CD -ROM ( / ˌ s iː d iː ˈ r ɒ m / , компакт-диск только для чтения ) — тип только для чтения памяти, состоящий из предварительно спрессованного оптического компакт-диска , содержащего данные, которые компьютеры могут читать, но не записывать или стирать. Некоторые компакт-диски, называемые улучшенными компакт-дисками , содержат как компьютерные данные, так и аудио, причем последние могут воспроизводиться на проигрывателе компакт-дисков , в то время как данные (например, программное обеспечение или цифровое видео) можно использовать только на компьютере (например, формат ПК CD-ROM ISO 9660 [2] ).
В 1990-х и начале 2000-х годов компакт-диски широко использовались для распространения программного обеспечения и данных для компьютеров и игровых консолей пятого поколения . DVD-диски , а также загрузка начали заменять компакт-диски в этих ролях с начала 2000-х годов, и использование компакт-дисков для коммерческого программного обеспечения в настоящее время встречается редко.
Самая ранняя теоретическая работа по хранению данных на оптических дисках была выполнена независимыми исследователями в Соединенных Штатах, включая Дэвида Пола Грегга (1958) и Джеймса Рассела (1965–1975). В частности, патенты Грегга были использованы в качестве основы спецификации LaserDisc , которая была совместно разработана MCA и Philips после того, как MCA приобрела патенты Грегга, а также основанной им компанией Gauss Electrophysics. [3] LaserDisc был непосредственным предшественником CD, с основным отличием в том, что LaserDisc кодировал информацию посредством аналогового процесса, тогда как CD использовал цифровое кодирование.
Ключевая работа по оцифровке оптических дисков была выполнена Тоши Дои и Кисом Шухамером Имминком в 1979–1980 годах, которые работали в целевой группе Sony и Philips . [4] Результатом стал компакт-диск с цифровым аудио (CD-DA), определенный в 1980 году. CD-ROM был позже разработан как расширение CD-DA и адаптировал этот формат для хранения любой формы цифровых данных с начальной емкостью хранения 553 МБ . [5] Sony и Philips создали технический стандарт , определяющий формат CD-ROM, в 1983 году, [6] в том, что стало называться Желтой книгой . CD-ROM был анонсирован в 1984 году [7] и представлен Denon и Sony на первой японской компьютерной выставке COMDEX в 1985 году. [8] В ноябре 1985 года несколько участников компьютерной индустрии, включая Microsoft , Philips , Sony , Apple и Digital Equipment Corporation, встретились, чтобы создать спецификацию для определения формата файловой системы для CD-ROM. [9] Полученная спецификация, названная форматом High Sierra, была опубликована в мае 1986 года. [9] В конечном итоге она была стандартизирована, с некоторыми изменениями, как стандарт ISO 9660 в 1988 году. Одним из первых продуктов, который был доступен общественности на CD-ROM, была Grolier Academic Encyclopedia , представленная на конференции Microsoft CD-ROM в марте 1986 года. [9]
CD-ROM начали использоваться в домашних игровых консолях, начиная с PC Engine CD-ROM 2 (TurboGrafx-CD) в 1988 году, в то время как приводы CD-ROM также стали доступны для домашних компьютеров к концу 1980-х годов. В 1990 году Data East продемонстрировала игровую системную плату , которая поддерживала CD-ROM, похожую на видеоигры LaserDisc 1980-х годов , но с цифровыми данными, что обеспечивало большую гибкость, чем старые игры LaserDisc. [10] К началу 1990 года в Японии было продано около 300 000 приводов CD-ROM, в то время как в Соединенных Штатах ежемесячно производилось 125 000 дисков CD-ROM. [11] Некоторые компьютеры, которые продавались в 1990-х годах, назывались « мультимедийными » компьютерами, потому что они включали привод CD-ROM, который позволял доставлять несколько сотен мегабайт видео, изображений и аудиоданных. Первым ноутбуком со встроенным приводом CD-ROM в качестве опции был CF-V21P от Panasonic , выпущенный в 1993 году ; однако привод поддерживал только мини-CD диаметром до 3,5 дюймов. [12] : 111 Первым ноутбуком с поддержкой стандартных дисков диаметром 4,7 дюйма был ThinkPad 755CD от IBM, выпущенный в 1994 году. [13]
На ранних аудио CD-плеерах, выпущенных до появления CD-ROM, необработанные двоичные данные CD-ROM воспроизводились как шум. Чтобы решить эту проблему, канал субкода Q имеет флаг "data" в областях диска, которые содержат компьютерные данные, а не воспроизводимый звук. Флаг данных предписывает CD-плеерам отключать звук. [14] [15]
.jpg/1280px-CD-ROM_Drive_(Dell).jpg)
CD-ROM внешне идентичны аудио-CD , и данные хранятся и извлекаются очень похожим образом (отличаясь от аудио-CD только стандартами, используемыми для хранения данных). Диски изготавливаются из поликарбонатного пластика толщиной 1,2 мм с тонким слоем алюминия для создания отражающей поверхности. Наиболее распространенный размер CD-ROM — 120 мм в диаметре, хотя также существуют меньший стандарт Mini CD с диаметром 80 мм, а также формованные компакт-диски многочисленных нестандартных размеров и форм (например, носители размером с визитную карточку ).
Данные хранятся на диске в виде серии микроскопических углублений, называемых «ямками», с невыемчатыми пространствами между ними, называемыми «землями». Лазер освещает отражающую поверхность диска, чтобы прочитать рисунок ямок и площадок. Поскольку глубина ямок составляет приблизительно от одной четверти до одной шестой длины волны лазерного света, используемого для считывания диска, фаза отраженного луча смещается относительно входящего луча, вызывая деструктивную интерференцию и уменьшая интенсивность отраженного луча. Это преобразуется в двоичные данные.
Для хранения данных на компакт-дисках используется несколько форматов, известных как Rainbow Books . Yellow Book , созданная в 1983 году, [6] [16] определяет спецификации для CD-ROM, стандартизированные в 1988 году как стандарт ISO / IEC 10149 [1] и в 1989 году как стандарт ECMA -130 [17] . Стандарт CD-ROM основывается на оригинальном стандарте Red Book CD-DA для аудио CD. Другие стандарты, такие как White Book для Video CD , дополнительно определяют форматы, основанные на спецификациях CD-ROM. Сама Yellow Book не находится в свободном доступе, но стандарты с соответствующим содержанием можно бесплатно загрузить с ISO или ECMA.
Существует несколько стандартов, определяющих, как структурировать файлы данных на CD-ROM. ISO 9660 определяет стандартную файловую систему для CD-ROM. ISO 13490 является улучшением этого стандарта, которое добавляет поддержку непоследовательных дисков с однократной и повторной записью, таких как CD-R и CD-RW , а также многосеансовых . Стандарт ISO 13346 был разработан для устранения большинства недостатков ISO 9660, [18] и его подмножество развилось в формат UDF , который был принят для DVD . Спецификация загрузочного CD, названная El Torito , была выпущена в январе 1995 года, чтобы заставить CD эмулировать жесткий диск или гибкий диск .
Предварительно отпечатанные CD-ROM производятся серийно с помощью процесса штамповки, при котором стеклянный мастер-диск создается и используется для изготовления «штампов», которые в свою очередь используются для изготовления нескольких копий конечного диска с уже имеющимися питами. Записываемые ( CD-R ) и перезаписываемые ( CD-RW ) диски производятся другим методом, при котором данные записываются на них лазером, изменяющим свойства красителя или материала фазового перехода в процессе, который часто называют « прожигом ».
Данные, хранящиеся на CD-ROM, следуют стандартным методам кодирования данных CD , описанным в спецификации Red Book (первоначально определенной только для аудио CD ). Сюда входит перекрестное чередование кодирования Рида-Соломона (CIRC), модуляция восемь-четырнадцать (EFM) и использование углублений и площадок для кодирования битов на физической поверхности CD.
Структуры, используемые для группировки данных на CD-ROM, также взяты из Красной книги . Как и аудио-CD (CD-DA), сектор CD-ROM содержит 2352 байта пользовательских данных, состоящих из 98 кадров, каждый из которых состоит из 33 байтов (24 байта для пользовательских данных, 8 байтов для исправления ошибок и 1 байт для подкода). В отличие от аудио-CD, данные, хранящиеся в этих секторах, соответствуют любому типу цифровых данных, а не аудиосэмплам, закодированным в соответствии со спецификацией аудио-CD. Для структурирования, адресации и защиты этих данных стандарт CD-ROM дополнительно определяет два режима секторов, Режим 1 и Режим 2, которые описывают два различных макета для данных внутри сектора. [ 2] Дорожка (группа секторов) внутри CD-ROM содержит только секторы в одном и том же режиме, но если на CD-ROM присутствует несколько дорожек, каждая дорожка может иметь свои секторы в другом режиме, чем остальные дорожки. Они также могут сосуществовать с дорожками аудио-CD, что имеет место в случае смешанных режимов CD .
Оба сектора режима 1 и 2 используют первые 16 байт для информации заголовка , но отличаются в оставшихся 2336 байтах из-за использования байтов исправления ошибок . В отличие от аудио CD, CD-ROM не может полагаться на сокрытие ошибок путем интерполяции ; требуется более высокая надежность извлеченных данных. Для достижения улучшенного исправления и обнаружения ошибок, режим 1, используемый в основном для цифровых данных, добавляет 32-битный циклический избыточный код (CRC) для обнаружения ошибок и третий уровень исправления ошибок Рида-Соломона [n 1] с использованием кода, подобного продукту Рида-Соломона (RSPC). Таким образом, режим 1 содержит 288 байт на сектор для обнаружения и исправления ошибок, оставляя 2048 байт на сектор, доступных для данных. Режим 2, который больше подходит для данных изображений или видео (где идеальная надежность может быть немного менее важна), не содержит дополнительных байтов обнаружения или исправления ошибок, имея, таким образом, 2336 доступных байтов данных на сектор. Оба режима, как и аудио компакт-диски, по-прежнему используют преимущества нижних уровней коррекции ошибок на уровне кадра. [19]
Перед сохранением на диске с помощью описанных выше методов каждый сектор CD-ROM шифруется, чтобы предотвратить появление некоторых проблемных шаблонов. [17] Затем эти шифруемые сектора проходят тот же процесс кодирования, который описан в Красной книге , чтобы в конечном итоге сохраниться на CD.
В следующей таблице показано сравнение структуры секторов в CD-DA и CD-ROM: [17]
Чистая скорость байтов CD-ROM Mode-1, основанная на сравнении со стандартами аудио CD-DA, составляет 44 100 Гц × 16 бит/выборка × 2 канала × 2 048 / 2 352 / 8 = 150 КБ/с (150 × 2 10 ). Это значение, 150 КБ/с, определяется как "скорость 1×". Таким образом, для CD-ROM Mode 1 привод CD-ROM 1× считывает 150/2 = 75 последовательных секторов в секунду.
Время воспроизведения стандартного CD составляет 74 минуты или 4440 секунд, содержащихся в 333000 блоков или секторов . Таким образом, чистая емкость CD-ROM Mode-1 составляет 650 МБ (650 × 2 20 ). Для 80-минутных CD емкость составляет 703 МБ.
CD-ROM XA — это расширение стандарта Yellow Book для CD-ROM, объединяющее сжатые аудио, видео и компьютерные данные, что позволяет получать доступ ко всем им одновременно. [20] Он был задуман как мост между CD-ROM и CD-i ( Green Book ) и был опубликован Sony и Philips , а также поддержан Microsoft , в 1991 году, [21] впервые анонсирован в сентябре 1988 года. [22] «XA» означает eXtended Architecture.
CD-ROM XA определяет две новые схемы секторов, называемые Mode 2 Form 1 и Mode 2 Form 2 (которые отличаются от исходного Mode 2). XA Mode 2 Form 1 похож на структуру Mode 1, описанную выше, и может чередоваться с секторами XA Mode 2 Form 2; он используется для данных. XA Mode 2 Form 2 имеет 2324 байта пользовательских данных и похож на стандартный Mode 2, но с добавленными байтами обнаружения ошибок (хотя и без исправления ошибок). Он может чередоваться с секторами XA Mode 2 Form 1 и используется для аудио/видеоданных. [19] Video CD , Super Video CD , Photo CD , Enhanced Music CD и CD-i используют эти режимы секторов. [23]
В следующей таблице показано сравнение структуры секторов в режимах CD-ROM XA:
Когда создается образ диска CD-ROM, это можно сделать либо в «сыром» режиме (извлекая 2352 байта на сектор, независимо от внутренней структуры), либо получая только полезные данные сектора (2048/2336/2352/2324 байта в зависимости от режима CD-ROM). Размер файла образа диска, созданного в сыром режиме, всегда кратен 2352 байтам (размеру блока). [24] Форматы образов дисков, которые хранят необработанные сектора CD-ROM, включают CCD/IMG , CUE/BIN и MDS/MDF . Размер образа диска, созданного из данных в секторах, будет зависеть от типа используемых секторов. Например, если образ CD-ROM режима 1 создается путем извлечения только данных каждого сектора, его размер будет кратен 2048; это обычно имеет место для образов дисков ISO .
На 74-минутном CD-R можно разместить более крупные образы дисков в режиме raw, до 333 000 × 2 352 = 783 216 000 байт (~747 МБ). Это верхний предел для образов raw, созданных на 74-минутном или ≈650 МБ Red Book CD. Увеличение на 14,8% обусловлено отбрасыванием данных исправления ошибок.
Емкость CD-ROM обычно выражается двоичными префиксами , вычитая пространство, используемое для данных исправления ошибок. Емкость CD-ROM зависит от того, насколько близко внешняя дорожка данных расширена к внешнему ободу диска. [25] Стандартный 120-мм, 700-МБ CD-ROM фактически может содержать около 703 МБ данных с исправлением ошибок (или 847 МБ всего). Для сравнения, однослойный DVD-ROM может содержать 4,7 ГБ (4,7 × 10 9 байт) данных, защищенных от ошибок, больше, чем 6 CD-ROM.
Диски CD-ROM считываются с помощью приводов CD-ROM. Привод CD-ROM может быть подключен к компьютеру через интерфейс IDE ( ATA ), SCSI , SATA , FireWire или USB или фирменный интерфейс, такой как интерфейс Panasonic CD , стандарты LMSI/Philips, Sony и Mitsumi. Практически все современные приводы CD-ROM также могут воспроизводить аудио-CD (а также видео-CD и другие стандарты данных) при использовании с соответствующим программным обеспечением.
В приводах CD-ROM используется лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона 780 нм . Лазерный луч направляется на диск через оптоэлектронный модуль слежения, который затем определяет, был ли луч отражен или рассеян.
Приводы CD-ROM оцениваются с коэффициентом скорости относительно музыкальных компакт-дисков. Если CD-ROM считывается с той же скоростью вращения, что и аудио-CD , скорость передачи данных составляет 150 Кбайт/с, обычно называемая «1×» (с постоянной линейной скоростью, сокращенно «CLV» ). При этой скорости передачи данных дорожка движется под пятном лазера со скоростью около 1,2 м/с. Чтобы поддерживать эту линейную скорость при перемещении оптической головки в разные положения, угловая скорость варьируется от примерно 500 об/мин на внутреннем крае до 200 об/мин на внешнем крае. Рейтинг скорости 1× для CD-ROM (150 Кбайт/с) отличается от рейтинга скорости 1× для DVD (1,32 МБ/с).
При увеличении скорости вращения диска данные могут передаваться с большей скоростью. Например, привод CD-ROM, который может считывать со скоростью 8×, вращает диск со скоростью от 1600 до 4000 об/мин, обеспечивая линейную скорость 9,6 м/с и скорость передачи 1200 Кбайт/с. При скорости выше 12× большинство приводов считывают с постоянной угловой скоростью (CAV, постоянная скорость вращения), так что двигателю не приходится переключаться с одной скорости на другую, когда головка перемещается с места на место на диске. В режиме CAV число «×» обозначает скорость передачи на внешнем крае диска, где она является максимальной. 20× считалось максимальной скоростью из-за механических ограничений, пока Samsung Electronics не представила SCR-3230, привод CD-ROM со скоростью 32×, в котором используется система шарикоподшипников для балансировки вращающегося диска в приводе с целью снижения вибрации и шума. По состоянию на 2004 год самая высокая скорость передачи данных, доступная в настоящее время, составляет около 52× или 10 400 об/мин и 7,62 МБ/с. Более высокие скорости вращения ограничены прочностью поликарбонатного пластика, из которого изготовлены диски. При 52× линейная скорость внешней части диска составляет около 65 м/с. Однако улучшения все еще могут быть получены с использованием нескольких лазерных датчиков, как это продемонстрировал Kenwood TrueX 72×, который использует семь лазерных лучей и скорость вращения приблизительно 10×.
Первый 12-кратный привод был выпущен в конце 1996 года. [26] Выше скорости 12-кратного возникают проблемы с вибрацией и нагревом. Приводы CAV обеспечивают скорость до 30-кратной на внешнем крае диска с той же скоростью вращения, что и стандартная ( постоянная линейная скорость , CLV) 12-кратная, или 32-кратная с небольшим увеличением. Однако из-за природы CAV (линейная скорость на внутреннем крае все еще составляет всего 12-кратную, плавно увеличиваясь между ними) фактическое увеличение пропускной способности составляет менее 30/12; фактически, примерно 20-кратное среднее значение для полностью заполненного диска и еще меньше для частично заполненного.
Проблемы с вибрацией, вызванные ограничениями на достижимую симметрию и прочность в массовых носителях, означают, что скорости приводов CD-ROM не сильно выросли с конца 1990-х годов. Более 10 лет спустя, общедоступные приводы варьируются от 24× (тонкие и портативные устройства, 10× скорость вращения) до 52× (обычно CD- и только для чтения устройства, 21× скорость вращения), все они используют CAV для достижения своих заявленных «максимальных» скоростей, наиболее распространенными являются скорости от 32× до 48×. Тем не менее, эти скорости могут привести к плохому чтению (коррекция ошибок привода стала очень сложной в ответ) и даже к разрушению плохо изготовленных или физически поврежденных носителей, с небольшими трещинами, быстро перерастающими в катастрофические поломки при центростремительной нагрузке на скорости 10 000–13 000 об/мин (т. е. 40–52× CAV). Высокие скорости вращения также создают нежелательный шум от вибрации диска, набегающего воздуха и самого шпиндельного двигателя. Большинство приводов 21-го века допускают принудительные режимы низкой скорости (используя небольшие служебные программы) ради безопасности, точного чтения или тишины, и автоматически откатываются назад, если встречаются многочисленные последовательные ошибки чтения и повторные попытки.
Были опробованы и другие методы повышения скорости чтения, такие как использование нескольких оптических лучей, увеличение пропускной способности до 72× при скорости вращения 10×, но наряду с другими технологиями, такими как записываемые носители на 90~99 минут, GigaRec и рекордеры компакт-дисков двойной плотности ( стандарт Purple Book ), их полезность была сведена на нет введением потребительских приводов DVD-ROM, способных обеспечивать постоянную эквивалентную скорость CD-ROM 36× (4× DVD) или выше. Кроме того, при полностью считываемом CD-ROM объемом 700 МБ менее чем за 2,5 минуты при 52× CAV, увеличение фактической скорости передачи данных оказывает все меньшее влияние на общую эффективную скорость привода, если принимать во внимание другие факторы, такие как загрузка/выгрузка, распознавание носителя, вращение вверх/вниз и случайное время поиска, что значительно снижает окупаемость инвестиций в разработку. Похожий эффект стратификации с тех пор наблюдался и в разработке DVD, где максимальная скорость стабилизировалась на уровне 16× CAV (за исключением случаев между 18× и 22×), а емкость — на уровне 4,3 и 8,5 ГБ (однослойные и двухслойные), тогда как более высокие требования к скорости и емкости удовлетворяются приводами Blu-ray.
Записываемые приводы CD часто продаются с тремя различными скоростными характеристиками: одна скорость для операций однократной записи, одна для операций перезаписи и одна для операций только для чтения. Скорости обычно указываются в таком порядке; то есть привод CD 12×/10×/32× может записывать на диски CD-R со скоростью 12× (1,76 МБ/с), записывать на диски CD-RW со скоростью 10× (1,46 МБ/с) и считывать с компакт-дисков со скоростью 32× (4,69 МБ/с), если процессор и программное обеспечение медиаплеера допускают такую высокую скорость.
Дистрибьюторы программного обеспечения, и в частности дистрибьюторы компьютерных игр, часто используют различные схемы защиты от копирования, чтобы предотвратить запуск программного обеспечения с любого носителя, кроме оригинальных CD-ROM. Это несколько отличается от защиты аудио CD тем, что обычно она реализована как на носителе, так и на самом программном обеспечении. Сам CD-ROM может содержать «слабые» сектора, что затрудняет копирование диска, и дополнительные данные, которые может быть трудно или невозможно скопировать на CD-R или образ диска, но которые программное обеспечение проверяет каждый раз при запуске, чтобы гарантировать, что в приводе CD-ROM компьютера присутствует оригинальный диск, а не несанкционированная копия. [ необходима цитата ]
Производители записывающих устройств для компакт-дисков ( CD-R или CD-RW ) поощряются музыкальной индустрией гарантировать, что каждый производимый ими привод имеет уникальный идентификатор, который будет закодирован приводом на каждом записываемом им диске: RID или идентификационный код записывающего устройства. [32] Это аналог исходного идентификационного кода (SID), восьмизначного кода, начинающегося с « IFPI », который обычно проштампован на дисках, производимых заводами по записи компакт-дисков.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )А вот и Diamond с первым 12X CD-ROM.