Оптические технологии на CD дисках

Накопители на оптических дисках (НОД) предназначены для записи и считывания информации с оптических дисков.

CD – ROM (Compact Disc Read – Only Memory – память только для чтения на компакт – диске) – это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения данных. Другие форматы CD – R и CD – RW позволяют записывать данные на компакт – диск, а благодаря технологии DVD существенно повышается емкость обычного оптического диска.

Оптический носитель информации CD – ROM предназначен только для чтения; на нем может храниться до 650Мбайт данных, что соответствует примерно 333 тыс. страниц текста, 74 минутам высококачественного звучания или их комбинации, 80 – минутные диски содержат до 737Мбайт данных.

Дисководы CD – ROM, используемые в персональных компьютерах для считывания данных, практически идентичны проигрывателям музыкальных компакт – дисков и отличаются только измененной электронной схемой, обеспечивающей дополнительные функции выявления и коррекции ошибок. Это служит гарантией, что данные будут считываться без ошибок, так как малейший, даже самый незначительный сбой при воспроизведении звука недопустим так же, как и отсутствие данных в файле.

Компакт – диск представляет собой поликарбонатную пластину диаметром 120мм и толщиной 1,2мм, в центре которой расположено отверстие диаметром 15мм. Штампованное или литое основание пластины физически является одной спиральной дорожкой, которая начинается на внутренней и заканчивается на внешней части диска. Шаг этой дорожки, или разделение спирали, равен 1,6 микрона (1 микрон – миллионная часть метра или тысячная часть миллиметра). Для сравнения: шаг физической дорожки долгоиграющей пластинки составляет примерно 125 микрон. Компакт – диск, если смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Если рассмотреть спиральную дорожку под микроскопом, то станет видно, что она состоит из приподнятых участков, которые называются впадинами (pits), и плоских поверхностей между ними, называемых площадками (lands). На первый взгляд может показаться странным, что приподнятый участок дорожки называется впадиной. Это связано с тем, что при штамповке диска формовка его верхней части (т.е. профиля дорожки) осуществляется таким образом, что впадины действительно становятся углублениями, сделанными в поликарбонатной пластине.

Лазер, используемый для считывания данных компакт – диска, может свободно пройти сквозь прозрачный пластик, поэтому отформованная поверхность диска покрывается отражающей металлической пленкой (обычно алюминиевой). После этого алюминиевая пленка покрывается тонким защитным слоем акрилового лака, на который, в свою очередь, наносится текст или красочное изображение.

Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного от металлической поверхности диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный фоторецептор улавливает отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), всегда отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, обратно не отражается.

Диск вращается над лазером и рецептором (приемником), поэтому лазер непрерывно излучает свет, а рецептор воспринимает набор световых вспышек, повторяющих рисунок впадин и площадок, по которым проходит лазерный луч. Всякий раз, когда луч лазера пересекает границы впадины, изменяется состояние отраженного сигнала. Каждое изменение отраженного сигнала, вызванного пересечением границы впадины, преобразуется в бит со значением 1. Микропроцессоры накопителя пересчитывают переходы светлый/темный и темный/светлый (т.е. границы впадины) в единицы (1); область, не содержащая переходов, представляется нулем (0). Полученный набор двоичных разрядов затем преобразуется в данные или звук.

Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт – диска, равна 0,125 микрона, а их ширина – 0,6. Минимальная длина впадин или площадок составляет 0,9 микрона, максимальная – 3,3 микрона (рисунок 1).

Рисунок 1 – Геометрия впадин и площадок, образующих компакт – диск

Впадины (штрихи) образуют единственную спиральную дорожку с расстоянием 1,6 микрона между витками, что соответствует плотности дорожек 625 витков на миллиметр или 15875 витков на дюйм. Стандартный 74-минутный (650Мбайт) диск в целом содержит 22188 витков. Диск разделен на шесть основных областей (рисунок 2).

1 Область фиксирования диска. Область фиксирования (посадки) представляет собой центральную часть компакт – диска с отверстием для вала проигрывателя. Эта область не содержит какой–либо информации или данных.

2 Область калибровки мощности (PCA). Эта область существует только на перезаписываемых дисках (CD – R/RW) и используется только дисководами перезаписываемых дисков для определения мощности лазера, необходимой для оптимального выжигания диска. Тестирование области калибровки каждого диска CD – R или CD – RW может проводиться до 99 раз.

Рисунок 2 – Области компакт – диска (в разрезе)

3 Программируемая область памяти (PMA). Эта область, существующая только на перезаписываемых дисках (CD – R/RW), представляет собой зону, используемую для записи временной таблицы оглавления (Table Of Content – TOC). После завершения сеанса записи информация ТОС переписывается на нулевую дорожку.

4 Нулевая дорожка. Эта дорожка содержит оглавление диска (или сеанса) в кодировочном канале Q. Оглавление включает в себя начальные адреса и длины всех дорожек (музыкальных или дорожек данных), общую длину программной области (области данных), а также информацию о каждом сеансе записи. Компакт – диск, записанный полностью за один сеанс (в режиме DAO или Disk At Once), содержит только одну нулевую дорожку. Диски, записанные в течение нескольких сеансов, включают в себя несколько нулевых дорожек, которыми начинается каждый сеанс записи. Нулевая дорожка занимает 4500 секторов диска (одну минуту, если пользоваться единицами времени, или около 9,2Мбайт данных). Нулевая строка также указывает, является ли данный диск многосеансовым (т.е. многократно перезаписываемым); кроме того, она указывает следующий адрес записи диска, если он не заполнен.

5 Программная (информационная) область. Область диска, которая начинается на расстоянии 25мм от его центра.

6 Конечная зона. Эта область отмечает конец программной (информационной) области диска или же завершение сеанса записи на многосеансовом диске. Конечная зона не содержит каких–либо данных и используется только в качестве маркера. Первая конечная зона (или единственная, если диск записан в течение одного сеанса или в режиме Disk At Once) занимает 6750 секторов (эквивалент 1,5мин или около 13,8Мбайт данных). Все последующие конечные зоны многосеансового диска занимают 2250 секторов (0,5мин или около 4,6Мбайт данных).

Спиральная дорожка разделена на секторы, частота следования которых при чтении или записи составляет 75 секторов в секунду. Таким образом, на диске, содержащем в общей сложности 74мин информации, может находиться максимум 333000 секторов. Каждый сектор, в свою очередь, разделен на 98 отдельных блоков (фреймов) информации. Каждый фрейм содержит 33 байт, из которых 24 байт являются звуковыми данными, 1 байт содержит кодовую служебную информацию, а 8 байт используются для хранения данных, получаемых при коррекции четности/кода ошибок (ЕСС).

При разработке стандарта компакт – дисков Red Book основное внимание было уделено обработке ошибок. Для уменьшения влияния возможных ошибок в компакт – дисках используются методы контроля четности и чередования, получившие название перемежающего кода Рида–Соломона (CIRC). Эта технология работает на уровне блоков (фреймов). При сохранении информации 24 байт данных каждого блока сначала обрабатываются шифратором Рида – Соломона, создающим 4 – байтовый код контроля четности (так называемый Q – контроль четности), который добавляется к исходным 24 байтам данных. Полученные в результате этой операции 28 байт передаются второму шифратору, использующему другую схему, который, в свою очередь, создает дополнительный 4-байтовый код контроля четности (Р – контроль четности). Этот код добавляется к 28 байтам, полученным в предыдущем кодировании, что составляет 32 байта (24 исходных байта данных плюс байты Q – и P – контроля четности). Затем вводится дополнительный подкодовый байт данных (информация о дорожке), в результате чего получается 33 байта для каждого блока.

Схема CIRC, используемая в музыкальных компакт – дисках и дисках данных CD – ROM, позволяет исправлять ошибки длиной до 3874 бит, что составляет 2,6мм длины дорожки. Кроме того, использование метода интерполяции дает возможность исправлять ошибки длиной до 13282 бит (или 8,9мм по длине дорожки). Интерполяция представляет собой процесс приблизительного вычисления или усреднения данных, позволяющий восстановить отсутствующие данные. Этот метод, конечно, не годится для компьютерных дисков CD – ROM, поэтому он применяется только в музыкальных компакт – дисках. Стандарт компакт – дисков Red Book определяет частоту блоков с ошибками (Block Error Rate – BLER) как отношение количества блоков с какими – либо ошибками (98 блоков в каждом секторе) ко времени их считывания, выраженному в секундах. Необходимо, чтобы полученное значение не превышало 220. Если это условие соблюдается, то компакт – диск, содержащий до 3% блоков с ошибками, все еще будет работоспособен.

Наличие дополнительного уровня обнаружения ошибок и схемы коррекции является характерной чертой музыкальных проигрывателей компакт – дисков и накопителей CD – ROM. Музыкальные проигрыватели преобразуют цифровые данные, хранящиеся на компакт – диске, в аналоговые сигналы, обрабатываемые стереофоническим усилителем. При использовании этой схемы некоторая неточность воспроизведения данных вполне допустима, так как человеческое ухо просто не в состоянии это услышать. В свою очередь, накопители CD – ROM не могут допустить какую – либо ошибку, так как каждый бит данных должен считываться предельно точно. Поэтому компакт – диски CD – ROM, наряду с основными данными, содержат большой объем дополнительной информации ЕСС. Код коррекции ошибок (ЕСС) позволяет выявлять и исправлять большинство мелких ошибок, повышая тем самым надежность и точность обработки данных до уровня, приемлемого для хранения данных.

Диск CD – ROM, наряду с основными данными, содержит дополнительную информацию, введенную в каждый сектор и применяемую для выявления и исправления ошибок, а также для более точного определения секторов данных. Для этого из 2352 байт каждого сектора, используемых первоначально для хранения звуковых данных, 304 байта применяются для синхронизации (синхронизирующие биты), идентификации (биты идентификации), кода коррекции ошибок (ЕСС), обнаружения и исправления ошибок (EDC). Фактически в каждом секторе остается 2048 байт пользовательских данных. За одну секунду считывается 75 секторов, поэтому базовая скорость считывания данных с компакт – дисков CD – ROM достигает 2048 х 75 = 153600 байт/с, что составляет 153,6Кбайт/с.