ОПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ: ПРИНЦИПЫ, УСТРОЙСТВО, ПЕРСПЕКТИВЫ

Р Е Ф Е Р А Т

На тему:

«Оптические и магнитооптические диски»

 

 

Выполнил: студент 1-го курса ИИТ гр. 10

Рябцев Г.В.

 

Проверил: Глущенко Н.В.

 

 

Абакан, 2001

 

 

Содержание

 

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ОПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ: ПРИНЦИПЫ, УСТРОЙСТВО, ПЕРСПЕКТИВЫ

3. ТИПЫСЕКТОРОВ

4. ДОРОЖКИ, СЕАНСЫ, ДИСКИ

5. ФАЙЛОВАЯ СТРУКТУРА CD-ROM

6. ФОРМАТЫCD

7. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТИПЫCD

8. DVD – СКОЛЬКО ГДЕ И КАК?

9. СТАНДАРТЫ, ФОРМАТЫ, ФАЙЛЫ

10. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ

11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Введение

Мой реферат посвящен оптическим дискам и их потомкам (CD-R; DVD; Магнитно-оптическим дискам и т.д.). Информация найденная мной датируется 96-ым годом поэтому возможно некоторые примеры будут выглядеть с точки зрения сегодняшнего гня весьма забавно.

 

ОПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ: ПРИНЦИПЫ, УСТРОЙСТВО, ПЕРСПЕКТИВЫ

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 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 2352 байта), 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 CD). 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).

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. 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 (далее сектор 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). 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)

Рис.3. Сектор третьего типа (второй 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).

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.

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 видео- и аудиоданных совместно с секторами данных без междорожечного перемещения головки считывания. Это необходимо для нормальной работы multimedia-приложений в реальном времени.

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

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. 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).

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

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. Чтобы рассмотреть этот вопрос подробнее, потребуется представление о файловой структуре CD-ROM.