Компакт-диски. Классификация. Принципы чтения и записи

Содержание

Общие сведения о компакт-дисках

Формат компакт-диска

Классификация

Принцип записи CD-R

Принцип записи CD-RW

Способы записи

Литература

В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Принцип работы этих дисков — оптический. Чтение и запись осуществляется лазером. В компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Отражение интерпретируется как единица, «впадина» — как ноль. Приведу некоторые технические параметры компакт-дисков. Рабочая длина волны лазера — 780 нм. Диаметр компакт-диска 120 мм. Толщина диска 1,2 мм. Объем диска 680 Мб (74 мин аудио). Вес 14−33 г. Цепочка углублений (pits) расположена по спирали как в грампластинке, но в направлении от центра (фактически CD является устройством последовательного доступа с ускоренной перемоткой). Интервал между витками — 1.6 мкм, ширина пита — 0.5 мкм, глубина — 0.125 мкм (¼ длины волны луча лазера в поликарбонате), минимальная длина — 0.83 мкм (рис. 1).

Существуют модификации в 80 минут (700 МБ), 90 минут (791 МБ) и 99 минут (870 MB). Номинальная (1x) скорость передачи данных — 150 КБ/сек (176 400 байт/сек аудио или «сырых» данных, 4.3 Мбит/сек «физических» данных). В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных — с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.

Рассмотрим формат компакт-диска.

Поверхность диска разделена на области:

    • PCA (Power Calibration Area). Используется для настройки мощности лазера записывающим устройством. 100 элементов.
    • PMA (Program Memory Area). Сюда временно записываются координаты начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего устройства без закрытия сессии. 100 элементов.
    • Вводная область (Lead-in Area) — кольцо шириной 4 мм (диаметр 46−50 мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-in Track). Содержит TOC (абсолютные временные адреса дорожек и начала выводной области, точность — 1 секунда).
    • Область данных (program area, user data area).
    • Выводная область (Lead-out) — кольцо 116−117 мм (6750 секторов, 1.5 минуты, 13.5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).

Каждый байт данных (8 бит) кодируется 14-битным символом на носителе (кодировка EFM). Символы отделяются 3-битными промежутками, выбираемыми так, чтобы на носителе не было более 10 нулей подряд.

Из 24 байтов данных (192 бита) формируется кадр (F1-frame), 588 битов носителя, не считая промежутков:

    • синхронизация (24 бита носителя)
    • символ субкода (биты субканалов P, Q, R, S, T, U, V, W)
    • 12 символов данных
    • 4 символа контрольного кода
    • 12 символов данных
    • 4 символа контрольного кода

При декодировании могут использоваться различные стратегии обнаружения и исправления групповых ошибок (вероятность обнаружения против надежности коррекции).

Последовательность из 98 кадров образует сектор (2352 информационных байта). Кадры в секторе перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектов носителя. Адресация сектора произошла от аудиодисков и записывается в формате A-Time — mm: ss:ff (минуты:секунды:доли, доля в секунде от 0 до 74). Отсчет начинается с начала программной области, т. е. адреса секторов вводной области отрицательные. Биты субканалов собираются в 98-битные слова для каждого субканала (из них 2 бита — синхронизация). Используются субканалы:

    • P — маркировка окончания дорожки (min 150 секторов) и начала следующей (min 150 секторов).
    • Q — дополнительная информация о содержимом дорожки:
      • число каналов
      • данные или звук
      • можно ли копировать
      • признак частотных предыскажений (pre-emphasis): искусственный подъем высоких частот на 20 дБ
      • режим использования подканала
        • q-Mode 1: во вводной области здесь хранится TOC, в программной области — номера дорожки, адреса, индексы и паузы
        • q-Mode 2: каталоговый номер диска (тот же, что на штрих-коде) — 13 цифр в формате BCD (MCN, ENA/UPC EAN)
        • q-Mode 3: ISRC (International Standard Recording Code) — код страны, владельца, год и серийный номер записи
      • CRC-16

Последовательность секторов одного формата объединяется в дорожку (трек) от 300 секторов (4 секунды, см. субканал P) до всего диска. На диске может быть до 99 дорожек (номера от 1 до 99). Трек может содержать служебные области:

    • пауза — только информация субканалов, нет пользовательских данных
    • pre-gap — начало трека, не содержит пользовательских данных и состоит из двух интервалов: первый длиной не менее 1 секунды (75 секторов) позволяет «отстроиться» от предыдущего трека, второй длиной не менее 2 секунд задает формат секторов трека
    • post-gap — конец трека, не содержит пользовательских данных, длиной не менее 2 секунд

Вводная цифровая область должна завершаться постзазором. Первый цифровой трек должен начинаться со второй части предзазора. Последний цифровой трек должен завершаться постзазором. Выводная цифровая область не содержит предзазора.

Существует множество стандартов и форматов компакт-дисков — в зависимости от назначения и производителей. Приведу для примера далеко не все существующие: Audio CD (CD-DA), CD-ROM (ISO 9660, mode 1 & mode 2), Mixed-mode CD, CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture, mode 2, form 1 & form 2), Video CD, CD-I (CD-Interactive), СD-I-Ready, CD-Bridge, Photo CD (single & multi-session), Karaoke CD, CD-G, CD-Extra, I-Trax, Enhanced CD (CD Plus), Multi-session CD, CD-Text, CD-WO (Write-Once). Полное описание их займет слишком много места, и это не является целью написания данной работы.