Компакт-диск (компьютеры и интернет)

Все форматы компакт-дисков восходят к аудио-дискам CD-DA (Compact Disc – Digital Audio), появившимся в середине 1970-х в качестве замены виниловых пластинок. Начало промышленного производства компакт дисков относят к 1983. В настоящее время оптические диски являются одним из наиболее надежных и экономичных средств для долговременного (десятки лет) хранения данных в цифровом виде.

Устройство компакт-диска

Диаметр компакт-диска обычно составляет 4, 5 дюйма (120 мм), но существуют диски меньшего диаметра — 3, 25 дюйма. Толщина диска 1, 2 мм, диаметр центрального отверстия — 15 мм.

Оптический компакт-диск состоит из прочной, прозрачной основы (поликарбонатной или полихлорвиниловой), отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется слой напыленного алюминия (реже золота). Цифровая информация представляется на отражающей поверхности чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет участков.

Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от центра к краю. На 1 см помещается 6000 витков дорожки. В соответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три основных области: входную директорию (Lead in), где содержится оглавление (Table Of Contents, TOC), адреса записей, число заголовков, объем (время) записи, название диска; область данных; выходную директорию (Lead out), которая содержит метку конца диска. Все форматы компакт-дисков используют физические секторы размером 3234 байта, из которых 882 байта предназначены для вспомогательных данных, служащих для контроля и коррекции ошибок. Секторы группируются в логические дорожки, сведения о которых помещаются в TOC.

Запись цифровых данных на компакт диск производится либо штамповкой с матрицы (фабричные CD-ROM), либо в специальных дисководах CD-RW лучом лазера. Считывание данных производится также лучом лазера с последующим их преобразованием из цифровой в аналоговую форму и воспроизведением. Емкость дисков стандартов CD-ROM/R/RW обычных размеров составляет 650-700 Мб (74-80 мин для аудиозаписей CD-DA). Время доступа к данным для различных моделей колеблется от 80 до 400 мс.

Файловые системы компакт-дисков

Основным стандартом, определяющим логический и файловый формат записи компакт-дисков, является международная спецификация ISO 9660 (ранее называлась High Sierra). В целях совместимости с различными считывающими устройствами и операционными системами этот стандарт содержит значительные ограничения (например, на длину имен файлов до 8 символов). Позднее стандарт был расширен за счет включения трех уровней обмена (Level 1, 2, 3), что позволило в ISO 9660 Level 2 и Level 3 снять многие ограничения по именованию файлов и структуре каталогов. В операционных системах, начиная с Microsoft Windows 95 и NT, поддерживается также формат Joliet, допускает использование длинных имен файлов. Существует также файловая система UDF (Universal Disk Format; ISO 13346), позволяющая работать с записываемыми компакт-дисками как с обычными дисковыми накопителями.

Стандарты CD

Стандарты CD, отражающие историю развития этой технологии, описаны в спецификациях, которые по традиции называются «цветными книгами».

Red Book («Красная книга») — изначальный стандарт, разработан Philips и Sony для музыкальных компакт дисков CD-DA (Compact Disc-Digital Audio). Стандарт позволяет записывать до 99 музыкальных дорожек общей длительностью 74 минуты. Существует расширение этого стандарта CD-Text, позволяющее дописывать дополнительную текстовую информацию о произведениях и исполнителях. «Красная книга» определяла физическую структуру сектора компакт-диска. Каждый сектор CD-DA содержит 2352 байта звуковых данных, а также корректирующие (коды обнаружения и исправления ошибок — Error Detection Codes (EDC) & Error Correction Codes (ECC)) и управляющие данные, содержащие сведения о номере дорожки, ее длительности, и позволяют переходить на начало любой дорожки. Кроме того, «Красная книга» определяет устройство компакт-диска и лазерной головки, стандарты модуляции и исправления ошибок, формат записи данных и др.

Yellow Book («Желтая книга») содержит расширения «Красной книги», описывающие стандарт CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory), разработанный Philips и Sony для записи на компакт-диски различных данных в цифровом виде (для использования в ПК). Стандартный формат CD-ROM получил название Mode 1. Внутри каждого сектора диска помимо пользовательских данных хранится информация для обнаружения и исправления ошибок — EDC/ECC, данные для синхронизации. Расширением стандарта CD-ROM стал набор стандартов CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture), разработанный фирмами Philips, Sony и Microsoft для хранения и воспроизведения данных мультимедиа на CD-ROM. В соответствии с расширенной архитектурой блоки записи аудиоданных располагаются между блоками текстовых, графических или видеозаписей. Этим предоставляется возможность при воспроизведении записей видеть их и слышать одновременно. Форматы CD-ROM XA используются для компакт-дисков Kodak PhotoCD и VideoCD (формата CD-I Bridge), Karaoke CD и Sony PlayStation CD.

Green Book («Зеленая книга») — формат CD-I (CD-Interactive), разработанный Philips для интерактивных мультимедийных приложений. Производство дисков CD-I открыто в Великобритании в мае 1992 фирмами Philips, Sony, Matsushita. Стандарт допускает запись смешенных данных (звука, видео, рисунков, др. типов данных) и предусматривает возможность интерактивного взаимодействия с пользователем. Применяется для записи VideoCD в формате MPEG. Гибридный формат CD Bridge определяет метод записи данных CD-I на диски CD-ROM XA, что позволяет его читать в любом накопителе, совместимом с CD-ROM XA.

Orange Book («Оранжевая книга») определяет стандарты записываемых компакт-дисков. Часть I книги определяет магнитооптический компакт-диск (Compact Disc – Magneto-Optical, CD-MO). Часть II — компакт диск для однократной записи (Compact Disc – Write Once, CD-WO; Compact Disc Write Once, Read Many times, CD-WORM), который чаще называют CD-R (Recordable). В процессе записи на такие диски лазерный луч необратимо модифицирует поверхность диска, позволяя в последующем лишь считывать имеющиеся на нем данные. В диске этого формата между отражающим и защитным слоем расположен слой из органического красителя, который и прожигает лазер в процессе записи. Часть III определяет стираемый (перезаписываемый) диск (Compact Disc – Erasable, CD-E), который называют CD-RW (ReWritable). В первом полугодии 1997 фирмы Ricoh, Philips Electronics, Sony Electronics и Hewlett-Packard объявили о планах выпуска CD-RW и первых дисководов для них. Первые версии накопителей CD-RW фирмы Ricoh имеют интерфейс SCSI-2 и обеспечивают условные скорости: при записи — 2х, при считывании — 6х. Один из способов реализации перезаписываемых дисков основан на использовании изменения структуры пластиковых материалов покрытия дисков в миниатюрной области нагрева, а вместе с этим и характеристик отражения луча в соответствующей точке. Запись и считывание данных производится лучом лазера разной интенсивности. Восстановление исходной структуры поверхности диска для стирания сделанной записи производится также путем нагрева, но уже до другой температуры, которая соответствует точке плавления материала покрытия диска. Другой способ основан на использовании свойств соединения кобальта с гадолинием изменять поляризацию отраженного сигнала при условиях аналогичных выше описанным. При считывании отраженного лазерного излучения через поляризационные фильтры эти изменения преобразуются в электрические сигналы. Современные CD-RW выдерживают десятки тысяч циклов стирания и записи, тем не менее, надежность хранения данных на CD-RW (в особенности, при неоднократной перезаписи диска) несколько меньше, чем на дисках стандарта CD-R. Кроме того, максимальная скорость записи дисков CD-R, как правило, выше скорости записи CD-RW. «Оранжевая книга» различает односеансовую запись (Disc-at-Once, DAO) и последовательную многосеансовую запись (Track-at-Once, TAO) диска. В первом случае данные записываются на диск целиком за один раз, во втором случае данные могут дописываться в несколько сеансов, в каждом из которых создается обновленная таблица содержания диска (Table of Content, TOC). Некоторые устаревшие дисководы CD-ROM и проигрыватели не умеют читать многосеансовые диски. Для записи данных на компакт-диски требуется располагать соответствующим приводом, чистыми «болванками» соответствующего формата и программным обеспечением для записи.

White Book («Белая книга») определяет формат видеодисков Video CD, который также называют Digital Video (DV). Формат разработан Matsushita, JVC, Sony и Philips. Видеодиски являются разновидностью дисков CD-ROM XA. На них можно записать около 70 минут видео в стандарте MPEG-1 со звуковой дорожкой CD-качества. В настоящее время вместо стандарта Video CD все чаще используется DVD.

Blue Book («Голубая книга») определяет формат усовершенствованного музыкального компакт-диска (Enhanced Music CD, CD-Extra, CD-Plus), который может содержать звуковые дорожки и компьютерные файлы, записанные последовательно в 2 сеанса. Такие диски можно прослушать на любом проигрывателе аудиодисков.

DVD

В настоящее время большое распространение получают компакт-диски типа DVD, которые превосходят обычные CD по емкости, скорости чтения/записи и другим показателям. Для чтения DVD требуются особые приводы (Дисководы DVD в ПК), которые, как правило, способны считывать и данные с CD-ROM и CD-R/RW. Существуют форматы записываемых (DVD-R, DVD+R) и перезаписываемых (DVD-RW, DVD+RW) DVD. Первоначально предназначавшиеся для распространения видеофильмов, DVD сегодня широко используются для хранения и обмена различными данными. Емкость DVD составляет от 4, 7 (односторонний однослойный диск) до 17 (двухсторонний двухслойный диск) Гбайт.

С 2000-х гг. ведутся разработки новых стандартов оптических дисков, емкость которых будет составлять 15 Гб, а в многослойном варианте — свыше 100 Гб. См. Blu-ray Disk, HD DVD, VMD-ROM, Edod, голографические накопители.