Компакт-диски: технологии и стандарты

За относительно недолгую историю вычислительной техники сменилось немало видов носителей, на которых информация может храниться неопределенно долгое время: бумажные перфокарты и перфоленты, магнитные ленты, барабаны, гибкие и жесткие диски разных размеров и емкости и, наконец, магнитооптические и оптические диски. В запасе у производителей высокотехнологичных аксессуаров для компьютеров сегодня наверняка имеется немало перспективных идей в этой области, но пока все большую популярность приобретают магнитооптические и оптические диски. В данной статье речь пойдет только об оптических дисках, появившихся довольно давно, но постоянно совершенствующихся и уверенно обретающих все большую популярность.

Более распространенное название оптических дисков — "компакт-диск" или CD-ROM (кратко — CD).

CD способен хранить в небольшом физическом объеме огромное количество информации. Немаловажна возможность многократного считывания записанных данных без износа носителя, связанная с отсутствием какого-либо механического контакта читающего устройства с поверхностью, несущей информацию. К этому следует добавить относительно невысокую стоимость самих дисков и устройств, необходимых для работы с ними. Эти достоинства не могут не привлекать всех, кому приходится хранить огромные объемы данных с минимальным риском их потери. А таких становится все больше. Везде, где есть компьютеры, обязательно найдутся мощные программы, архивы и базы данных, изображения и звуки, преобразованные в цифровую форму. Все это удобно хранить на CD.

Современный CD — пластиковый диск диаметром около 120 и толщиной примерно 1 мм, имеющий в центре отверстие диаметром 15 мм. Вокруг отверстия имеется область шириной около 10 мм для зажима в шпинделе, вращающем диск. Одна сторона CD, как правило, красиво оформлена и снабжена краткой информацией о содержании записей. Другая — блестит и переливается всеми цветами радуги. На ней вокруг зажимной области имеется еще одно визуально различимое кольцо, на котором отштампован серийный номер в штриховом или ином коде, часто понятном только изготовителю диска. Далее находится область данных, которая и дает радужный эффект при рассматривании в отраженном свете. С внешнего края CD имеет прозрачное защитное кольцо небольшой ширины.

Наиболее распространенные CD имеют структуру, показанную на рис.2.

Рис. 2

На основу 1 из акрилового пластика нанесен тончайший отражающий слой 2 из алюминия. Металл покрыт прозрачной защитной поликарбонатной пленкой 3. Данные считывает лазерный луч 4. Обычный процесс изготовления CD состоит из нескольких этапов: подготовки данных к записи, изготовления мастер-диска (оригинала) и матриц (негативов мастер-диска), тиражирования CD.

Информация наносится на гладкую поверхность алюминиевого мастер-диска лазерным лучом, который, изменяя структуру металла (проще говоря, выжигая его), создает на ней микроскопические впадины. Чередование по-разному отражающих свет впадин и плоских участков представляет данные в привычной для компьютеров двоичной форме. Отметим, что размеры сформированных лазерным лучом впадин очень малы — на отрезке, длина которого не превышает толщины человеческого волоса, их может разместиться несколько десятков.

Дальнейшее напоминает изготовление обычных грампластинок. Негативные копии мастер-диска служат матрицами для прессования несущих информацию впадин на поверхности собственно CD, которые остается покрыть алюминием, нанести защитный слой и снабдить нужными надписями. Стоит заметить, что существуют и другие технологии производства CD, в том числе перезаписываемых и дозаписываемых, о некоторых из них будет рассказано ниже.

Под CD, вставленным в привод блестящей стороной вниз и закрепленным во вращающемся шпинделе, перемещается по радиусу с помощью сервомотора считывающее устройство (рис. 3).

Рис. 3

Оно состоит из полупроводникового лазера 1, светоделительной призмы 2 с объективом 3, фокусирующим луч на поверхности диска 4, и фотоприемника 5. Объектив снабжен приводами точной подстройки положения луча на информационной дорожке. Ясно, что для считывания используется лазер гораздо меньшей мощности, чем тот, которым выжигали впадины на поверхности мастер-диска.

Отраженный алюминиевой поверхностью луч призма направляет на фотоприемник. Если он отразился от блестящего островка между впадинами, в цепи фотоприемника появляется электрический ток, наличие которого интерпретируется как логическая 1. Луч, попавший во впадину, большей частью рассеивается, в результате освещенность фотоприемника и вырабатываемый им ток уменьшаются — фиксируется логический 0.

Чувствительная поверхность фотоприемника разделена на четыре сектора. Это позволяет управляющему приводом микропроцессору определить правильность позиционирования луча. Если луч отклонился от нужного положения (а это, как правило, случается из-за погрешностей изготовления CD и привода), сместится и создаваемое им на поверхности фотоприемника пятно, в результате его сектора будут освещены неодинаково. Сравнивая токи, вырабатываемые каждым из элементов приемника, микропроцессор формирует команды, корректирующие положение объектива, а, следовательно, и луча на поверхности отражающего слоя.

Как уже говорилось, данные записаны на CD в виде последовательности впадин и интервалов между ними, образующей одну физическую информационную дорожку. Именно одну, в отличие от привычного способа записи на магнитные диски. Эта единственная дорожка представляет собой спираль, начинающуюся у центра диска и раскручивающуюся к его краю. Этим CD немного напоминает традиционную грампластинку, отличаясь от нее направлением спирали и бесконтактным способом считывания данных. Дорожка начинается со служебной области, необходимой для синхронизации привода: считывающее устройство должно "знать", когда ожидать прихода каждого из записанных битов информации. Физическая дорожка может быть разделена на несколько логических.

Непрерывный поток считываемых с CD битов делится на восьмиразрядные байты, логически объединенные в сектора. Каждый сектор состоит из 12 байт синхронизации, четырех байт заголовка, содержащего номер сектора и сведения о типе записи в нем, 2048 байт основной области данных и 288 байт дополнительной информации.

Применяется несколько типов секторов. Первый из них предназначен только для цифровой звукозаписи. Второй — основной для всех CD. Его заголовок удлинен до 12 байт за счет области дополнительной информации. Оставшуюся часть этой области занимают код обнаружения ошибок считывания данных (четыре байта) и два кода, позволяющих их исправить: Р-паритет (172 байт) и Q-пaритет (104 байт). В секторах третьего типа область дополнительной информации отдана в распоряжение пользователя. Так что каждый из них может содержать до 2336 байт данных, однако без возможности контроля правильности считывания и коррекции ошибок. Каждая логическая дорожка состоит из секторов только одного типа.

В первых секторах CD записано его содержание (Volume Table of Contents, VTOC) — нечто вроде таблицы размещения файлов (FAT) на магнитных дисках. Вообще, базовый формат CD согласно стандарту HSG (о нем см. ниже) во многом напоминает формат дискеты, на нулевой дорожке которой не только указываются ее основные параметры (число дорожек, секторов и т. п.), но и хранятся сведения о размещении данных (директорий и файлов).

В системной области находятся директории с указателями или адресами областей, где хранятся данные. Существенное отличие от дискеты заключается в том, что в корневой директории CD указываются прямые адреса файлов, находящихся в поддиректориях, что существенно облегчает их поиск.

Классическая "одинарная" скорость считывания данных, с которой сегодня работают только проигрыватели аудиодисков, — 175 Кбайт/с или примерно 75 секторов в секунду. Каждая логическая дорожка, содержащая 300 секторов, воспроизводится с этой скоростью за 4 с. Весь CD, если он состоит только из секторов второго типа, содержит 663,5 Мбайт данных.

В компьютерах используются приводы CD, обеспечивающие гораздо большую скорость считывания данных за счет увеличения частоты вращения шпинделя и соответствующего изменения ряда других технических характеристик.

Музыкальные оптические CD пришли на смену виниловым с механической записью (грампластинкам) в 1982 г., почти одновременно с появлением первых персональных компьютеров фирмы IBM. Это было результатом сотрудничества двух гигантов электронной промышленности — японской фирмы Sony и голландской Philips.

Любопытна история выбора емкости CD. Исполнительный директор Sony Акио Морита решил, что новые изделия должны отвечать требованиям любителей классической музыки. После проведения опроса выяснилось, что самое популярное в Японии классическое произведение — девятая симфония Бетховена — звучит около 73 мин. Видимо, если бы японцы больше любили короткие симфонии Гайдна или оперы Вагнера, исполняемые целиком за два вечера, развитие CD могло пойти по другому пути. Но факт остается фактом. Было решено, что CD должен быть рассчитан на 74 мин и 33 секунды звучания.

Так родился стандарт, известный как "Красная книга" (Red Book). Не всех любителей музыки удовлетворила выбранная длительность звучания, но по сравнению с 45 мин недолговечных виниловых пластинок это был существенный шаг вперед. Когда 74 мин музыки пересчитали в информационную емкость, получилось около 640 Мбайт.

Две названные выше фирмы сыграли ведущую роль и в разработке первого стандарта цифровых CD — так называемой "Желтой книги" (Yellow Book). Созданные на его основе диски, способные хранить, кроме звуковых данных, также текстовые и графические, получили название CD-DA (CD-Digital Audio).

В заголовке CD-DA содержится информация, позволяющая определить тип записанных данных. Стандарт, однако, не регламентировал логический и файловый форматы записи. Их выбор был полностью доверен фирмам-производителям. В результате соответствующий требованиям "Желтой книги" CD нередко мог быть прочитан устройством только той модели, для которой он предназначен. Такое положение, особенно в связи с большим коммерческим успехом CD, разумеется, не могло удовлетворить никого. В общих интересах необходимо было срочно найти компромисс.

Вторым стандартом "де-факто" для цифровых CD стал HSG или просто High Sierra. Отметим любопытную деталь: он назван именем отеля и казино в одном из городков Калифорнии, где собрались обсудить свои проблемы основные производители CD. Этот документ носил рекомендательный характер и был предложен, чтобы обеспечить хоть какую-нибудь совместимость. В нем определялись как логический, так и файловый форматы CD. К сожалению, для книги со стандартом HSG подходящего цвета так и не нашлось. Тем не менее, он оказался настолько привлекательным, что основные положения принятого несколько позже международного стандарта ISO 9660 совпали с HSG.

ISO 9660 описывает файловую систему CD-ROM. Согласно стандарту первого уровня она напоминает аналогичную систему MS DOS: имена файлов могут содержать до восьми символов и иметь расширение из трех символов, отделенных точкой. В именах запрещены специальные символы (например, "~", "-", "=", "+"), используются только прописные (заглавные) латинские буквы, цифры и символ подчеркивания. Каждый файл снабжается номером версии, который отделяется от расширения символом ";". Имена каталогов не могут иметь расширений. Допускается вложение до восьми каталогов.

Стандарт ISO 9660 второго уровня позволяет давать файлам имена длиной до 32 символов, накладывая на их выбор описанные выше ограничения. CD, созданные по такому стандарту, непригодны для использования в ряде операционных систем, в том числе MS DOS.

Прежде чем продолжить рассказ о стандартах CD, рассмотрим понятие сеанса записи. Большинство CD относятся к односеансным (Single Session), так как все данные записаны на них за один технологический цикл или сеанс записи. Однако после того, как были разработаны соответствующие технологии и специальные диски, появилась возможность выполнять дополнительные сеансы записи, добавляя к уже имеющимся новые порции данных. К многосеансным (Multi-session) относятся CD форматов Photo CD и CD-ROM XA (extended Architecture — расширенная архитектура).

Технология Photo CD предложена фирмой Eastman Kodak в качестве средства создания и просмотра цифровых фотографий. На специальный диск можно поочередно записать в цифровой форме изображения с любых 35-миллиметровых слайдов и негативов. Но для полного считывания информации необходим PhotoCD-совместимый привод. Обычный, соответствующий стандартам HSG или ISO 9660, сможет прочесть только запись, сделанную в первом сеансе, так как во VTOC, находящейся в начале информационной дорожки, имеются сведения только о ней.

Стандарт CD-ROM XA совместим сверху с High Sierra и ISO 9660. Однако в нем заложено гораздо больше возможностей. Во-первых, он разрешает многосеансную запись. Во-вторых, можно хранить на одном и том же диске графические, текстовые и звуковые данные, причем графика может включать в себя как неподвижные картинки и анимацию, так и полноценные кинофильмы (full-motion).

Основная особенность CD-ROM XA — так называемое чередование (Interleaving) блоков разнородной информации. Например, за первым видеокадром может следовать его звуковое сопровождение, после которого располагается следующий кадр и т. д. Это способствует синхронности воспроизведения звука и изображения, существенно уменьшает необходимый объем промежуточного буфера, по сравнению с требуемым при обычном расположении данных на диске.

Другая особенность стандарта ХА — сжатие звуковых данных, что позволяет записать на один диск аудиоинформацию длительностью в несколько часов (вместо обычных 74 мин). Хотя алгоритмы сжатия самых разных данных активно применяются во многих отраслях вычислительной техники, данное преимущество CD-ROM XA пока используется не очень широко.

Очередная попытка фирм Sony и Philips исчерпывающе регламентировать не только логический и файловый форматы, но и содержимое самих файлов на цифровых CD вылилась в стандарт, известный под названием "Зеленая книга" (Green Book). Собственно, это — расширенная версия стандарта CD-ROM ХА. Приводы, соответствующие "Зеленой книге", могут читать диски форматов CD-DA, CD-ROM, CD-ROM XA, CD-InKodakPhotoCD.

Впервые упомянутый здесь формат CD-I (Interactive — интерактивный) заслуживает описания. Источниками интерактивной информации для CD-I считаются аудиои видеоустройства реального времени с расширенными возможностями обработки текстов и графики. Предполагается широкое использование компьютерных программ для обработки всех видов данных. Применительно к информационным и системным задачам в формате CD-I определяются возможные типы данных и способы их кодирования, организация необходимых средств поддержки дисковых систем. С технической точки зрения формат CD-I основан на технологии CD-ROM, но для потребителя он близок к CD-DA. На одном диске можно объединять дорожки CD-DA и CD-I записей, применять аппаратуру декодирования CD-DA в CD-I системах.

Дисками формата CD-I чаще всего пользуются в сферах образования (дистанционное обучение и самообучение с помощью справочников, альбомов, "разговаривающих" книг), развлечений (музыка с текстом, нотами, картинками, игры), организации досуга (черчение и рисование, создание кинофильмов, анимация реального времени, сочинение стихов), туризма (карты, устройства для навигации, информация о достопримечательностях), диагностики заболеваний и многих других.

Последний из действующих сегодня стандартов CD изложен в "Оранжевой книге" (Orange Book). В его первой части речь идет о магнитооптических накопителях (CD-МО), допускающих стирание и перезапись информации. Вторая часть посвящена накопителям типа WORM (Write Once Read Many — однократная запись, многократное считывание) и CD-R (Recordable — записываемый). На эти устройства данные можно только дописать. Стереть имеющуюся запись невозможно. Практически все продаваемые сейчас приводы CD отвечают требованиям второй части "Оранжевой книги" — они могут читать CD всех описанных форматов, в том числе дозаписываемые.

Рассмотренные стандарты относятся к CD, пригодным для использования на IBM-совместимых персональных компьютерах. Разумеется, существуют и форматы, предназначенные для других систем, например, Macintosh HFS для компьютеров фирмы Apple Macintosh, но их мы касаться не будем.