Тема 2. Оптические диски: принципы, устройство, перспективы

2.1. CD -ROM

Начнем с того, что самым мелким (и на сегодня независимым от типа диска) элементом формата служит EFM -фрейм (Eight to Fourteen Modulation - кодирование 8 в 14). Он содержит 33 байта: первый байт - управления и идентификации - и 32 байта, полученных путем помехоустойчивого кодирования 24 полезных байтов данных (см. рис. 1). 98 таких фреймов собирают вместе и образуют аудио-сектор, содержащий 24*98=2352 байта данных и 98 байтов управления и идентификации.

Байты управления и идентификации аудио-сектора путем объединения одноименных разрядов байтов управления образуют восемь фреймов подканала (Subcode Channel), обозначаемых латинскими буквами P, Q,..., W. Каждый фрейм подканала начинается с двух битов синхронизации, кроме которых содержит еще 12 байтов. Два последних байта используются для подсчета собственной контрольной суммы, так как механизм коррекции ошибок в информационном фрейме, описанный в первой части статьи, не распространяется на байты управления и идентификации (эти байты при записи предшествуют уже закодированной информационной части фрейма). Фреймы подканала образуют основной механизм хранения служебной информации, как то: идентификационные номера диска и дорожки, номер дорожки на диске, временные параметры отдельных фрагментов записи и т.д. P-фрейм используется для хранения флажков паузы, которые имеются, в частности, между музыкальными фрагментами. Этот фрейм подканала предназначался для самых простых аудио-проигрывателей, устройство управления которых не обладало достаточным быстродействием для реализации других механизмов поиска требуемого фрагмента. Фреймы подканалов от R до W могут использоваться различными приложениями, в частности, для вывода текста на "экран" одновременно со звуком или для выдачи команд MIDI (musical instrument digital interface) - цифрового интерфейса управления музыкальными инструментами. К более подробному рассмотрению структуры Q-фрейма подканала мы вернемся позже.
24 байта данных каждого EFM -фрейма, собранные вместе (всего 2352байта), образуют данные аудио-сектора, иногда называемого сектором Красной книги. (Напомним, что в CD-технике стандарты принято именовать по цвету обложки публикации). Способ использования этих данных в значительной степени определяет тип диска (количество различных типов диска перевалило за полтора десятка). Обычно выделяют пять типов секторов.

Между аудио-сектором (наименьшим форматно-зависимым элементом) и диском (самым "крупным" элементом формата) существует еще две ступени. Это дорожки (tracks) и сеансы (sessions).

Деление на дорожки довольно старое и связано с разделением аудио-диска на отдельные музыкальные фрагменты для облегчения поиска фрагментов и управления воспроизведением звука. Тем не менее деление на дорожки сохранилось и в CD-ROM, так как обеспечивает удобный доступ к фрагментам записи и позволяет сгруппировать сектора одного типа для упрощения работы системы управления накопителем на CD-ROM.

Сеансы - позднее нововведение, связанное с подготовкой в 1990 году CD-R (CD Recordable - записываемые КД). CD-R появились на рынке в 1992 году. Сеанс объединяет все необходимые компоненты, обеспечивающие возможность работы с CD-R обычных проигрывателей ("читающих" накопителей). Таким образом, сеанс является своего рода "квантом" записи. Данные незавершенного сеанса записи не могут быть прочитаны обычными средствами. До 1990 года понятие сеанса было тождественно понятию диска, однако с появлением CD-R стало возможно записывать диски порциями. Типичный пример Photo-CD - компакт-диск для хранения изображений, подразумевающий, по идее создания, что данные будут дописываться на него по мере накопления.

Чтобы рассмотреть интересующую нас классификацию дисков, придется описать типы секторов, дорожек и сеансов.

Типы секторов

Первым типом сектора, естественно, был и остается аудио-сектор, иначе называемый сектором Красной книги. Это просто 2352 байта, рассматриваемых как 16-разрядные отсчеты двух или четырех звуковых каналов, то есть как 588 стерео- или 294 квадро-отсчета. Мнемоническое правило: "цвет дорожки не меняется" - подразумевает, что в пределах одной дорожки все сектора должны определяться одним стандартом. Если это стандарт Красной книги, то мы получаем дорожку, содержащую только аудио-сектора. Использовать такие дорожки в компьютерных приложениях крайне невыгодно (аудио-данные можно неплохо сжать для экономии места) и мы не будем дальше обращаться к этому типу секторов.

Все остальные типы секторов имеют одинаковое начало: 12 байтов синхронизации (00h, 10 байт FFh, 00h) и четырехбайтовый заголовок. Оставшиеся 2336 байтов используются по-разному, что определено в двух стандартах: Желтой и Зеленой книгах.

Принятая в 1985 году Желтая книга определила CD-ROM, а позднее дополнилась и CD-ROM XA (Compact Disc Read Only Media eXtended Architecture). В этом стандарте определились два типа секторов данных: вид 1 (mode 1) и вид 2 (mode 2). Причиной разделения секторов данных на два вида явились различные требования к достоверности воспроизведенной информации. Как уже отмечалось, такие требования для аудио- и видео-информации значительно мягче, чем для программ (в самом деле, случайная ошибка в воспроизведении музыкального фрагмента может быть замаскирована, а в худшем случае вызовет щелчок в динамике, тогда как искажение даже одного байта программы обычно вызывает ее необратимое разрушение). Для программ, архивов (в общем случае, для произвольных файлов данных) нужны дополнительные средства коррекции ошибок. С другой стороны, жалко тратить дополнительные усилия и расходовать место на диске для коррекции ошибок в аудио- и видеоданных.

Для обеспечения повышенной достоверности в секторе Желтой книги первого вида (будем называть его сектором второго типа; первый - аудио) выделяется 4 байта кода, обнаруживающего ошибки (EDC - Error Detection Code), и 276 байтов кода, корректирующего ошибки (ECC - Error Correction Code). Эти дополнительные средства борьбы с ошибками, используемые после того, как данные обработаны кодами уровней C1 и C2, называют третьим уровнем коррекции ошибок (C3). Принцип коррекции ошибок на третьем уровне аналогичен рассмотренному в первой части статьи. В результате обеспечивается снижение вероятности ошибки до уровня 10-15...10-16 (разумеется, имеются в виду случайные источники ошибок: пыль, незначительные повреждения или дефекты материала основы и т.п., а не коррекция ошибок от разрушающих повреждений диска).

Таким образом сектор второго типа имеет вид, показанный на рис. 2.

Рис.2. Сектор второго типа (первый вид сектора Желтой книги).

Сектор третьего типа (второй вид сектора Желтой книги) отличается отсутствием средств коррекции ошибок, и таким образом объем полезных данных удается довести до 2336 байтов (рис. 3).

Рис.3. Сектор третьего типа (второй вид сектора Желтой книги).

Именно сектора второго типа и образовали первые CD-ROM. Этот тип секторов применяют и сейчас. Что касается секторов третьего типа, то их постигла неудача: современные приложения их практически не используют. Накопители хотя и способны выполнить чтение таких дисков, но для дальнейшей работы требуются специальные программные средства, которые обеспечили бы декодирование и взаимодействие с этими данными.

Сектора второго и третьего типа не могут находиться на одной дорожке. Вероятно это и послужило основной причиной постепенного отказа от таких секторов в пользу секторов CD-ROM XA, совпадающих по структуре с секторами данных Зеленой книги (CD-I: compact disc interactive system) (рис. 4, 5).

Рис.4. Сектор четвертого типа: первая форма второго вида секторов данных CD-ROM XA / Зеленой книги.

Рис. 5. Сектор пятого типа: вторая форма второго

вида секторов данных CD-ROM XA / Зеленой книги.

 

Поскольку сектора четвертого и пятого типов принадлежат к одному виду (только к разным формам), то они могут находиться одновременно на одной дорожке. Таким образом, становится возможным воспроизведение видио- и аудиоданных совместно с секторами данных без междорожечного перемещения головки считывания. Это необходимо для нормальной работы multimedia-приложений в реальном времени.

2.3. Дорожки, сеансы, диски

Следующая ступень группировки данных - дорожки. Наиболее развито это понятие для CD-DA, но существуют дорожки и на Желтых дисках (т.е. дисках, соответствующих стандарту Желтой книги - CD-ROM) и на Зеленых дисках (CD-I).

И наконец, совокупность заголовочной области с оглавлением (Lead-In содержащая TOC - Table Of Contents), области данных (совокупности дорожек) и финальной (Lead-Out) области образуют сеанс (Session). В простейшем случае сеанс занимает весь диск (рис. 6).

 

Рис 6. Компакт диск.

 

Для адресации дорожек в пределах сеансов, секторов в пределах дорожек и сеансов (или диска) используется понятие времени (эта традиция связана с развитием CD первоначально для аудио-приложений). Различают относительное время (Relative Time), измеряемое в минутах (min), секундах (sec) и фреймах (frame) от первого ненулевого аудио-отсчета дорожки, и абсолютное время (Absolute Time), измеряемое в минутах (amin), секундах (asec) и фреймах (aframe) от начала области данных. Во всех случаях под фреймом понимается фрейм подканала, соответствующий сектору.

Во всех видах дорожек счет времени происходит в Q -фрейме подканала. Структура такого фрейма показана на рис. 7.

Рис.7. Структура Q- фрейма (музыкальная дорожка или дорожка данных).

 

Под номер дорожки (TNO) отведены две десятичные цифры (от 01 до 99), которые и определяют максимальное количество дорожек. Значение TNO=00 соответствует паузе, а TNO=AA - финальной области сеанса. В секторах данных информация о времени дублируется в заголовках, в которых также приводится вид сектора: десятичное число от 0 до 2 (см. рис. 2 - 5). Диски CD-ROM XA, кроме того, содержат дополнительное разделение секторов на файлы (для секторов данных - форма 1) или каналы (для секторов с аудио- видеоинформацией - форма 2). Номер файла (от 0 до 255) или канала (от 0 до 15 для аудио- и от 0 до 31 для видеоканала) содержится в подзаголовке, дважды повторяясь в байтах 1, 5 и 2, 6 соответственно. Кроме того, в заголовке содержатся, также повторяясь в байтах 3 и 7, признаки (флаги) типа сектора - данные, аудио, видео,- а также метод кодирования (байты 4 и 8 подзаголовка). Сектора, принадлежащие одним и тем же файлам (или каналам), благодаря наличию номеров файла и канала, могут идти не подряд, а перемежая друг друга и обеспечивая необходимую последовательность доступа в реальном времени. Записываемое в заголовочной области оглавление хранится полностью в Q -фреймах, в соответствующих этим фреймам секторах заголовочной области - "аудио-тишина". Формат такого фрейма показан на рисунке 8. Две десятичных цифры (POINT) задают номер дорожки (от 01 до 99; в этом случае параметры pmin, psec, pframe задают расположение этой дорожки), либо принимают специальные значения - A0, A1, A2. В последнем случае те же параметры pmin, psec, pframe задают номера начальной и конечной дорожки (для аудиодисков и CD-ROM), а так же расположение финальной области.

Благодаря универсализации дорожек удается сделать CD -проигрыватели нечувствительными к различиям между аудио-дисками и CD-ROM. Обычный проигрыватель делит CD на три группы:

· аудио и CD-ROM (Красные/Желтые) - признак: psec=00 при POINT=A0;

· CD-I (Зеленые) - признак: psec=10 при POINT=A0;

· Переходные (Bridge) - признак: psec=20 при POINT=A0.

Различие между аудио и CD-ROM обеспечивается за счет третьего бита полубайта управления (см. рис. 7).

2.4. Многосеансовые (multisession) диски и процедуры завершения записи (fixate)

С 1990 года сеанс перестал быть аналогом диска. При записи на диск нескольких сеансов возникает, соответственно, и несколько оглавлений (TOC). Для того, чтобы зафиксировать момент завершения записи данных, необходимо выполнить специальную процедуру завершения, которая сформирует и запишет, в частности, заголовочную и финальную области, место для которых предварительно резервируется. До завершения такой записи нет возможности работать с диском на обычном проигрывателе. Однако такое завершение на многосеансовом диске может быть как окончательным (записан последний сеанс), так и промежуточным (записан не последний сеанс).

Чтобы представить себе механизм такого завершения, следует отметить, что в многосеансовых дисках в заголовочной области имеется указатель на начало следующего сеанса (его заголовочной области). Признаком промежуточного завершения служит указатель на начало еще не существующей заголовочной области на "чистом" месте CD-R. (Работа с CD - R представлена в Оранжевой книге). Отсутствие такого указателя является признаком окончательного завершения диска.

Диск может существовать и без завершения: такой диск не будет обрабатываться стандартным читающим CD-ROM накопителем, однако он должен обрабатываться на устройстве записи, чтобы можно было продолжить и завершить запись. Записывающий накопитель значительно более "сообразительное" устройство, чем обычный проигрыватель (недаром он стоит на порядок больше). Такой накопитель умеет "читать между строк", то есть считывать информацию из прообраза (pre-groove) дорожки, имеющийся на "чистом" (Оранжевом) диске. Такой прообраз - неглубокая непрерывная канавка с небольшим колебанием (Wobble), частота которого при номинальной скорости диска составляет 22,05 кГц (половина частоты дискретизации). Путем частотной модуляции этого колебания в прообразе записаны временные характеристики, называемые ATIP (Absolute Time in Pregroove - абсолютное время в прообразе дорожки), которые записывающий накопитель может прочитать и таким образом легко найти точку продолжения записи.

Единственная сложность состоит в том, что до завершения записи нельзя сохранить TOC. Выйти из положения можно за счет использования специальной зоны CD-R - области регистрации (PMA - Program Memory Area). В этой области записывается предварительная редакция TOC, что позволяет продолжить и завершить сеанс.

Рис.8. Элемент оглавления (ТОС).

 

Накопитель, умеющий обрабатывать многосеансовые диски, обнаружив указатель на следующий сеанс, ищет его и последовательно считывает все TOC в память. После этого все сеансы доступны для чтения. Старые и некоторые дешевые типы накопителей не имеют такой возможности. Поэтому на многосеансовых (multisession) дисках такие накопители "увидят" только первый сеанс. В случае, когда многосеансовая работа связана с замещением файлов, этот накопитель может "предъявить" перезаписанные данные как действительные. Рассмотрим этот вопрос подробнее, для чего нам потребуется представление о файловой структуре CD-ROM.

2.5. Файловая структура CD -ROM

Файловая структура CD-ROM разрабатывалась как совместимая с Unix, VAX/VMS и MS-DOS системами и производными от них. Наиболее популярным стал стандарт ISO 9660, основанный на результатах конференции в отеле High Sierra в Неваде, поэтому иногда его называют файловой системой High Sierra. Этот стандарт, создававшийся с целью максимального расширения области использования, достаточно жесткий в своих ограничениях (глубина вложенности каталогов - до 8, расширения в именах каталогов запрещены и т.д.). Более либеральным является пока не завершенный стандарт файловой системы ECMA 168 "Франкфуртские предложения". Согласно ISO 9660, на CD-ROM может быть один или более томов, причем сеанс не может включать несколько томов, но том может пересекать границу сеанса.

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 (multisession) 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.

Форматы CD

Очень кратко рассмотрим основные форматы, образуемые на CD за счет использования различных секторов, дорожек, стандартов.

Самый старый формат - CD-DA - аудиодиск: единственный сеанс, следовательно, одна заголовочная и одна финальная область, между которыми находятся только дорожки первого типа.

Следующий по времени - CD-ROM: также единственный сеанс, одна заголовочная область и одна финальная. Между ними находятся дорожки второго типа (формально могут быть и дорожки третьего типа, но на практике они не используются). Этот формат читается любым CD-ROM -накопителем, в том числе и старыми, не различающими несколько сеансов.

Смешанный диск (Mixed Mode) содержит в единственном сеансе дорожки CD-DA и CD-ROM. Обычный накопитель должен отключать воспроизведение звука, обнаруживая дорожку CD-ROM.

Более современный вариант диска для multimedia-приложений, использующих звук и видео в реальном времени - CD-ROM XA. Его дорожки данных могут содержать сектора различных форм для хранения данных и сжатых аудио- видеопоследовательностей.

CD-I (или Зеленый диск). По типу секторов - такой же как CD-ROMXA, однако отличается организацией работы с ним (в частности TOC). Работает на соответствующих ему накопителях.

CD-I Ready тип 1 - специальная разновидность диска CD-DA, на первой дорожке которого перед первым фрагментом сохраняется дополнительная информация в расширенной преамбуле. Аудио-проигрыватель не должен "замечать" эту информацию (он должен воспринимать ее как обычные 2 секунды тишины перед фрагментом). Увы! Не все старые проигрыватели такие "умные" и могут позиционироваться по оглавлению.

CD-I Ready тип 2 предлагается для устранения неприятностей, характерных для работы старых типов проигрывателей с дисками предыдущего типа. В нем используется неспособность этих накопителей увидеть второй сеанс (на этом диске два сеанса: первый - обычный аудио, второй - CD-I).

Для работы одновременно на накопителях CD-ROM XA и CD-I используется так называемый переходной диск CD (CD-Bridge). Это односеансовый диск, у которого первая дорожка CD-I, а остальные CD-ROM. Использование его базируется на разных позициях описания начала данных в накопителях CD-ROM XA и CD-I. В первом случае точка входа находится по адресу 00 мин 02 сек 16 сектор смещение 1024, а во втором случае в том же секторе, но со смещением 0. К этому типу дисков относится Photo-CD.
Video CD - компакт-диски, использующие сектора пятого типа (вторая форма) и соответствующие Белой книге - относительно молодому стандарту (1993 год), определяющему способ хранения видеоинформации с быстрым интерактивным доступом. Предполагается, что Зеленая книга будет доработана для соответствия дискам Белой книги.

Многосеансовые (multisession) диски могут состоять из сеансов только CD-ROM или только CD-Bridge и при этом быть как окончательно завершенными (рис. 10), так и допускающими запись дополнительных сеансов (рис. 9).

Рис. 9. Многосеансовый диск, завершенный промежуточно.

Рис. 10. Многосеансовый диск, завершенный окончательно.

 

Заметим, что запись сеанса подразумевает кроме записи полезной информации еще и запись заголовочной (включая TOC) и финальной областей. Суммарный объем этих областей около 20 МБ, поэтому:

§ запись мелких сеансов приводит к непроизводительному расходованию емкости диска;

§ невозможно "дописать" диск, если на нем осталось свободным менее 20 МБ.

2.7. CD -R

Сегодня устройства для записи CD - CD recorder 'ы, в том числе благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение. Среди их применений наиболее интересные это хранение и перенос больших объемов информации, надежное архивирование данных, хранение видео и аудио информации, резервные копии важного ПО. Для однократной записи используются так называемые "золотые" диски. Их покрытие позволяет осуществлять однократную запись информации лазерным лучом. Длинна волны лазерного луча (как и при чтении) составляет 780нм, а интенсивность более чем в 10 раз сильнее. Стандартный объем диска составляет 74 минуты или 650 Мбайт. Пожалуй самым интересным является стоимость - около $0.003 за 1 Мегабайт еще и с теоретически вечным сроком хранения! Хотя это немного омрачается невозможностью перезаписи. Однако даже по сравнению с традиционно используемыми ленточными накопителями технология CD-R (а тем более и новая CD-RW - многократная запись на CD) интереснее по цене, возможностям, часто скорости.

2.8. Замечания о CD -RW

Новая технология перезаписываемых дисков CD-RW снимает ограничение CD-R на однократную запись. Однако, есть несколько тонкостей:

1. Диски CD-RW могут считываться только на устройствах с технологией MultiRead (считывающий лазер должен иметь другую длину волны). Конечно большинство современных устройств CD-ROM совместимы с этой технологией, однако старые нет и исправить это никак нельзя.

2. Часто диски CD-RW имеют меньший объем, чем CD-R (нюансы файловой системы UDF).

3. Третья: стоимость записи на CD-RW около $0.04 за мегабайт. И последнее, (пере)запись на скорости более 2х пока очень дорога.