Міністерство освіти РФ
Іркутський державний технічний університет
Кафедра АС
Курсова робота
«Компакт-диски. Класифікація. Принципи читання і запису »
Виконав: ст. гр. АСУ-99-1
Біляєв В. А.
Прийняв: Бахвалов С. В.
Іркутськ, 2002 рік
Зміст
Загальні відомості про компакт-дисках ... ... ... ... ... ... 3
Формат компакт-диска ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4
Класифікація ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
Принцип запису CD-R ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .6
Принцип запису CD-RW ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .7
Способи запису ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
У 1982 році фірми Sony і Philips завершили роботу над форматом CD -аудіо (Compact Disk), відкривши тим самим еру цифрових носіїв на компакт -дисках. Принцип роботи цих дисків - оптичний. Читання та записздійснюється лазером. У компакт-диску дані кодуються і записуються ввигляді послідовності відображають і не відображають ділянок. Відображенняінтерпретується як одиниця, «западина» - як нуль. Наведу деякітехнічні параметри компакт-дисків. Робоча довжина хвилі лазера - 780 нм.
Діаметр компакт-диска 120 мм. Товщина диска 1,2 мм. Об'єм диска 680 Мб (74хв аудіо). Вага 14-33 р. Ланцюжок поглиблень (pits) розташована по спіраліяк в грамплатівці, але в напрямку від центру (фактично CD єпристроєм послідовного доступу з прискореною перемоткою). Інтервалміж витками - 1.6 мкм, ширина пита - 0.5 мкм, глибина - 0.125 мкм (1/4довжини хвилі променя лазера в полікарбонат), мінімальна довжина - 0.83 мкм
(рис. 1).
Рис. 1. Поверхня компакт-диска.
Існують модифікації в 80 хвилин (700 МБ), 90 хвилин (791 МБ) і 99хвилин (870 MB). Номінальна (1x) швидкість передачі даних - 150 КБ/сек
(176400 байт/сек аудіо або "сирих" даних, 4.3 Мбіт/сек "фізичних"даних). У той час як всі магнітні диски обертаються з постійним числомоборотів в хвилину, тобто з незмінною кутовою швидкістю (CAV, Constant
Angular Velocity), компакт-диск обертається звичайно зі змінною кутовийшвидкістю, щоб забезпечити постійну лінійну швидкість при читанні (CLV,
Constant Linear Velocity). Таким чином, читання внутрішніх сторінздійснюється зі збільшеним, а зовнішніх - зі зменшеним числом обертів.
Саме цим обумовлюється досить низька швидкість доступу до даних длякомпакт-дисків у порівнянні, наприклад, з вінчестерами.
Розглянемо формат компакт-диска.
Поверхня диска розділена на області:
. PCA (Power Calibration Area). Використовується для налаштування потужності лазера записуючим пристроєм. 100 елементів.
. PMA (Program Memory Area). Сюди тимчасово записуються координати початку і кінця кожного треку при витягу диска з записуючого пристрою без закриття сесії. 100 елементів.
. Вступна область (Lead-in Area) - кільце шириною 4 мм (діаметр 46-50 мм) ближче до центру диска (до 4500 секторів, 1 хвилина, 9 MB). Складається з 1 доріжки (Lead-in Track). Містить TOC (абсолютні тимчасові адреси доріжок і початку вивідний області, точність - 1 секунда).
. Область даних (program area, user data area).
. Вивідні область (Lead-out) - кільце 116-117 мм (6750 секторів, 1.5 хвилини, 13.5 MB). Складається з 1 доріжки (Lead-out Track).
Кожен байт даних (8 біт) кодується 14-бітним символом на носії
(кодування EFM). Символи відокремлюються 3-бітними проміжками, вибиранимитак, щоб на носії не було більше 10 нулів підряд.
З 24 байтів даних (192 біта) формується кадр (F1-frame), 588 бітівносія, не враховуючи проміжків:
. синхронізація (24 біта носія)
. символ субкоду (біти субканалов P, Q, R, S, T, U, V, W)
. 12 символів даних
. 4 символу контрольного коду
. 12 символів даних
. 4 символу контрольного коду
При декодуванні можуть використовуватися різні стратегії виявленнягрупових і виправлення помилок (імовірність виявлення проти надійностікорекції).
Послідовність з 98 кадрів утворює сектор (2352 інформаційнихбайти). Кадри в секторі поєднані, щоб зменшити вплив дефектівносія. Адресація сектора сталася від аудіодисків і записується вформаті A-Time - mm: ss: ff (хвилини: секунди: долі, частка в секунді від 0 до 74).
Відлік починається з початку програмної області, тобто адреси секторіввступної області негативні. Бити субканалов збираються в 98-бітові словадля кожного субканала (з них 2 біта - синхронізація). Використовуютьсясубканалов:
. P - маркування закінчення доріжки (min 150 секторів) і початку наступної (min 150 секторів).
. Q - додаткова інформація про вміст доріжки: o число каналів o дані або звук o чи можна копіювати o ознака частотних предискаженій (pre-emphasis): штучний підйом високих частот на 20 дБ o режим використання подканала
. q-Mode 1: у вступній області тут зберігається TOC, в програмній області - номери доріжки, адреси, індекси і паузи
. q-Mode 2: каталоговий номер диска (той самий, що на штрих-коді) - 13 цифр у форматі BCD (MCN, ENA/UPC EAN)
. q-Mode 3: ISRC (International Standard Recording Code) - код країни, власника, рік і серійний номер запису o CRC-16
Послідовність секторів одного формату об'єднується в доріжку
(трек) від 300 секторів (4 секунди, см. субканал P) до всього диска. На дискуможе бути до 99 записів (номери від 1 до 99). Трек може міститислужбові області:
. пауза - тільки інформація субканалов, немає даних користувача
. pre-gap - початок треку, не містить даних користувача і складається з двох інтервалів: перший довжиною не менше 1 секунди (75 секторів) дозволяє "відбудуватися" від попереднього треку, другий довжиною не менше
2 секунд задає формат секторів треку
. post-gap - кінець треку, не містить даних користувача, довжиною не менше 2 секунд
Вступна цифрова область повинна завершуватися постзазором. Першийцифровий трек повинен починатися з другої частини предзазора. Останнійцифровий трек має завершуватися постзазором. Вивідні цифрова область немістить предзазора.
Існує безліч стандартів і форматів компакт-дисків - взалежно від призначення і виробників. Наведу для прикладу далеко невсі існуючі: 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). Повний описїх займе дуже багато місця, і це не є метою написання даноїроботи.
Залежно ж від кількості можливих операцій запису компакт-дискиподіляються на: CD-ROM (read only memory), CD-R (recordable), вони ж CD-
WORM (write once read many), CD-RW (rewritable). Відповідно, СD-ROMвиготовляється на заводі, і подальша запис на нього неможлива; CD-Rпризначений для одноразового запису в домашніх умовах; CD-RW допускаєбезліч операцій запису. Диски CD-ROM є полікарбонат,покритий з одного боку шаром (алюміній або - для відповідальнихзастосувань - золото) і захисним лаком з іншого. Зміна що відбиваєздатності здійснюється за рахунок штампування поглиблень у металевомушарі. На заводі їх просто штампують з матриці. Це для нас не дужецікаво, і ми детальніше зупинимося на дисках, запис на які можназробити на домашньому комп'ютері.
Почнемо з однократно-записуваних дисків (CD-R).
За своєю внутрішньою будовою CD-R диск нагадує листковий пиріг,
"начинка" якого складається з активного, що відбиває і захисного шарів,які послідовно наносяться на основу з полікарбонату.
При цьому основа CD-R диска нічим не відрізняється від тієї, що застосовується втехнології виготовлення компакт-дисків литтям: характеристики пластмасиповинні бути такими, щоб промінь лазера, що проходить крізь неї, належнимчином фокусувався і не викликало руйнування диска. На основу наноситьсяактивний (або реєструючий) шар, на якому, власне, і відбуваєтьсязапис інформації. Під час запису потужний лазерний промінь нагріває невеликіділянки активного шару. Під впливом високої температури змінюютьсявластивості речовини реєструючого шару в місці нагрівання, в результаті вінперестає пропускати світло. В інших місцях, які не розігрівалисялазером, світло, як і раніше безперешкодно проходить через реєструючийшар. Як матеріали для реєструючого шару зазвичай використовуютьсяціанін і фталоціанін.
Залишилось розібратися з шаром, що відбиває. Отже, що відображає шар - ценайтонша платівка із золота або срібла. Причому зі срібла краще, томущо у нього більший коефіцієнт відображення. Але, тим не менше, диски з золотимшаром, що відбиває продовжують випускатися, хоча вони гірше і значнодорожче. Як завжди, доводиться жертвувати одним якістю на догоду іншому:золото - дуже довговічний матеріал, а срібло з часом окислюється.
Тому в тих випадках, коли потрібно тривале зберігання даних,застосовуються диски із золотим шаром. Ну і останній шар,захисний, наноситься поверх відображає, і служить для механічного захисту CD-
R диска і нанесення на нього етикетки. Тут теж можливі варіанти: упростому випадку захисний шар являє собою покриття лаком. Не самийкращий варіант захисту. Лак можна обдерти, і, що ще гірше, можливахімічна реакція між лаком і різними речовинами, які на ньогопотрапляють (наприклад, з чорнилом, якими Ви зробите напис на зворотістороні диска). Однак останнім часом деякі виробники CD-R дисківвикористовують спеціальні стійкі лаки для покриття дисків, що повідомляє їмдодаткову надійність. Більш надійні захисні покриття --додатковий шар спеціального пластику. Крім захисту, такий спосіб ще йробить зовнішній вигляд диска більш привабливим у порівнянні з лаковим.
Відновити прозорість речовин, що використовуються в якості активногошару в дисках CD-R, неможливо. З одного боку, це дає деякугарантію того, що записана інформація буде надійно збережена.
Дійсно, пошкодити запис, нанесену на активний шар, можна тількиодним способом - зробити прозорі ділянки непрозорими. Що і можестатися під впливом, наприклад, яскравого сонячного світла. З іншогобоку, один раз записаний диск переписати неможливо. На жаль,вирішити це протиріччя поки не вдалося. На сьогоднішній день ми змушенівибирати між можливістю перезапису і надійністю зберігання інформації.
І якщо ми вибираємо перезапис, то доведеться використовувати диск CD-RW.
Єдина відмінність таких дисків від CD-R полягає в пристроїреєструючого шару. У CD-R дисків запис заснована на зміні оптичнихвластивостей шару під дією температури - при нагріванні шар каламутніє.
Принцип запису CD-RW дисків трохи складніше, тут використовується явищефазового переходу. Проміжний шар спеціального органічного матеріалуможе перебувати або в аморфному, або в кристалічному вигляді.
Аморфне речовина, як відомо з курсу фізики, це така речовина,яке при нагріванні не перетворюється в рідину, а поступоворозм'якшуються, стають все більш текучими. Прикладом такої речовини можебути всім відомий пластилін. Або мед. До речі, на прикладі меду добревидно загальна властивість аморфних речовин - з плином часу вони переходять вкристалічну форму. Поставте банку прозорого свіжого меду в шафу, іне чіпайте року 2. Потім дістаньте, і ви побачите, що мед загус, а то йзовсім став твердим, "засахарілся". І став непрозорим! Ось на цьомупринципі і заснована запис на CD-RW. Прозорість реєструючого шару CD-
RW залежить від того, в якому стані знаходиться ця речовина, в аморфномуабо в кристалічному. І ми можемо керувати процесом переходу з одногостану в інший. Якщо нагріти реєструючий шар до досить високоютемператури і потім різко охолодити його, то речовина переходить в аморфнуформу. Саме так відбувається процес запису. На чистому диску CD-RWреєструючий шар перебуває у кристалічній формі. Потужний проміньзаписуючого лазера розігріває ділянку поверхні і вимикається, дискшвидко охолоджується і в цьому місці частина активного шару переходить в аморфнуформу. Для того, щоб повернути речовина активного шару в кристалічнустан, його знову нагрівають, але до меншої температури (меншеінтенсивним променем). І речовина повертається в кристалічний стан.
Таку операцію можна проводити близько 1000 разів, саме стільки циклівперезапису витримують CD-RW диски.
І все було б добре, якби не та сама особливість аморфних речовинкристалізуватися з часом. Як би ми не зберігали CD-RW, через кількароків запис буде безповоротно втрачено. До того ж такі диски легко можутьбути стерті простим нагріванням. Зате можна перезаписувати.
Ще одна особливість дисків CD-RW проявляється при читанні. Якщо вдисках CD і CD-R ми чітко виділяли два типи ділянок поверхні --що відбивають світло і противідображального, то в CD-RW вся поверхня євідображає, хоча і в різному ступені. Тому при читанні диска CD-RWінформація прочитується в той момент, коли промінь лазера потрапляє на ділянкупереходу між кристалічним і аморфним речовиною. Лазер в усьому цьомупроцесі використовується стандартний, з довжиною хвилі 780 нанометрів.
Зчитування виробляється теж стандартним лазером, але різниця в рівняхсигналів: для CD-RW-дисків менше, ніж для CD-ROM.
Рис. 2. Структура дисків CD, CD-R, CD-RW
Розглянемо способи запису компакт-дисків у домашніх умовах. Дляцього необхідно мати не тільки записує CD-привід, але й спеціальнепрограмне забезпечення. Вони зазвичай поставляються разом. Прикладом такихпрограм можуть служити Easy CD, CD Creator, CD Publisher. В операційнійсистемі Windows XP вбудована підтримка запису компакт-дисків.
Процес запису однієї сесії представляє собою єдину операцію,яка не може бути перервана, інакше диск буде зіпсований. Для забезпеченнярівномірності надходження записуваної інформації на лазер всі приводимають буфер, вичерпання даних в якому (Underrun) призводить до аварійногопереривання запису. Вичерпання даних у буфері може бути викликане запускомпаралельних процесів, роботою системи віртуальної пам'яті (swapping),захопленням процесора "нечесними" драйверами пристроїв, зависанням програмиабо операційної системи. До збою запису приводять також механічні поштовхипривода.
Розрізняється два основні режими запису CD-R: DAO (Disk At Once - весьдиск за один прийом) і TAO (Track At Once - одна доріжка (сесія) за одинприйом). При записі методом TAO лазер включається на початку кожної доріжки івідключається в її кінці, в точках включення і виключення лазера формуютьсясерії спеціальних кадрів - run-in, run-out і link, призначені длязв'язування доріжок між собою. Стандартний проміжок містить 150 такихкадрів (2 секунди). При записі методом DAO лазер включений протягомзапису всього диску.
Диск, записаний за один прийом, є найбільш універсальним ізчитується будь-якими CD-ROM з будь-яким файловим диспетчером, однак після записунеможливо дописування нових даних на диск, а режим DAO підтримується невсіма записуючими приводами. Цей режим також бажаний для запису майстер -дисків для подальшого тиражування шляхом штампування - більшість типовихверстатів для виготовлення матриць сприймають тільки безперервно записаніоригінали.
У режимі TAO пишуться багатосесійні диски, що допускають подальшудозапісь даних; при цьому для сесії записується тільки зона Lead In
(відкрита сесія). Під час запису кожної наступної сесії попереднязакривається шляхом запису зони Lead Out, за якою слід Lead In новоїсесії. На ці дві зони витрачається додатково 13.5 Мб (6750 кадрів)дискового простору.
За стандартом, щоб нормально зчитуватися у всіх пристроях, дискповинен бути закритий (Closed) шляхом запису вивідний зони. Закриття дискапідвищує ймовірність його успішного зчитування в інших приводах
(переважна більшість сучасних приводів не звертають уваги назакритість диска), однак позбавляє можливості дописування додатковихсесій.
Перед початком запису необхідно сформувати повний список входять досесію файлів; подальше додавання файлів на диск можливо лише у виглядідодаткових сесій. Приводи CD-ROM, які не підтримують багатосесійнізапис, зчитують з диска тільки перший TOC - відповідно, з їхньою допомогоюможна зчитувати лише файли першій сесії. Багатосесійні CD-ROM зчитуютьтільки останню TOC, тому остання TOC в багатосесійні диску повиннамістити посилання і на файли попередніх сесій. Для цього при записічерговій сесії застосовується опція імпортування сесій (Import Track) длястворення повної загальної TOC. Які співпали за іменами каталоги при цьомуоб'єднуються, як при дописування на звичайний диск. Адресація фото в будь-якомувипадку ведеться в межах усього диска, тому об'єднання піддаютьсятільки TOC. Файли сесій, які не були імпортовані при створеннічерговий, в результуючому каталозі бути присутніми не будуть і звичайнезвертання?? ие до них буде неможливим, проте багато програм запису на CD-Rдозволяють вибірково зчитувати окремі сесії диска. Якщо запис наодноразовий багатосесійні диск з якої-небудь причини була перервана, вряді випадків є можливість використовувати час, що залишився вільнимпростір диска. Для цього потрібна програма запису, що має опціюзакриття сесії (Close Track/Session), після чого потрібні данізаписуються черговою сесією без імпорту перерваної сесії
(їй передували сесії можуть бути імпортовані).
Оскільки кінцева видимість кожного файла визначається процесомімпорту TOC, можливе вилучення з каталогу окремих файлів і вибірковазаміна файлів з однаковими іменами. Стара копія файлу продовжуєзалишатися на диску в одній з попередніх сесій, однак до новогокаталог міститься посилання на новий екземпляр. Вибіркове виключення файлівпопередніх сесій до каталогу нової сесії дає ефект їх "видалення".
Наявність "віддалених" таким чином файлів згодом може бути
"відновлена" шляхом їхнього імпорту в нові сесії.
Для запису CD-RW може застосовуватися їх попереднє форматування --розбивка на сектори, подібно магнітним дискам. Після форматування диск CD-
RW може використовуватися, як звичайний змінний диск - стандартні файловіоперації копіювання, видалення та перейменування перетворяться драйверомпривода CD-RW у серії операцій перезапису секторів диска. Завдяки цьомудля роботи з дисками CD-RW не потрібно спеціального програмногозабезпечення, крім драйвера приводу з підтримкою UDF і програми початковоїрозмітки.
Деякі версії записуючих програм дозволяють записуватизавантаження диски. Завантажувана частина CD-ROM записується у вигляді образузавантажувальної дискети або жорсткого диску, з якого під час завантаження BIOS системноїплати емулює диск A:.
Література
1. http://people.kstu.edu.ru/CSN/CDR/rab.htm
2. http://www.kstu.kz/ ~ yas/theory_lw/opt_70.htm
3. http://bog.pp.ru/hard/cdrom.html
4. http://www.procd.ru/
