Реклама:

Оптические диски, которые изначально использовались для записи телевизионных программ, позже стали одними из основных средств хранения информации в компьютерной индустрии. Благодаря большой емкости и низкой цене оптические диски повсеместно применяются для распространения ПО, книг, фильмов и данных других типов, а также для создания архивных копий жестких дисков.

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

В 1980 году корпорация Philips вместе с Sony разработала компакт-диски (Compact Disc, CD), которые быстро вытеснили виниловые диски, использовавшиеся для записи музыки. 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 по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO), которая представляет собой аналог таких национальных организаций стандартизации, как ANSI, DIN и т. п. У каждой такой организации есть свой номер IS (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, вышедшим на массовый рынок. Предполагается, что они будут использоваться на протяжении ста лет.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрасного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стеклянном мастер-диске. По этому мастер-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 называются лунками (pits), а ровные пространства между лунками - площадками (lands).

Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит инфракрасным светом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющие друг друга лунки и площадки. Лазер находится на той стороне диска, на которую нанесен слой смолы, поэтому лунки для лазера превращаются в выступы на ровной поверхности. Так как лунки имеют высоту в четверть длины световой волны лазера, длина световой волны, отраженной от выступа, составляет половину длины световой волны, отраженной 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 лунку от площадки. Хотя, казалось бы, проще всего использовать лунку для записи нуля, а площадку для записи единицы, для единицы надежнее оказалось использовать переход лунка-площадка или площадка-лунка, а отсутствие перехода - для нуля.

Лунки 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 спираль распрямить, ее длина составит 5,6 км. Спираль изображена на рис. 2.20.

Чтобы музыка звучала нормально, лунки 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, то, чтобы достичь желаемой скорости 120 см/с, частота вращения должна составлять 530 оборотов в минуту. Когда головка находится на внешней стороне диска, частота вращения падает до 200 оборотов в минуту, что позволяет обеспечить такую же линейную скорость. Этим компакт-диск, вращающийся с постоянной линейной скоростью, отличается от магнитного диска, вращающегося с постоянной угловой скоростью независимо от того, где в этот момент находится головка. Кроме того, частота вращения компакт-диска (530 оборотов в минуту) совершенно не соответствует частоте 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 - постоянная память на компакт-диске). Чтобы выйти на развитый к тому времени рынок аудио компакт-дисков, компьютерные компакт-диски должны были быть такого же размера, как аудиодиски, механически и оптически совместимыми с ними и производиться по той же технологии. Вследствие такого решения потребовались двигатели, работающие с низкой скоростью и способные менять скорость. Стоимость производства одного компакт-диска составляла в среднем около 1 доллара.

Диски CD-ROM

Рис. 2.20. Схема записи компакт-диска

В Желтой книге определены форматы 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 битовым ошибкам. Разметка компакт-диска состоит в кодировании каждого байта 14-разрядным символом. Как уже отмечалось, 14 бит достаточно для того, чтобы закодировать кодом Хэмминга 8-разрядный байт, при этом останется два лишних бита. На самом деле используется более мощная система кодировки. Перевод из 16- в 8-разрядную систему для считывания информации производится аппаратно с помощью поисковых таблиц.

На следующем уровне 42 последовательных символа формируют фрейм из 588 бит. Каждый фрейм содержит 192 бита данных (24 байта). Оставшиеся 396 бит 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. 2.21. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байт, первые 12 из которых образуют значение ООРРРРРРРРРРРРРРРРРРРРОО {в шестна-дцатеричной системе счисления), что дает возможность проигрывателю определять начало сектора. Следующие 3 байта содержат номер сектора. Номер 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.

Диски CD-ROM

Рис. 2.21. Схема расположения данных на компакт-диске

Желтая книга определяет два типа дисков. На рис. 2.21 показана схема расположения данных для типа 1, где преамбула составляет 16 байт, данные - 2048 байт, а код исправления ошибок - 228 байт (код Рида-Соломона). На дисках типа 2 данные и коды исправления ошибок объединяются в поле данных размером 2336 байт. 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 поддержания такой надежности необходимо 98 фреймов по 588 бит (7203 байта), чтобы получить 2048 байт полезной нагрузки. Таким образом, эффективность составляет всего 28 %.

Односкоростные устройства для чтения компакт-дисков считывают 75 секторов в секунду, что обеспечивает скорость передачи данных 153 600 байт/с для дисков типа 1 и 175 200 байт/с для дисков типа 2. Двухскоростные устройства работают в два раза быстрее и т. д., до самой высокой скорости. Стандартный аудио компакт-диск "вмещает" 74 минуты музыки, что соответствует значению 681 984 000 байт, или 650 Мбайт, так как 1 Мбайт = 220 байт (1 048 576 байт), а не 1 000 000 байт.

Отметим, что даже устройство для чтения компакт-дисков со скоростью, обозначаемой как 32х (4 915 200 байт/с), несравнимо по быстродействию с магнитным диском SCSI-2 (10 Мбайт/с), хотя многие устройства для чтения компакт-дисков используют интерфейс SCSI (кроме того, применяется интерфейс IDE). Отсюда ясно, что компакт-диски по производительности значительно уступают магнитным дискам, хотя емкость компакт-дисков гораздо выше.

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

Последняя проблема, которую нужно было разрешить при разработке компакт-дисков, - совместимость файловых систем. Чтобы можно было использовать один и тот же компакт-диск на разных компьютерах, необходимо было соглашение по поводу файловой системы для компакт-дисков. Чтобы выпустить такое соглашение, представители разных компьютерных компаний встретились на озере Тахо на границе Калифорнии и Невады и разработали файловую систему, которую они назвали High Sierra (по названию населенного пункта, в котором они собрались). Позднее эта система превратилась в международный стандарт (IS 9660). Существует три уровня этого стандарта. На уровне 1 допустимы имена файлов длиной до 8 символов, за именем файла может следовать расширение до 3 символов (соглашение по наименованию файлов в MS-DOS). Имена файлов могут содержать только буквы в верхнем регистре, цифры и символ подчеркивания. Каталоги могут вкладываться один в другой, причем допускается не более 8 уровней иерархии. Имена каталогов 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 стандарту IS 9660 уровня 1, может быть прочитан с использованием системы MS-DOS, компьютеров Apple, UNIX и практически любых других. Производители компакт-дисков считают это свойство большим плюсом.

Уровень 2 стандарта IS 9660 допускает имена файлов длиной до 32 символов, а на уровне 3 допускается несмежное расположение файлов. Расширения Rock Ridge (названные так в честь города из фильма "Горящие седла" Мела Брукса) допускают очень длинные имена файлов (для UNIX), идентификаторы UID и GID, а также символические ссылки, однако компакт-диски, не соответствующие уровню 1, читаются не на всех компьютерах.

RAID-массивы || Оглавление || Диски CD-R