Вопрос № 14. Внешняя память персонального компьютера: оптические диски (cd-rom, cd-r, cd-rw)

Оптические диски, которые изначально использовались для записи музыки и 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 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 изготавливался 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. 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.

Рис. 1. Схема записи компакт-диска

CD-ROM

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.

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. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байт, первые 12 из которых образуют значение 00FFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00 в (шестнадцатеричной 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.

Желтая книга определяет два типа дисков. На дисках для типа 1 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, 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, однако компакт-диски, не соответствующие уровню 1, читаются не на всех компьютерах.

CD-R

Вначале оборудование, необходимое для изготовления мастер-дисков (как аудио, так и компьютерных), было очень дорогим. Но, как это обычно происходит в компьютерной промышленности, ничего не остается дорогим слишком долго. К середине 90-х годов записывающие устройства для компакт-дисков размером не больше проигрывателя стали обычными и общедоступными, их можно было приобрести в любом магазине компьютерной техники. Эти устройства все еще отличались от магнитных дисков, поскольку информацию, записанную однажды на компакт-диск, уже нельзя было стереть. Тем не менее, они быстро нашли сферу применения в качестве дополнительных носителей информации, а основными носителями продолжали служить жесткие диски. Кроме того, отдельные лица и маленькие компании получили возможность выпускать собственные компакт-диски небольшими партиями или производить мастер-диски и отправлять их на крупные коммерческие предприятия, занимающиеся изготовлением копий. Такие диски называются CD-R (CD-Recordable — записываемый компакт-диск). Основой диска CD-R является 120-миллиметровая поликарбонатная заготовка. Такие же заготовки используются при производстве дисков CD-ROM. Однако диски CD-R отличаются от дисков CD-ROM тем, что содержат канавку шириной 0,6 мм, призванную направлять лазер при записи. Для поддержания постоянной обратной связи канавка имеет синусоидальную форму с отклонением 0,3 мм и частотой ровно 22,05 кГц, чтобы можно было точно определить скорость вращения и в случае необходимости отрегулировать ее. CD-R выглядел как обычный диск, только он не серебристого, а золотистого цвета, так как для изготовления отражающего слоя вместо алюминия использовалось золото. В отличие от обычных компакт-дисков, лунки и площадки на дисках CD-R имитируются путем изменения отражающей способности поверхности. Для этого между слоем поликарбоната и отражающим слоем золота помещается слой красителя (рис. 2.22). Используются два вида красителя: цианин зеленого цвета и цианин желтовато-оранжевого цвета. Химики могут спорить до бесконечности, который из них лучше. Эти красители напоминают те, что используются в фотографии, и именно поэтому компании Kodak и Fuji являлись основными производителями дисков CD-R.

Рис. 2. Поперечное сечение диска CD-R и лазера (масштаб не соблюден).

Обычный компакт-диск имеет близкую структуру, но у него отсутствует слой красителя, а вместо слоя золота используется слой алюминия с лунками.

На начальной стадии слой красителя прозрачен, что дает возможность свету лазера проходить сквозь него и отражаться от слоя золота. При записи информации мощность лазера увеличивается до 8-16 мВт. Когда луч достигает красителя, краситель нагревается, и в результате разрушается химическая связь. Такое изменение молекулярной структуры создает темное пятно. При чтении (когда мощность лазера составляет 0,5 мВт) фотодетектор улавливает разницу между темными пятнами, где краситель был поврежден, и прозрачными областями, где краситель остался нетронутым. При воспроизведении диска даже на обычном устройстве для считывания компакт-дисков или на аудиопроигрывателе это различие воспринимается как разница между лунками и площадками традиционного диска CD-ROM.

Ни один новый вид компакт-дисков не обходился без публикации параметров в книге определенного цвета. В случае с CD-R это была Оранжевая книга, вышедшая в 1989 году. Этот документ описывает диск CD-R, а также новый формат, CD-ROM XA, который позволяет записывать информацию на CD-R постепенно (несколько секторов сегодня, несколько завтра, несколько через месяц и т. д.).

Группа последовательных секторов, записываемых за 1 раз, называется дорожкой. Одним из первых применений формата CD-R стал фотокомпакт-диск фирмы Kodak. При использовании этой технологии экспонированная пленка и фотокомпакт-диск со старыми снимками вставляются в проявочную машину, которая выдает компакт-диск обратно, предварительно дописав на него (после старых снимков) снимки с экспонированной пленки. Новый пакет данных, полученный в результате сканирования негативов, записывается на компакт-диск в виде отдельной дорожки. Такой способ записи необходим, поскольку заготовки для дисков CD-R слишком дорого стоили и записывать каждую новую пленку на новый диск невыгодно.

Однако с появлением этой технологии записи возникла новая проблема. До выхода Оранжевой книги в начале всех компакт-дисков находилась единая таблица VTOC (Volume Table of Contents — таблица оглавления диска), из-за которой дописывать информацию на диск было невозможно. Решением проблемы стало предложение назначать каждой дорожке диска свою таблицу VTOC. В число файлов, перечисленных в таблице VTOC, могут включаться все файлы с предыдущих дорожек или некоторые из них. После того как диск CD-R вставляется в считывающее устройство, операционная система начинает искать среди дорожек самую последнюю таблицу VTOC, которая и отражает текущее состояние диска.

Если в таблице VTOC перечислить только некоторые, а не все файлы с имеющихся дорожек, может создаться впечатление, что файлы удалены. Дорожки можно группировать в сессии. В этом случае мы говорим о многосессионных компакт-дисках. Старые аудиопроигрыватели не могут работать с многосекционными компакт-дисками, поскольку пытаются искать единую таблицу VTOC в начале диска.

Каждая дорожка должна записываться непрерывно без остановок. Поэтому жесткий диск, с которого поступают данные, должен работать достаточно быстро, чтобы вовремя их доставлять. Если копируемые файлы расположены в разных частях жесткого диска, длительное время поиска может послужить причиной остановки потока данных, поступающих на CD-R, и, следовательно, причиной недобора данных в буфере. В результате у вас появится замечательная блестящая (правда, дороговатая) подставка для стаканов и бутылок. Программное обеспечение CD-R обычно предлагает задать специальный параметр, предназначенный для предварительного сбора всех необходимых файлов в единый блок. То есть до передачи файлов на CD-R создается копия компакт-диска объемом 650 Мбайт.

Однако этот процесс обычно удваивает время записи, требует 650 Мбайт свободного дискового пространства.

С появлением дисков CD-R отдельные пользователи и компании получили возможность без труда копировать компьютерные и музыкальные компакт-диски, причем иногда с нарушением авторских прав. Были придуманы разные средства, препятствующие производству пиратской продукции и затрудняющие чтение компакт-дисков с помощью программного обеспечения, разработанного не производителем данного диска.

CD-RW

Хотя люди привыкли иметь дело с такими носителями информации, перезаписать которые невозможно (как, например, бумага, фотопленка или виниловая пластинка), спрос на перезаписываемые компакт-диски все равно остается. В настоящее время появилась технология CD-RW (CD-ReWritable —перезаписываемый компакт-диск), в которой используется носитель такого же размера, как и для дисков CD-R, однако вместо красителя (цианина или пталоцианина) при производстве CD-RW в качестве слоя записи применяется сплав серебра, индия, сурьмы и теллура. Этот сплав имеет два состояния: кристаллическое и аморфное, которые обладают разной отражательной способностью.

Устройства для записи компакт-дисков снабжены лазером с тремя уровнями мощности. При самой высокой мощности лазер расплавляет сплав, меняя его состояние из кристаллического с высокой отражательной способностью в аморфное с низкой отражательной способностью, так получается лунка. При средней мощности сплав расплавляется и возвращается обратно в естественное кристаллическое состояние, при этом лунка снова превращается в площадку. При низкой мощности лазер определяет состояние материала (обеспечивая считывание информации), никакой смены состояний при этом не происходит. Диски CD-RW не заменили собой диски CD-R, поскольку заготовки для дисков CD-RW несколько дороже заготовок CD-R. Кроме того, для приложений, ориентированных на создание резервных копий жестких дисков, большим плюсом является тот факт, что с CD-R нельзя случайно стереть информацию.