Министерство образования Республики
Беларусь
ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ
Реферат на
тему:
Структура
компакт диска
по предмету “Системное программное
обеспечение”
подготовил студент математического
факультета 5группы 2курса
Крижак
Александр Станиславович
Преподаватель Ливак Елена Николаевна
Гродно 2003
Введение
Компакт-диски
(CD-ROM), изначально разработанные для любителей высококачественного звучания,
прочно обосновались теперь на рынке компьютерных устройств. Благодаря своим
малым размерам, большой емкости, надежности и долговечности они с успехом
применяются в качестве устройств внешней памяти.
Музыкальные
оптические компакт-диски пришли на смену виниловым ("грампластинкам")
в 1982 году примерно в то же время, когда появились первые персональные
компьютеры фирмы IBM. Двумя гигантами электронной промышленности - японской
фирмой Sony и голландской Philips был разработан специальный стандарт, известный
как "Красная Книга" (Red Book), согласно которому компакт-диск должен
быть рассчитан всего на 74 минуты звучания, а точнее на 74 минуты и 33 секунды.
Когда 74 минуты пересчитали в байты, то получилось как раз 640 Мбайт.
Две
вышеназванные фирмы сыграли также ведущую роль при разработке первой
спецификации цифровых компакт-дисков - так называемой "Желтой Книги"
(Yellow Book). Она послужила основой для создания компакт-дисков с комплексным
представлением информации, то есть способных хранить не только звуковые, но также
текстовые и графические данные (CD-Digital Audio, CD-DA). Вторым стандартом для
цифровых компакт-дисков стала спецификация HSG (High Sierra Group), или просто
High Sierra. Этот документ был предложен основными производителями цифровых
компакт-дисков с целью обеспечить хотя бы некоторую совместимость. Данная
спецификация определяла уже как логический, так и файловый форматы
компакт-дисков.
Принятый
несколько позже международный стандарт ISO 9660 для цифровых компакт-дисков в
принципе совпадал с основными положениями HSG. Заметим, что все компакт-диски,
соответствующие требованиям стандарта ISO 9660, который определяет их
логический и файловый форматы, являются совместимыми друг с другом. В
частности, этот документ определяет, каким образом найти на компакт-диске его
содержание Volume Table Of
Contents (VTOC).[1]
Физическая
структура компакт-диска
В
структуре компакт диска можно выделить четыре основных слоя (пятый -
изображение, нанесенное на поверхность диска), наносимых поэтапно.
Пойдем
по пути изготовления диска. Изначально изготавливается пластмассовая основа
диска - поликарбонат (Е), которая составляет основную часть CD-R и придает ему
необходимую прочность и форму. Далее, на готовую пластмассовую форму наносится
активный слой (D) (dye). Именно этот слой позволяет осуществлять запись на диск
и определяет его надежность и качество считывания информации в дальнейшем (в
простых CD-ROM дисках данный слой отсутствует, а запись необходимой
информации происходит непосредственно на предприятии-изготовителе). На
сегодняшний день широко используется два типа активного слоя: цианин и
фталоцианин.
После
того, как на поликарбонатовую заготовку был нанесен dye, диск покрывается
специальным слоем светоотражающего материала (C). В обычных CD-ROM для этой
цели применяется алюминий, в CD-R дисках же применяется чистое серебро,
позволяющее добиться 65-80%-го коэффициента отражения.
Завершающим
этапом изготовления диска является нанесение защитного слоя (В), на который в
дальнейшем возможно нанесение изображений (А). Наиболее распространенным и
простым в изготовлении защитным слоем является специальный лак. Лакировка диска
не дает 100%-ной гарантии сохранности данных при воздействии внешних
механических или химических воздействиях. Тем не менее, многие китайские
"производители" часто экономят на лаке, либо наносят его так, что на
диске образуются концентрические разводы в виде волн, что свидетельствует либо
о неправильно рассчитанной скорости нанесения, либо о неправильном режиме
сушки, что делает диски практически беззащитными от влияния внешних
воздействий. [2]
Формат
компакт-диска
Все
CD-ROM имеют один и тот же физический формат изготовления и емкость
650 Мбайт. Диск диаметром 120 мм, толщиной 1,2 мм и центральным отверстием
диаметром 15 мм. Центральная область вокруг отверстия шириной 6 мм называется
зоной крепления (Clamping). После
нее расположена калибровочная (Program
Calibration) зона. Она
используется в
CD-R дисках для настройки
мощности лазера записывающим устройством. Область регистрации (Program
Memory)
также имеется только в записываемых дисках. Сюда временно записываются координаты
начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего устройства
без закрытия сессии. За ней
непосредственно следует заголовочная область (Lead-in),
содержащая оглавление диска (TOC - Table Of Content), -- 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). Далее расположена область шириной 33 мм, предназначенная
для хранения данных и физически представляющая собой единый трек. Завершающей
является терминальная область (Lead-out) шириной 1 мм.
Кроме того, имеется также внешний (защитный) обод диска шириной 3 мм.
Область
хранения данных логически может содержать от 1 до 99 треков, однако разнородная
информация не может быть смешанна на одном треке. Цифровая информация хранится
на CD-ROM в виде чередующихся по ходу спирали ямок, нанесенных на
поверхность полиуглеродного пластика. Ямка воспринимается лучом лазера как
логический ноль, а гладкая поверхность как логическая единица. [3]
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:
o
число каналов
o
данные или звук
o
можно ли копировать
o
признак частотных предыскажений
(pre-emphasis): искусственный подъем высоких частот на 20 дБ
o
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 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). [4]
Файловая структура CD-ROM
Инициирующая дорожка данных на компакт-диске
начинается со служебной области, необходимой для синхронизации между приводом и
диском. Далее расположена системная область, которая содержит сведения о
структурировании диска. В системной области находятся также директории данного
тома с указателями или адресами других областей диска. Существенное различие
между структурой компакт-диска и, например, дискетой заключается в том, что на
CD системная область содержит прямой адрес файлов в поддиректориях, что должно
облегчить их поиск. Международный
стандарт ISO 9660 описывает файловую систему на CD-ROM. ISO 9660 первого уровня
напоминает файловую систему MS-DOS: имена файлов могут содержать до восьми
символов, расширение имени файла (состоящее из трех символов) отделяется от
имени файла точкой. Имена файлов не могут содержать специальных символов
("-", "~", "=", "+"). При именовании
файлов используются символы только верхнего регистра, цифры и символ
"_". Имена каталогов не могут иметь расширений. Каждый файл имеет
версию - номер версии отделяется от расширения символом ";". Каталоги
могут иметь глубину вложенности 8. Стандарт ISO 9660 второго уровня позволяет
использовать в именах файлов до 32 символов, накладывая описанные выше
ограничения. Диски, созданные с использованием такого стандарта, не могут
использоваться в ряде операционных систем, включая и MS-DOS.
Отметим,
что для большинства компакт-дисков вся хранимая впоследствии на них информация
заносится за один технологический цикл, или сеанс (single session). Как уже
говорилось оглавление диска, то есть указатель того, где и как на нем хранится
информация, содержится в VTOC. Однако после того как появилась технология
позволяющая дописывать информацию на специальные (дописываемые) CD-ROM, речь
пошла уже о многосеансовых компакт-дисках и соответствующих приводах (multi
session).
Основными
элементами файловой структуры CD-ROM являются:
·
первичный дескриптор тома (PVD - Primary Volume Descriptor);
он всегда находится в шестнадцатом секторе сеанса и содержит ссылки на таблицу
путей (PT - Path Table) и корневой каталог (RD - Root Directory);
·
таблица путей (PT) содержит адреса каталогов (DF -
Directory Files).
Если
файловая структура охватывает более одного сеанса, то ссылки из корневого
каталога последующих сеансов включают в себя ссылки на каталоги предыдущих
сеансов и таким образом каталоги предшествующих сеансов становятся доступными в
последующих сеансах. На этом базируется возможность обновления файлов. Несмотря
на невозможность стирания, эффект "перезаписи" сохраняется для
пользователя: это достигается путем перезаписи в последующем сеансе каталогов,
содержащих ссылки на замещаемый файл. Файл, разумеется, также записывается в
последующем сеансе, и в новую редакцию каталога включается ссылка на него. При
стандартном доступе к файлам будут использоваться ссылки из корневого каталога
последнего сеанса, и файл будет выглядеть обновленным, хотя возможность доступа
к предшествующей версии при помощи специальной ссылки сохранится.
Возможен
также вариант, когда записываемый позже сеанс является независимым, в этом
случае ссылки на сеансы будут аналогичны ссылкам на различные разделы
физического диска. Для нормальной работы файловой системы с CD-R весьма
желателен накопитель, "понимающий" многосеансовые диски. Проверить,
обладает ли накопитель такими способностями, легко - достаточно посмотреть
каталог многосеансового диска: примитивный проигрыватель "увидит"
только каталоги и файлы первого сеанса.
Как
видим, форматы записи оказываются довольно тесно связанными с устройством
накопителя CD-ROM. [5]
CD-RW диски
Термином CD-RW обозначают сравнительно новый тип
записываемых дисков, поступивших в широкую продажу в 1997 году. В отличие от CD-R дисков (т.е. дисков на которые
информацию можно только дозаписывать), CD-RW диски позволяют не менее 1000 раз
частично или полностью стирать/перезаписывать информацию. Основной принцип
перезаписи основан на том, что вещество , используемое в качестве рабочего слоя
может находится в одном из двух устойчивых состояний - кристаллическом или
аморфном, соответственно пропускающем луч лазера до отражающего слоя и обратно
или же рассеивающем свет.
Если вещество находится в первом
(кристаллическом состоянии), то считывающий луч лазера беспрепятственно
проходит сквозь рабочий слой, отражается от отражающего слоя и в итоге попадает
на фотоприемник, что соответствует логической "1". Если же вещество
находится в аморфном состоянии, луч рассеивается, не попадая в итоге на фотоприемник,
что соответствует логическому "0".
Для перевода вещества из одного состояния в
другое используются специальные режимы
нагрева и охлаждения лазерным лучом. Вначале вещество нагревается до высшей
температуры T1, при этом оно теряет свою структуру,
локально в точке фокусировки луча лазера становясь аморфным; если затем
полностью выключить лазера, т.е. произвести резкое охлаждение T1 >> T комн. , то вещество остывая так и
останется в аморфном состоянии. Если же лазер не выключить, а только уменьшить
его мощность и полностью выключить только через какое-то время, то за счет 2-ух
ступенчатого охлаждения T1 >> T2 >> T комн., вещество рабочего слоя
успевает кристаллизоваться.[6]
Заключение
Существующие
сегодня CD-ROM "родились" от аудиодисков, технологическая готовность
выпуска которых существует уже более 15 лет. За это время возникли и новые
технологические возможности, и достаточный рынок для создания устройства,
ориентированного на эффективное хранение данных, и удобные средства доступа к ним.
Возможности формата, основанного на Красной книге, почти исчерпаны (одно только
хранение оглавления в Q-фрейме подканала при пустующих секторах рубит под
корень возможности использования небольших сеансов). Естественно, что мир
стремится к созданию более современных CD. Такие CD давно ждут на рынке, для
них не только придумали название (High Density Compact Disk - HD CD), но и
успели поменять его на MMCD (Multi Media CD). Ожидается, что за счет уменьшения
длины волны считывающего лазера удастся уменьшить размеры пита и расстояние
между дорожками. В совокупности с улучшением структуры хранении информации и
более современными средствами коррекции ошибок, возможно, удастся достичь
емкости 3,7 ГБ на диск. Еще большую емкость обещает мультиповерхностная технология,
при которой запись осуществляется на нескольких (для начала на двух) слоях,
расположенных один над другим. Выбор считываемого слоя обеспечивается
фокусировкой луча именно на нем, а чрезвычайно короткофокусная оптика позволяет
уменьшить помеху от другого слоя до приемлемой величины.
Таким
образом, компакт-диски прочно
укоренились в нашей жизни, т.к. являются
пока самыми универсальными носителями информации в современном информационном
мире, и подробный осмотр структуры этих устройств является неотъемлимой частью
при изучении этой загадочной компьютерной Вселенной.
Литература
1. http://referat2000.bizforum.ru/komp/25.htm
2. http://www.ixbt.com/storage/cdr.shtml
3. http://blhard.narod.ru/books/cd.html
4. http://referat.ru/document/12944
5. http://www.comizdat.com/3/4/90/363/378/
6. http://www.transelectro.ru/glossary/cdrw.html