CD -ROM ( / ˌ s iː d iː ˈ r ɒ m / , компакт-диск, постоянное запоминающее устройство ) — это тип постоянного запоминающего устройства, состоящего из предварительно напечатанного оптического компакт-диска , содержащего данные . Компьютеры могут читать, но не записывать или стирать компакт-диски. Некоторые компакт-диски, называемые расширенными компакт-дисками , содержат как компьютерные данные, так и аудио, причем последние можно воспроизводить на проигрывателе компакт-дисков , тогда как данные (например, программное обеспечение или цифровое видео) можно использовать только на компьютере (например, формат ISO 9660 [2]). компакт-диски для ПК).
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 начал заменять его в этих ролях с начала 2000-х.
Самая ранняя теоретическая работа по хранению оптических дисков была проведена независимыми исследователями в США, в том числе Дэвидом Полом Греггом (1958) и Джеймсом Расселом (1965–1975). В частности, патенты Грегга были использованы в качестве основы для спецификации LaserDisc , которая была разработана совместно MCA и Philips после того, как MCA приобрела патенты Грегга, а также основанную им компанию Gauss Electrophysical. [3] LaserDisc был непосредственным предшественником компакт-диска, с основным отличием в том, что LaserDisc кодировал информацию посредством аналогового процесса, тогда как компакт-диск использовал цифровое кодирование.
Ключевую работу по оцифровке оптического диска выполнили Тоши Дои и Кес Шухамер Имминк в 1979–1980 годах, которые работали в рабочей группе Sony и Philips . [4] Результатом стал компакт-диск Digital Audio (CD-DA), созданный в 1980 году. Позднее компакт-диск был разработан как расширение CD-DA и адаптировал этот формат для хранения любой формы цифровых данных с начальный объем памяти 553 МБ . [5] Sony и Philips создали технический стандарт , определяющий формат CD-ROM, в 1983 году, [6] в так называемой Желтой книге . CD-ROM был анонсирован в 1984 году [7] и представлен компаниями 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 Корпорация собралась для создания спецификации, определяющей формат файловой системы для компакт-дисков. [9] Получившаяся в результате спецификация, названная форматом High Sierra, была опубликована в мае 1986 года. [9] В конечном итоге с некоторыми изменениями она была стандартизирована как стандарт ISO 9660 в 1988 году. Один из первых продуктов, доступных для публике на компакт-диске была Академическая энциклопедия Гролье , представленная на конференции Microsoft CD-ROM в марте 1986 года. [9]
CD-ROM начали использоваться в домашних игровых консолях, начиная с PC Engine CD-ROM² (TurboGrafx-CD) в 1988 году, а к концу 1980-х годов приводы CD-ROM стали доступны и для домашних компьютеров . В 1990 году Data East продемонстрировала аркадную системную плату с поддержкой компакт-дисков, аналогичную видеоиграм с лазерными дисками 1980-х годов , но с цифровыми данными, что обеспечивало большую гибкость, чем старые игры с лазерными дисками. [10] К началу 1990 года в Японии было продано около 300 000 приводов CD-ROM, а в США ежемесячно производилось 125 000 дисков CD-ROM. [11] Некоторые компьютеры, которые продавались в 1990-х годах, назывались « мультимедийными » компьютерами, потому что они имели привод CD-ROM, который позволял доставлять несколько сотен мегабайт видео, изображений и аудиоданных.
На ранних проигрывателях аудио компакт-дисков, выпущенных до появления CD-ROM, необработанные двоичные данные CD-ROM воспроизводились как шум. Чтобы решить эту проблему, канал субкода Q имеет флаг «данных» в тех областях диска, которые содержат компьютерные данные, а не воспроизводимый звук. Флаг данных дает указание проигрывателям компакт-дисков отключить звук. [12] [13]
.jpg/1280px-CD-ROM_Drive_(Dell).jpg)
Компакт-диски внешне идентичны аудио компакт-дискам , а данные сохраняются и извлекаются очень похожим образом (от аудио компакт-дисков отличаются только стандарты, используемые для хранения данных). Диски изготовлены из поликарбонатного пластика толщиной 1,2 мм с тонким слоем алюминия для создания отражающей поверхности. Самый распространенный размер CD-ROM составляет 120 мм в диаметре, однако существует меньший стандарт Mini CD диаметром 80 мм, а также формованные компакт-диски различных нестандартных размеров и форм (например, носители размером с визитную карточку ). также существуют.
Данные хранятся на диске в виде серии микроскопических углублений, называемых «ямками», с промежутками без отступов между ними, называемыми «площадками». Лазер освещает отражающую поверхность диска, чтобы прочитать рисунок ямок и площадок . Поскольку глубина ямок составляет примерно от четверти до одной шестой длины волны лазерного луча, используемого для чтения диска, фаза отраженного луча смещается по отношению к входящему лучу, вызывая разрушительные помехи и уменьшая отраженный луч. интенсивность луча. Это преобразуется в двоичные данные.
Для данных, хранящихся на компакт-дисках, известных как Rainbow Books , используется несколько форматов . Желтая книга , созданная в 1983 году, [6] [14] определяет спецификации для CD-ROM, стандартизированные в 1988 году как стандарт ISO / IEC 10149 [1] и в 1989 году как стандарт ECMA -130 [15] . Стандарт CD-ROM основан на оригинальном стандарте CD-DA из Красной книги для аудио компакт-дисков. Другие стандарты, такие как Белая книга для видео компакт-дисков , дополнительно определяют форматы на основе спецификаций компакт-дисков. Сама Желтая книга не находится в свободном доступе, но стандарты с соответствующим содержанием можно бесплатно загрузить с ISO или ECMA.
Существует несколько стандартов, определяющих структуру файлов данных на компакт-диске. ISO 9660 определяет стандартную файловую систему для компакт-дисков. ISO 13490 является усовершенствованием этого стандарта, который добавляет поддержку непоследовательных однократно и перезаписываемых дисков, таких как CD-R и CD-RW , а также нескольких сеансов . Стандарт ISO 13346 был разработан для устранения большинства недостатков ISO 9660 [16] , а его подмножество превратилось в формат UDF , который был принят для DVD . Спецификация загрузочного компакт-диска под названием El Torito была выпущена в январе 1995 года и позволяла компакт-диску эмулировать жесткий диск или дискету .
Предварительно прессованные компакт-диски производятся массово с помощью процесса штамповки, при котором создается стеклянный мастер-диск, который используется для изготовления «штампов», которые, в свою очередь, используются для изготовления нескольких копий конечного диска с уже присутствующими ямками. Записываемые ( CD-R ) и перезаписываемые ( CD-RW ) диски изготавливаются разными методами: данные записываются на них с помощью лазера, изменяющего свойства красителя или материала с фазовым переходом в процессе, который часто называют « горение ».
Данные, хранящиеся на компакт-дисках, соответствуют стандартным методам кодирования данных компакт-дисков , описанным в спецификации Красной книги (первоначально определенной только для аудио компакт-дисков ). Это включает в себя перекрестное перемежающееся кодирование Рида-Соломона (CIRC), модуляцию от восьми до четырнадцати (EFM), а также использование питов и площадок для кодирования битов на физическую поверхность компакт-диска.
Структуры, используемые для группировки данных на компакт-диске, также взяты из Красной книги . Как и аудио компакт-диски (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 субкод). В отличие от аудио компакт-дисков, данные, хранящиеся в этих секторах, соответствуют цифровым данным любого типа, а не аудиосэмплам, закодированным в соответствии со спецификацией аудио компакт-диска. Для структурирования, адресации и защиты этих данных стандарт CD-ROM дополнительно определяет два режима сектора: режим 1 и режим 2, которые описывают два различных макета данных внутри сектора. [2] Дорожка (группа секторов) внутри компакт-диска содержит сектора только в одном и том же режиме, но если на компакт-диске присутствует несколько дорожек, каждая дорожка может иметь свои сектора в режиме, отличном от остальных. треки. Они также могут сосуществовать с дорожками аудио-CD, как в случае компакт-дисков смешанного режима .
Оба сектора режима 1 и 2 используют первые 16 байтов для информации заголовка , но различаются оставшимися 2336 байтами из-за использования байтов исправления ошибок . В отличие от аудио компакт-диска, компакт-диск не может полагаться на сокрытие ошибок путем интерполяции ; требуется более высокая достоверность получаемых данных. Чтобы добиться улучшенного исправления и обнаружения ошибок, режим 1, используемый в основном для цифровых данных, добавляет 32-битный код циклического избыточного кода (CRC) для обнаружения ошибок и третий уровень исправления ошибок Рида-Соломона [n 1] с использованием кода Рида. - Код Соломона, подобный продукту (RSPC). Таким образом, режим 1 содержит 288 байт на сектор для обнаружения и исправления ошибок, оставляя 2048 байт на сектор доступным для данных. Режим 2, который больше подходит для изображений или видеоданных (где абсолютная надежность может быть немного менее важна), не содержит дополнительных байтов обнаружения или исправления ошибок, поэтому в каждом секторе имеется 2336 доступных байтов данных. Оба режима, как и аудио компакт-диски, по-прежнему выигрывают от нижних уровней исправления ошибок на уровне кадра. [17]
Перед сохранением на диске с помощью методов, описанных выше, каждый сектор CD-ROM шифруется, чтобы предотвратить появление некоторых проблемных шаблонов. [15] Эти скремблированные сектора затем следуют тому же процессу кодирования, описанному в Красной книге , чтобы окончательно сохранить их на компакт-диске.
В следующей таблице показано сравнение структуры секторов в CD-DA и CD-ROM: [15]
Чистая скорость передачи данных компакт-диска Mode-1, основанная на сравнении со стандартами аудио CD-DA, составляет 44 100 Гц × 16 бит/выборку × 2 канала × 2048/2352/8 = 150 КБ/с (150 × 2 10 ) . Это значение, 150 Кбайт/с, определяется как «скорость 1×». Следовательно, для компакт-дисков режима 1 привод компакт-дисков 1 × считывает 150/2 = 75 последовательных секторов в секунду.
Время воспроизведения стандартного компакт-диска составляет 74 минуты или 4440 секунд и содержится в 333 000 блоков или секторов . Следовательно, чистая емкость CD-ROM режима 1 составляет 650 МБ (650 × 2 20 ). Для 80-минутных компакт-дисков емкость составляет 703 МБ.
CD-ROM XA — это расширение стандарта «Желтой книги» для компакт-дисков, которое объединяет сжатые аудио-, видео- и компьютерные данные, обеспечивая одновременный доступ ко всем этим данным. [18] Он был задуман как мост между CD-ROM и CD-i (« Зеленая книга ») и был опубликован Sony и Philips при поддержке Microsoft в 1991 году, [19] впервые анонсирован в сентябре 1988 года. [20] » XA» означает расширенную архитектуру.
CD-ROM XA определяет две новые схемы секторов, называемые Mode 2 Form 1 и Mode 2 Form 2 (которые отличаются от исходного Mode 2). Форма 1 XA Mode 2 аналогична структуре Mode 1, описанной выше, и может чередоваться с секторами XA Mode 2 Form 2; он используется для данных. Форма 2 режима XA 2 имеет 2324 байта пользовательских данных и аналогична стандартному режиму 2, но с добавлением байтов обнаружения ошибок (хотя и без исправления ошибок). Он может чередоваться с секторами XA Mode 2 Form 1 и используется для аудио/видеоданных. [17] Видео компакт-диски , супер видео компакт-диски , фото компакт-диски , расширенные музыкальные компакт-диски и компакт-диски CD-i используют эти режимы секторов. [21]
В следующей таблице показано сравнение структуры секторов в режимах CD-ROM XA:
Когда создается образ диска CD-ROM, это можно сделать либо в «необработанном» режиме (извлечение 2352 байт на сектор, независимо от внутренней структуры), либо с получением только полезных данных сектора (2048/2336/2352/ 2324 байта в зависимости от режима CD-ROM). Размер файла образа диска, созданного в необработанном режиме, всегда кратен 2352 байтам (размеру блока). [22] Форматы образов дисков, в которых хранятся необработанные сектора CD-ROM, включают CCD/IMG , CUE/BIN и MDS/MDF . Размер образа диска, созданного на основе данных в секторах, будет зависеть от типа используемых секторов. Например, если образ компакт-диска в режиме 1 создается путем извлечения только данных каждого сектора, его размер будет кратен 2048; обычно это относится к образам дисков ISO .
На 74-минутный CD-R можно вместить образы дисков большего размера в необработанном режиме, до 333 000 × 2 352 = 783 216 000 байт (~ 747 МБ). Это верхний предел для необработанных изображений, созданных на компакт-диске Red Book продолжительностью 74 минуты или ≈650 МБ . Увеличение на 14,8% связано с отказом от данных коррекции ошибок.
Емкость CD-ROM обычно выражается с помощью двоичных префиксов , за вычетом пространства, используемого для данных для исправления ошибок. Емкость компакт-диска зависит от того, насколько близко внешняя дорожка данных расположена к внешнему краю диска. [23] Стандартный компакт-диск диаметром 120 мм и емкостью 700 МБ фактически может содержать около 703 МБ данных с коррекцией ошибок (или всего 847 МБ). Для сравнения, однослойный DVD-ROM может содержать 4,7 ГБ (4,7 × 10 9 байт) защищенных от ошибок данных, что больше, чем 6 компакт-дисков.
Диски CD-ROM читаются с помощью приводов CD-ROM. Привод CD-ROM можно подключить к компьютеру через интерфейс IDE ( ATA ), SCSI , SATA , FireWire или USB или собственный интерфейс, например, интерфейс CD Panasonic , стандарты LMSI/Philips, Sony и Mitsumi. Практически все современные приводы CD-ROM также могут воспроизводить аудио компакт-диски (а также видео компакт-диски и другие стандарты данных) при использовании соответствующего программного обеспечения.
В приводах CD-ROM используется лазерный диод ближнего инфракрасного диапазона 780 нм . Лазерный луч направляется на диск через оптико-электронный модуль слежения, который затем определяет, был ли луч отражен или рассеян.
Приводы CD-ROM имеют коэффициент скорости относительно музыкальных компакт-дисков. Если компакт-диск читается с той же скоростью вращения, что и аудио компакт-диск , скорость передачи данных составляет 150 Кбайт/с, обычно называемая «1×» (с постоянной линейной скоростью, сокращенно «CLV» ). При такой скорости передачи данных трек движется под лазерным пятном со скоростью около 1,2 м/с. Чтобы поддерживать эту линейную скорость при перемещении оптической головки в разные положения, угловая скорость варьируется примерно от 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).
Когда скорость вращения диска увеличивается, данные могут передаваться с большей скоростью. Например, привод CD-ROM, который может читать со скоростью 8×, вращает диск со скоростью от 1600 до 4000 об/мин, что дает линейную скорость 9,6 м/с и скорость передачи 1200 Кбайт/с. При скорости выше 12× большинство приводов читают с постоянной угловой скоростью (CAV, постоянные обороты), так что двигатель не переключается с одной скорости на другую, когда головка перемещается с места на место на диске. В режиме CAV число «×» обозначает скорость передачи данных на внешнем крае диска, где она максимальна. Считалось, что 20× — это максимальная скорость из-за механических ограничений, пока Samsung Electronics не представила SCR-3230, привод CD-ROM 32×, в котором используется система шарикоподшипников для балансировки вращающегося диска в приводе для снижения вибрации и шума. По состоянию на 2004 год самая высокая доступная скорость передачи данных составляла 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 увеличении 52× линейная скорость самой внешней части диска составляет около 65 м/с. Тем не менее, улучшения все же можно получить, используя несколько лазерных датчиков, как это продемонстрировал Kenwood TrueX 72×, который использует семь лазерных лучей и скорость вращения примерно 10×.
Первый привод 12× был выпущен в конце 1996 года. [24] При скорости выше 12× возникают проблемы с вибрацией и нагревом. Приводы CAV дают скорость до 30× по внешнему краю диска при той же частоте вращения, что и стандартная ( постоянная линейная скорость , CLV) 12×, или 32× с небольшим увеличением. Однако из-за характера CAV (линейная скорость на внутреннем крае по-прежнему составляет всего 12×, плавно увеличиваясь между ними) фактическое увеличение пропускной способности составляет менее 30/12; на самом деле, примерно в 20 раз больше для полностью заполненного диска и еще меньше для частично заполненного.
Проблемы с вибрацией, возникающие из-за ограничений на достижимую симметрию и прочность носителей массового производства, означают, что скорость приводов CD-ROM не значительно увеличилась с конца 1990-х годов. Более 10 лет спустя широко доступные приводы варьируются от 24× (тонкие и портативные устройства, скорость вращения 10×) до 52× (обычно устройства для компакт-дисков и устройства только для чтения, скорость вращения 21×), все они используют CAV для достижения заявленных характеристик». max», наиболее распространенными являются скорости от 32× до 48×. Несмотря на это, такие скорости могут привести к плохому считыванию (коррекция ошибок привода стала очень сложной в ответ) и даже разрушению плохо изготовленных или физически поврежденных носителей, при этом небольшие трещины быстро перерастают в катастрофические поломки при центростремительном напряжении со скоростью 10 000–13 000 об/мин (т. е. 40 –52× CAV). Высокие скорости вращения также создают нежелательный шум из-за вибрации диска, потока воздуха и самого двигателя шпинделя. Большинство накопителей 21-го века допускают принудительные режимы низкой скорости (с помощью небольших служебных программ) в целях безопасности, точного чтения или тишины и автоматически отключаются при возникновении многочисленных последовательных ошибок чтения и повторных попыток.
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 90–99-минутный записываемый носитель, GigaRec и компакт-диск двойной плотности ( Purple) . Книжный стандарт) рекордеры, их полезность была сведена на нет с появлением потребительских приводов DVD-ROM , способных обеспечивать постоянную скорость CD-ROM, эквивалентную 36 × (4 × DVD) или выше. Кроме того, поскольку компакт-диск емкостью 700 МБ полностью читается менее чем за 2,5 минуты при 52× CAV, увеличение фактической скорости передачи данных все меньше влияет на общую эффективную скорость привода, если принять во внимание другие факторы, такие как загрузка/выгрузка, распознавание носителя, вращение вверх/вниз и случайное время поиска, что приводит к значительному снижению отдачи от инвестиций в разработку. Аналогичный эффект расслоения с тех пор наблюдался при разработке DVD, где максимальная скорость стабилизировалась на уровне 16× CAV (в исключительных случаях между 18× и 22×), а емкость – на уровне 4,3 и 8,5 ГБ (однослойные и двухслойные), с более высокой скоростью и емкостью. вместо этого ему нужны приводы Blu-ray.
Приводы для записи компакт-дисков часто продаются с тремя различными рейтингами скорости: одна скорость для операций однократной записи, одна для операций перезаписи и одна для операций только чтения. Скорости обычно перечисляются в таком порядке; т.е. привод компакт-дисков 12×/10×/32×, если позволяет процессор и носитель, 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). с) и чтение компакт-дисков на скорости 32× (4,69 МБ/с).
Дистрибьюторы программного обеспечения, и в частности дистрибьюторы компьютерных игр, часто используют различные схемы защиты от копирования, чтобы предотвратить запуск программного обеспечения с любых носителей, кроме оригинальных компакт-дисков. Это несколько отличается от защиты аудио-CD тем, что обычно реализуется как на носителе, так и в самом программном обеспечении. Сам компакт-диск может содержать «слабые» сектора, затрудняющие копирование диска, а также дополнительные данные, которые может быть сложно или невозможно скопировать на компакт-диск или образ диска, но которые программное обеспечение проверяет при каждом запуске. чтобы убедиться, что в приводе CD-ROM компьютера находится оригинальный диск, а не несанкционированная копия. [ нужна цитата ]
Музыкальная индустрия поощряет производителей устройств записи компакт-дисков ( CD-R или CD-RW ) гарантировать, что каждый производимый ими привод имеет уникальный идентификатор, который будет кодироваться приводом на каждом записываемом диске: RID или идентификатор записывающего устройства. Код. [30] Это аналог исходного идентификационного кода (SID), восьмизначного кода, начинающегося с « IFPI », который обычно наносится на диски, выпускаемые заводами по записи компакт-дисков.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )А вот и Даймонд с первым 12X CD-ROM.