Стандарты записи данных на CD

 

На протяжении всей истории развития накопителей на оптических дисках создано несколько стандартов на форматы представления данных на CD. Боль­шинство этих форматов были описаны в так называемой “радужной серии книг”. Первой в этой серии появилась “красная книга” (красная обложка кни­ги дала ей название), изданная фирмами Phillips и Sony, в которой описан диск CD-DA.

Предшественником цифрового диска был аналоговый компакт-диск CD-A размером 120 мм и длительностью звучания 60 мин.

В “красной книге” были определены основные требования к качеству запи­си звука, описан метод кодирования данных, обоснованы размеры диска (form-factor). В “желтой книге” были расширены способы представления данных на CD, обоснованы стандарты для текстовой и графической инфор­мации. В дальнейшем они были определены Международной организацией по стандартизации ISO. В этой же книге указано, что на диске лю­бой фирмы-изготовителя должен записываться раздел с оглавлением тома. “Зеленая книга” регламентирует форматы для мультимедийных дисков типа CD-I (Interactive).

“Оранжевая книга” описывает физический формат для записываемых и сти­раемых CD. Основные параметры Video CD, предназначенных для хранения в цифровой форме и воспроизведения видеоизображения, были описаны в “белой книге”, анонсированной в 1993 г. Следующая – “синяя книга” – опи­сывает комбинированный формат CD Extra, позволяющий создать диск с дву­мя типами записей: аудиоинформации и цифровых данных. В сентябре 1995 г. фирма Sony, совместно с восьмью другими фирмами, направила свои усилия на создание единого унифицированного стандарта на формат записи данных на CD – DVD.

Рассмотрим основные форматы записи информации на CD.

Формат CD-DA – цифровой аудиокомпакт-диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 – наиболее распространенный стандарт логической орга­низации записанных данных.

С появлени­ем формата High Sierra стало возможным чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660 с помощью приводов всех типов, что, в свою очередь, привело к массовому тиражированию программ на CD.

Формат Photo-CD разработан компаниями Kodak и Philips в 1990–92 гг. и пред­назначен для записи на CD, хранения и воспроизведения высококачествен­ных фотоизображений (статической видеоинформации). На диске формата Photo-CD может храниться от 100 (разрешение 2048 х 3072 точек) до 800 (раз­решение 256 х 384 точек) фотоизображений, а также звуковая информация.

Формат CD/XA (extended Architecture) – расширенный формат CD, позво­ляющий объединять аудиоинформацию и видеоизображения для их синх­ронного воспроизведения.

Формат CD-I разработан для широкого потребительского рынка как стандарт мультимедийного диска, который может содержать различного рода энцик­лопедии, аудио- и видеоинформацию, развлекательные программы и игры. На диске формата CD-I возможно хранение видеоизображения со звуковым сопровождением (стереозвук) с длительностью воспроизведения до 20 минут.

Диск формата CD-DV позволяет записывать и хранить до 74 мин высококаче­ственного видеоизображения со стереозвуком. Хранение данных основано на методе сжатия MPEG-1 (Motion Picture Experts Group). Для чтения дисков, кроме привода, требуется аппаратный или программный декодер стандарта MPEG.

Формат 3DO разработан для игровых CD-приставок, например Mega-CD фир­мы Sega.

Иногда в литературе встречается так называемый формат Multimedia CD-ROM, однако это не стандарт, а описательный термин для любого CD, допус­кающего запись данных, аудио- и видеоинформации.

 

Накопители DVD

Устройства для чтения дисков высокой плотности DVD-ROM по техническим характеристикам, объемам выпуска и цене достигли, наконец, степени полной готовности к быстрому и массовому внедрению в компьютеры любого уровня. Основные аргументы в пользу приводов DVD заключаются в том, что они способны полностью заменить CD-ROM при ненамного более высокой стоимости и дают при этом, кроме выполнения обычных функций (чтение дисков CD-ROM, CD-R и CD-RW), множество дополнительных возможностей: чтение дисков DVD-ROM (объем информации от 4,7 Гб до 17 Гб) и видеоDVD (высококачественное видеоизображение в формате MPEG-2 и многоканальный звук), а в ближайшей перспективе – воспроизведение звуковых дисков нового формата DVD Audio. На DVD носителях появились программные продукты (энциклопедии, игры), не говоря уже об огромном количестве фильмов.

Процесс совершенствования устройств DVD во многом повторяет путь, пройденный CD, и затрагивает улучшение скоростных характеристик и введение функции записи. Первое поколение устройств DVD-ROM использовало режим CLV и имело скорость чтения с диска DVD 1,38 Мб/с (это 1х DVD). Устройства второго поколения могли читать DVD в два раза быстрее, со скоростью 2х (2,8 Мб/с). Современный этап – это уже устройства третьего поколения, использующие режим CAV, с максимальной скоростью чтения 4х–6х (5,5–8,3 Мб/с). Скоро должны появиться модели со скоростью 8х.

Для DVD разработано несколько типов устройств с функцией записи: DVD-R (с однократной записью), DVD-RAM и DVD-RW (с многократной). Устройства с многократной записью должны получить самое широкое распространение и войти в комплектацию большинства компьютеров. Среди всех форматов DVD-RAM является наиболее перспективным и уже начал применяться на практике. Пока емкость диска составляет 2,6 Гб на одну сторону, в дальнейшем планируется довести ее до 4,7 Гб (и в других форматах тоже).

Диск DVD имеет такой же диаметр, как и обычные компакт-диски, однако это уже не одинарный диск толщиной 1,2 мм. Он состоит из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм каждый, со­единенных между собой своими тыльными сторонами. Благодаря такой структуре информационный слой, с которого производится считывание данных, удален от внешней поверхности только на 0,6 мм вместо прежних 1,2 мм. Это обеспечивает более точную фокусировку лазера для чтения более плотно расположенных данных.

Точная фокусировка достигается также изменением длины волны лазера. В отличие от CD-ROM, который работает с лазером инфракрасного диапазона с длиной волны 780 нм, для DVD при­меняется красный лазер с длиной волны 650 или 635 нм.

CD-RW и CD-R

Приводы CD-R дают возможность считывать данные с компакт-дисков и делать запись только на одноразовые (Recordable) диски. Устройства CD-RW (ReWritable) позволяют осуществлять запись на многоразовые, перезаписываемые диски и более универсальны, чем CD-R.

На диск CD-R можно последовательно добавлять новые файлы или их новые версии, но когда он заполнится, нельзя удалить старые файлы, чтобы высвободить место. Накопитель типа CD-RW позволяет работать с диском CD-RW во многом так же, как с любым другим носителем информации, т.е. обновлять и удалять файлы по мере необходимости.

Помимо относительно низкой стоимости самого устройства, рост их популярности обусловило то, что с увеличением объема используемых программ, баз данных, развитием мультимедийных технологий возникла потребность в архивировании и резервном хранении больших объемов информации (десятки-сотни мегабайт).

Технические характеристики. Скорость записи, перезаписи и чтения указывается в единицах, кратных стандартной скорости аудиозаписи (153,8 Кб/с), например 4х. Маркировка CD-RW 4 x 8 x 32 означает, что скорость перезаписи, записи на одноразовых дисках и чтения равна 4, 8 и 32 соответственно. Иногда встречается маркировка типа 16 х 10 х 40, но всегда наименьшее число обозначает скорость перезаписи (rewrite).

Интерфейс IDE применяется в большинстве устройств. Появляются и модели с более совершенным интерфейсом USB. Сейчас некоторые фирмы начали выпуск моделей с еще более современным интерфейсом IEEE 1394 (он же Fire Ware). Скоростные устройства SCSI в последнее время предлагаются редко.

Объем буфера имеет значение, в первую очередь, для записи на высоких скоростях. У современных моделей он обычно составляет 2 Мб.

Устройство должно читать как обычные диски CD-ROM, так и записываемые CD-R и перезаписываемые CD-RW.

Ранее выпускавшиеся модели пишущих и перезаписывающих устройств имели относительно низкую скорость чтения (4х–6х). Большинство же современных программ требуют не менее чем 8-скоростного устройства, а мультимедийные приложения и игры – еще больше. Наиболее скоростные приводы на данный момент:

- 16 х 12 х 32 Teac;

- 16 x 12 x 32 Yamaha;

- 18 x 8 x 32 Teac.

Строение CD-R диска. В структуре CD-R диска можно выделить четыре основных слоя, наносимых поэтапно (рис. 3.7).

Изначально изготавливается пластмассовая основа диска – поликарбонат, которая составляет основную часть CD-R и придает ему необходимую прочность и форму. Далее на готовую пластмассовую форму наносится активный слой. Именно этот слой позволяет осуществлять запись на диск и определяет его надежность и качество считывания информации в дальнейшем. На сегодняшний день широко используется два типа активного слоя: цианин и фталоцианин.

Затем диск покрывается специальным слоем светоотражающего материала. В обычных CD-ROM для этой цели применяется алюминий, в CD-R дисках применяется чистое серебро, позволяющее добиться 65–80% коэффициента отражения.

Завершающим этапом изготовления диска является нанесение защитного слоя, на который в дальнейшем возможно нанесение изображений. Наиболее распространенным и простым в изготовлении защитным слоем является специальный лак. Лакировка диска не дает стопроцентной гарантии сохранности данных при внешних механических или химических воздействиях. Более высокую степень защиты дает нанесение дополнительных покрытий, которые делают CD более устойчивым к царапинам и химическим воздействиям.

 

Рис 3.7. Строение CD-R диска

 

Введение в архитектуру ЭВМ

 

RISC и CISC архитектуры

 

Архитектура – аппаратные средства и программное обеспечение данного устройства.

Термин “архитектура системы” часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура системы команд.

Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту. Система команд – список всех командных слов языка Ассемблер для данного типа процессора. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина.

В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, являются архитектуры CISC и RISC.

RISC (Reduced (Restricted) Instruction Set Computer) – уменьшенный набор команд, которыми пользуется микропроцессор компьютера, содержащий только наиболее простые команды.

Эти процессоры обычно имеют набор однородных регистров универсального назначения, причем их число может быть большим. Система команд отличается относительной простотой, коды инструкций имеют четкую структуру, как правило, с фиксированной длиной. В результате аппаратная реализация такой архитектуры позволяет с неболь­шими затратами декодировать и выполнять эти инструкции за минимальное число тактов синхронизации. Определенные преимущества дает и унификация регистров.

CISC (Complete Instruction Set Computer) – полный набор команд микропроцессора.

Состав и на­значение их регистров существенно неоднородны, широкий набор команд ус­ложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций. К процессорам с пол­ным набором инструкций относится семейство х86.

Лидером в разработке CISC-процессоров считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно:

- сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

- большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;

- большое количество методов адресации;

- большое количество форматов команд различной разрядности;

- преобладание двухадресного формата команд;

- наличие команд обработки типа регистр-память.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является RISC архитектура. Понятие RISC сформировалось на базе трех исследовательских проектов: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. Эти три процессора имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд, использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.

Среди других особенностей RISC архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8–16 регистрами в CISC архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле более длительное время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки данных процессора с RISC архитектурой, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Ко времени завершения университетских проектов (1983–1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Следует отметить, что в последних разработках компании Intel, а также ее последователей-конкурентов (AMD, Cyrix и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.