с Об / мин (от внешнего к внутреннему краю)
1 × 150 1,2288 0,146 200–530
2 × 300 2,4576 0,293 400–1 060
4 × 600 4,9152 0,586 800–2 120
8 × 1,200 9,8304 1.17 1,600–4,240
10 × 1,500 12 288 1,46 2 000–5 300
12 × 1,800 14,7456 1,76 2,400–6,360
20 × 1,200–3,000 до 24 576 до 2,93 4000 ( CAV )
24 × 1,440–3,600 до 29 491 до 3,51 4800 ( CAV )
32 × 1 920–4 800 до 39,3216 до 4,69 6400 ( CAV )
36 × 2 160–5 400 до 44,2368 до 5,27 7200 ( CAV )
40 × 2 400–6 000 до 49,152 до 5,86 8000 ( CAV )
48 × 2 880–7 200 до 58,9824 до 7.03 9600 ( CAV )
52 × 3 120–7 800 до 63,8976 до 7,62 10400 ( CAV )
56 × 3 360–8 400 до 68,8128 до 8.20 11 200 ( CAV )
72 × 6 750–10 800 до 88,4736 до 10,5 2700 (многолучевой)

Проблемы авторского права

Дистрибьюторы программного обеспечения, и в особенности распространители компьютерных игр, часто используют различные схемы защиты от копирования, чтобы предотвратить запуск программного обеспечения с любых носителей, кроме оригинальных компакт-дисков. Это несколько отличается от защиты аудио компакт-дисков тем, что обычно реализуется как на носителе, так и в самом программном обеспечении. Сам CD-ROM может содержать «слабые» сектора, затрудняющие копирование диска, и дополнительные данные, которые может быть трудно или невозможно скопировать на CD-R или образ диска, но которые программа проверяет при каждом запуске. чтобы убедиться, что в дисководе компакт-дисков компьютера находится оригинальный диск, а не его несанкционированная копия.

Музыкальная индустрия поощряет производителей записывающих устройств компакт-дисков ( CD-R или CD-RW ), чтобы каждый привод, который они производят, имел уникальный идентификатор, который будет закодирован приводом на каждом диске, который он записывает: RID или идентификатор записывающего устройства. Код. Это аналог кода идентификации источника (SID), восьмизначного кода, начинающегося с « IFPI », который обычно проштампован на дисках, производимых предприятиями по записи компакт-дисков.

Смотрите также

Примечания

использованная литература