Форматы и стандарты на компакт-диски

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава I. Приводы CD-ROM как неотъемлемая часть современного компьютера

1.1 Форматы и стандарты на компакт-диски

Музыкальные оптические компакт-диски пришли на смену виниловым ("грампластинкам") в 1982 году - примерно в то же время, когда появились первые персональные компьютеры фирмы IBM. Эти устройства явились результатом плодотворного сотрудничества двух гигантов электронной промышленности - японской фирмы Sony и голландской Philips. Строго определенная емкость компакт-дисков связана с такой интересной историей.

Исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита (кстати, именно он является автором плеера Walkman) решил, что компакт-диски должны отвечать запросам исключительно любителей классической музыки - не более и не менее. После того, как группа разработчиков провела опрос, выяснилось, что самым популярным классическим произведением в Японии в те времена была 9-я симфония Бетховена, которая длилась 72-73 минуты. Поэтому было решено, что компакт диск должен быть рассчитан именно на 74 минуты звучания, а точнее, на 74 минуты и 33 секунды.

Так родился стандарт, известный как "Красная Книга" (Red Book). Не все любители музыки могли согласиться с выбранной длительностью звучания, но, по сравнению с 45 минутами, предоставляемыми виниловыми пластинками, и их недолговечностью это было существенным шагом вперед. Когда 74 минуты пересчитали в байты, то получилось как раз 640 Мбайт.

Специалисты же Philips определили минимальные требования к качеству записи звука и регламентировала, например, такие характеристики аудио компакт-дисков, как их размер, метод кодирования данных и использование единой спиральной дорожки. В частности частота выборки стерео сигналов определялась на уровне 44.1 кГц (для одного канала 22.05 кГц), а разрядность каждого - 16 бит.

Две вышеназванные фирмы сыграли также ведущую роль при разработке первой спецификации цифровых компакт-дисков - так называемой “Желтой Книги” (Yellow Book), или просто CD-ROM. Она послужила основой для создания компакт-дисков с комплексным представлением информации, то есть способных хранить не только звуковые, но и текстовые и графические данные (CD-Digital Audio, CD-DA). При этом привод, читая заголовок диска, сам определяет его тип - аудио- или цифровые данные. В этом формате, однако, не регламентировались логические и файловые форматы компакт-дисков, поскольку решение данных вопросов было полностью отдано на откуп фирмам-производителям. Это, в частности, означало, что компакт-диск, соответствующий требованиям “Желтой Книги”, мог работать только на конкретной модели накопителя. Такое положение дел, особенно в связи с большим коммерческим успехом компакт-дисков, разумеется, не могло удовлетворить производителей подобных устройств. В общих интересах необходимо было срочно найти компромисс.

Именно поэтому вторым стандартом де-факто для цифровых компакт-дисков стала спецификация HSG (High Sierra Group), или просто High Sierra. Этот документ носил, вообще говоря, рекомендательный характер и был предложен основными производителями цифровых компакт-дисков с целью обеспечить хотя бы некоторую совместимость. Данная спецификация определяла уже как логический, так и файловый форматы компакт-дисков.

Созданная спецификация оказалась настолько привлекательной, что стандарт ISO-9660 (1988 год) для цифровых компакт-дисков , в принципе совпадал с основными положениями HSG. Заметим, что все компакт-диски, соответствующие требованиям стандарта ISO-9660, который определяет их логический и файловый форматы, являются совместимыми друг с другом. В частности этот документ определяет, каким образом найти на компакт-диске его содержимое (Volume Table Of Contents, VTOC). Базовый формат, предложенный в HSG-спецификации, во многом напоминал формат флоппи-диска. Как известно, системная дорожка (трек 0) любой дискеты не только идентифицирует сам флоппи-диск (его плотность, тип используемой ОС ), но и хранит информацию о том, как он организован по директориям, файлам и под директориям. Инициирующая дорожка данных на компакт-диске начинается со служебной области, необходимой для синхронизации между приводом и диском. Далее расположена системная область, которая содержит сведения о структурировании диска. В системной области находятся также директории данного тома с указателями или адресами других областей диска. Существенное различие между структурой компакт-диска и, например, дискетой заключается в том, что на CD системная область содержит прямой адрес файлов в поддиректориях, что должно облегчить их поиск.

Международный стандарт ISO-9660 описывает файловую систему на CD-ROM. ISO-9660 первого уровня напоминает файловую систему MS-DOS: имена файлов могут содержать до 8-ми символов, расширение имени файла (состоящие из 3-х символов) отделяется от имени файла точкой. Имена файлов не могут содержать специальных символов (“~”, “-”, “+”, “=”). При именовании файлов используются символы только верхнего регистра, цифры и символ “_”. Имена каталогов не могут иметь расширений. Каждый файл имеет версию; номер версии отделяется от расширения символом “;”. Каталоги могут иметь вложенности 8. Стандарт ISO-9660 второго уровня позволяет использовать в именах файлов до 32 символов, накладывая описанные выше ограничения. Диски, созданные с применением такого стандарта, не могут использоваться в ряде ОС, в том числе и MS-DOS.

Спецификация CD-I (Interactive) была предложена в 1988 году. Этот стандарт определял использование дискового плейера без подключения его к компьютеру. Устройством отображения в данном случае должен был стать , например, обыкновенный телевизор. Разумеется, что использовался и его стандартный звуковой канал. Кроме этого, CD-I предлагала несколько уровней качества воспроизведения аудио- и графической информации. Данная спецификация изложена в “Зеленой Книге” (Green Book). Заметим, что так называемые CD-I-Ready-диски являются некой смесью между аудио-CD (Red Book) и мультимедиа-диском (Green Book). Таким образом, на аудио плейере прослушивается только звуковая информация, а на устройстве CD-I воспроизводится вся вместе.

Стандарт CD-ROM XA был создан в 1990 году усилиями фирм Microsoft, Philips и Sony как “мост” между CD-ROM и CD-I. Таким образом, ХА- диск мог воспроизводиться на CD-I-плейере или приводе, отвечающем стандарту Yellow Book. Формат спецификации CD-ROM XA совместим сверху вниз с форматами, рекомендованными High Sierra и ISO-9660. Однако в новой спецификации заложено уже гораздо больше возможностей. Во-первых, формат ХА позволяет осуществлять много сеансовую запись на диск. Во-вторых, основной отличительной особенностью приводов CD-ROM ХА является так называемая техника чередования (interleaving). Спецификация ХА позволяет одновременно хранить на диске графические, текстовые и звуковые данные, причем графика может включать как стандартные картинки и анимацию, так и полно объемное видео (full-motion). Собственно идея interleaving'а состоит в том, что блоки разнородной информации могут чередоваться. Например, за первым видео фреймом может следовать сегмент с его звуковым сопровождением, после которого расположен следующий видео фрейм, и т.д. Это способствует повышению синхронности воспроизведения звука и видео, а так же существенному уменьшению объема промежуточного буфера, необходимого для достижения синхронности при обычном расположении информации на диске.

Другой отличительной особенностью спецификации ХА является сжатие звуковых данных, что позволяет хранить на одном диске до нескольких часов аудиоинформации вместо обычных 74-х минут. К тому же, как известно, качество аудио-CD обеспечивается 16-разрядным (2 байта) импульс кодовым преобразованием (РСМ) аналогового сигнала с частотой 44.1 кГц. Таким образом, для получения стереозвучания (2 канала) скорость передачи данных между приводом и компьютером должна составлять примерно 1764 Кбайт/с (2х2х44.1). Кстати, именно поэтому минимальная скорость передачи информации в соответствии со спецификацией РСМ уровня 1 не должна быть меньше 150 Кбайт/с. Для увеличения объема хранимой аудиоинформации, но при воспроизведении ее с тем же качеством спецификация ХА предполагает использование 4- или 8-разрядного ADPCM-кодирования. В зависимости от предполагаемого качества воспроизведения информации (высококачественная музыка, звуковые эффекты или речь) частота преобразования может также варьироваться.

Еще одна спецификация, принятая в 1991 году и изложенная в “Оранжевых Книгах” (Оrange Books), относится к записываемым и стираемым дискам. В первой книге речь идет о магнитооптических дисках (CD-MO), которые допускают как стирание, так и перезапись информации. Вторая книга посвящена накопителям с однократной записью типа WORM (Write Once Raed Many). Информацию на их носители только до записать, а не переписать заново. К подобным накопителям относятся устройства, отвечающие, например, спецификации CD-ROM XA.

В 1993 году была анонсирована еще одна книга - White Book (“Белая”). В ее создании приняли участие JVC, Matsushita, Philips и Sony. В этом документе определялись основные параметры видео-CD - компакт-диска, на котором можно было хранить 72 минуты высококачественного видео вместе со стереозвуком. Хранение данных на видео-CD базируется на методе сжатия информации, называемом MPEG (Motion Picture Experts Group). Видео-CD могут воспроизводиться на специальных видео-CD-плейерах, CD-I-плейерах со специальным картриджем “Digital Video”, а также на компьютере со специальной платой MPEG-декодера и приводом CD-ROM.

Вообще говоря, стандарт MPEG не определяет форматов записи данных на носителях. Одним из возможных способов хранения данных может быть CD-I-компакт-диск (“Зеленая Книга”). Этот диск воспроизводится на CD-I-плейерах, когда они оснащены декодерами или картриджами типа “Digital Video”. Например, практически все цифровые видео фильмы проданные Philips до июля 1994 года, соответствовали стандарту Green Book и могли воспроизводиться только на CD-I-плейерах. Впрочем, если быть совсем точным, стоит отметить , что CD-I MPEG-диски могут воспроизводиться на других типах плейеров, скажем на Commodore CD32. Для ПК в этом случае можно использовать Reel Magic PC Upgrade Kit. Другим способом хранения полно скоростного цифрового видео, сжатого по методу MPEG, может служить компакт-диск ISO-9660 (Yellow Book).

Спецификация White Book является в настоящее время идеальным средством для хранения цифрового видео - это единственный стандартный путь воспроизведения видео на мультимедиа-PC.

После принятия спецификации White Book были пересмотрены и переделаны с ее учетом первые версии стандарта Green Book. Мир цифрового видео стал принадлежать “Белой Книге”.

В конце 1994 года были анонсированы так называемые музыкальные мультимедиа- компакт- диски. Данная спецификация носит название CD Plus. Подобные диски содержат два сеанса (сессии), один из которых - аудио, а другой - CD-ROM. Записанную музыку можно прослушивать на аудио плейере, а доступ к мультимедиа-информации (и музыке) возможен на приводе, подключенном к ПК.

Итак, были рассмотрены практически все наиболее распространенные форматы хранения данных на CD-ROM. Как уже было сказано, отличительной особенностью всех этих форматов является их отличие от файловой системы, используемой в MS-DOS. Таким образом, для доступа к данным, хранимым на CD-ROM, необходимо преобразование форматов. Для этих целей фирма Microsoft выпустила специальный драйвер, который называется Microsoft CD Zextention (mscdex.exe). Он входит в комплект поставки MS-DOS, а также поставляется практически со всеми приводами CD-ROM.

Все стандарты на компакт-диски больше известны по цветам библиотек, в которых они описываются. В 1980 году была принята серия стандартов под названием Red Book, относящихся к аудио компакт-дискам. Согласно этому документу частота дискретизации при считывании аудио сигналов с диска CD-ROM должна быть равна 44,1 КГц. Амплитудное разрешение представляется 16- битной величиной. Так как стандарт определяет стереозвук, то каждую секунду должна считываться не одна, а две 16- битные величины.

Первый стандарт под названием Yellow Book для компакт-дисков с разнородной информацией был принят в 1985 году. Это было одним из первых шагов компьютерной индустрии в сторону технологии мультимедиа. Согласно этому стандарту все диски были поделены на две категории: Mode1 и Mode2.

Носители, относящиеся к первой категории, записывались с битами коррекции ошибок, а скорость передачи полезной информации составляла при этом 150

Кбайт/с. Для дисков второй группы она была выше 170 Кбайт/с за счет отсутствия корректирующих битов.

Режим Mode2 в первоначальном виде так и не был реализован. Аудио- и видеоинформация хранилась в разных частях диска, в результате чего лазерный луч вынужден был постоянно “бегать” от одной области диска к другой. Хотя стандарт определил процесс коррекции ошибок, используемый при считывании данных с CD-ROM, он в тоже время не давал достаточной спецификации относительно структуры хранимого файла, которую более четко определил вышедший в 1988 году стандарт ISO 9660.

Стандарт Green Book, принятый в 1986 году посвящен интерактивным компакт дискам СD-i (CD-interactive). В нем была заложена концепция заголовков для упрощения работы с постоянно перемежающейся видео- и аудиоинформацией. В стандарте Green Book идея построения Mode2 была формально переработана. Компакт-диски группы Mode2 были подразделены на две подгруппы: Form1 и Form2. Первая, как и в случае категории Mode1 стандарта Yellow Book, определяла процесс коррекции ошибок за счет дополнительных битов и скорость передачи информации 150 Кбайт/с. Вторая подгруппа позволяла иметь скорость считывания 170 Кбайт/с за счет отсутствия кодов коррекции ошибок.

Стандарт XA (Extended architecture) был разработан в 1990 году совметно фирмами Philips, Sony и Microsoft и устанавливал критерии совместимости между компакт дисками CD-ROM, удовлетворяющими стандартам Green Book и Yellow Book. Он определяет способ индексирования мультимедиа- информации - графики, текста, растровых картинок, звука. Диск, отвечающий стандарту XA, может быть воспроизведен на устройстве считывания интерактивных дисков CD-i, совместимых со стандартом Green Book, или с помощью дисковода CD-ROM, который удовлетворяет стандарту Yellow Book, поддерживает ХА- операции и управляет специальным програмным драйвером.

Наконец, в 1991 году появился стандарт Orange Book, посвященный компакт-дискам с возможностью многократной записи.

Динамические изображения и стандарт White Book. Экспертная группа по стандартизации (MPEG - Moving Picture Expert Group), разработала стандарт MPEG-1, касающийся вопросов сжатия полноформатного видео (Full-Motion Video). Следует заметить, что этот стандарт не определяет формата хранения данных. Данные в нем могут быть воспроизведены на устройстве считывания интерактивных дисков CD-i, которое оборудовано MPEG- декодером. Другим вариантом является хранение сжатого по стандарту MPEG полноформатного видео на устройстве CD-ROM, отвечающем стандарту Yellow Book.

Стандарт White Book, принятый в 1993 году, ввел некоторые интерактивные возможности, позволяющие производить быстрый поиск информации по отдельным кадрам в режиме прямого доступа. Первые диски со стандартом

White Book и называемые Video-CD появились в 1994 году. В настоящее время некоторые компакт-диски типа Video-CD могут быть воспроизведены на компьютерах IBM PC и Macintosh посредством распаковки по стандарту MPEG, если установить плату, аппаратно выполняющую MPEG- преобразования. Однако многие дисководы CD-ROM не считывают информацию в непрерывном режиме, что не позволяет воспроизводить эти диски даже после установки MPEG- платы. К тому же процессор должен быть не ниже 386/25.

Все компакт-диски для современных мультимедиа-систем, включая интерактивные компакт диски CD-i и Video-CD, записываются в стандарте

Mode2/Form2, т.е. без использования коррекции. Возникающий при этом выигрыш в скорости 20 Кбайт/с используется для улучшения качества видео изображения. В данном классе приложений отсутствие коррекции ошибок не отражается на качестве, чего никак нельзя сказать о бизнес-приложений.

Одним из типов CD-ROM с возможностью до записи информации являются так называемые Photo CD. Единовременная запись информации на диск называется сессией (session). Соответственно многократная запись называется мультисессией (multisession). Необходимо учитывать, что каждая сессия требует своего оглавления, поэтому чем большее количество сессий используется, тем меньшее количество информации на диске. В настоящее время уже появились дисководы, обрабатывающие мультисессии и позволяющие проигрывать диски Photo CD.

Фирма Kodak разработала устройства типа Photo CD, позволяющие хранить снимки, сделанные на 35-миллиметровой пленке в количестве до 100 кадров.

Идея состоит в том, чтобы потребитель мог сканировать снимки, полученные при помощи оборудования фирмы Kodak, а в последствии воспроизводить на любом дисководе. Реально на диске могут храниться пять различных версий одного и того же слайда при разном разрешении 24- битной палитры.

С помощью сжатия (без потери разрешающей способности) данные пяти изображений могут быть упакованы в файл размером 6 Мбайт. Таким образом на компакт-диске емкостью 600 Мбайт может храниться до 100 фотоснимков.

Для работы с Photo CD рекомендуются быстрые дисководы, потому что отдельные кадры могут достигать размеров до 18 Мбайт.

Хранение данных на CD-ROM, как и на магнитных дисках, организуется в двоичной форме в виде древовидной файловой структуры. Максимальная емкость CD-ROM составляет 680 Мбайт и 180 Мбайт для дисков диаметром 12 и 8 см соответственно. Толщина диска CD-ROM составляет 1,2 мм. Диск изготовлен из прозрачного поликарбоната (плексигласа), который покрыт с одной стороны тонким отражающим металлическим слоем (чаще всего из алюминия, реже золота) и защитной пленкой специального прозрачного лака.

Конструкция CD-ROM определяет правила обращения с ним, а именно:

держать диск необходимо за ребра (края);

следует избегать касаний и непреднамеренного повреждени поверхности диска, особенно со стороны прозрачного слоя;

хранить диск рекомендуется в месте, защищенном от попадания прямых солнечных лучей и снега;

не следует вытирать или чистить диск. Допустимо удаление случайных загрязнений диска с помощью проточной воды комнатной температуры с незначительным количеством моющего средства и последующим промоканием мягкой тканью.

Информация на диске записана в виде чередования углублений (Pit) в поверхности металлического слоя (Land). Двоичный "0" представляется на диске как в виде углубления, так и в виде основной поверхности, а двоичная "1" - в виде перехода между ними. За счет кодирования 1 байт (8 бит) информации занимает на CD-ROM 14 бит плюс 3 так называемых бита слияния (Merge Bit). Базовая информационная единица CD-ROM - кадр (Frame) содержит 24 закодированных байта или 24х(14+3)=408 бит плюс 180 бит, используемых для коррекции ошибок, итого 588 бит. Кадры на диске образуют сектора и блоки. Сектор содержит 3234 закодированных байта, из которых: 2352 байта информации, 882 байта для коррекции ошибок и управления.

Такая организация хранения данных на CD-ROM и использование алгоритмов коррекции ошибок позволяют обеспечивать качество чтения информации с вероятностью ошибки на бит не более 0,000000001. На диске располагается единственная спиральная дорожка от центра к краю. Ширина дорожки составляет 0,4 мкм, а расстояние между соседними витками спирали - 1,6 мкм.

В соответствии с принятыми стандартами (ISO 9660 c последующими дополнениями) поверхность CD-ROM разделена на три области:

Входная директория (Lead In) - это область в форме ближайшего к центру диска кольца шириной 4 мм, которая читается первой. Здесь находятся: оглавление (TOC - Table of Contents), адреса всех записей, число заголовков, суммарное время (объем) записи, имя диска (Disc Label) и т.д.

Область данных в форме кольца шириной 33 мм в которой записана основная информация диска в виде файловой системы;

Выходная директория (Lead Out) c меткой конца диска.

Основными функциональными элементами привода CD-ROM являются: миниатюрный электродвигатель, лазер, система оптических линз и датчиков, а также электронная схема, осуществляющая предварительную обработку (считывание и декодирование информации) и управление приводом.

Электродвигатель вращает диск. Лазер генерирует световой луч, который системой оптических линз фокусируется на отражающей (металлической) поверхности диска. Свет по-разному отражается от переходов между основной поверхностью и углублениями. Отраженный свет через линзы попадает на датчик интенсивности света, который анализирует и преобразует его в электрический двоичный сигнал и направляет его для дальнейшей обработки в электронную схему привода.

До недавнего времени приводы CD-ROM, в отличие от накопителей на магнитных дисках, использовали метод считывания информации с постоянной линейной скоростью (Сonstant Linear Velocity - CLV), при котором угловая скорость вращения диска является величиной переменной, зависящей от места считывания информации, и уменьшается от центра к краю диска. Благодаря этому обеспечивалось постоянство скорости передачи данных, независимо от местоположения данных на диске.

1.2 Будущее CD-ROM приводов и CD дисков

В настоящий момент емкости CD-ROM не хватает для мультимедиа продуктов нового поколения. Для увеличения емкости CD-ROM, способного хранить больший объем данных, упакованных по стандарту MPEG-2, необходимы более высокие скорости считывания. Разрабатываемый сейчас новый формат CD-ROM (HD-CD или High Density CD) способен обеспечить пятикратное увеличение объема компакт- дисков без каких-либо особых технических ухищрений. При этом ужесточаются требования на физическую разметку диска, а именно уменьшается расстояние между соседними треками и размер ямок. Длина волны считывающего луча уменьшается с 780 нм до 635 нм, однако возможность использования все тех же дешевых лазеров, работающих в красной области спектра, остается. Структура данных также становится более эффективной за счет более совершенной логической системы коррекции ошибок, что увеличивает информационную емкость диска на 10-15%. Комбинация указанных новшеств позволит довести объем записываемой информации до 3,7 Гбайт.

В технологию HD-CD так же вводится концепция переменной скорости считывания информации с компакт-диска. Вместо того чтобы заносить на диск какую-либо короткую видео запись, оставляя на нем массу свободного места, можно будет записывать данные с меньшей плотностью. При этом предусматривается возможность динамического регулирования этого процесса.

Например, плотность записи может быть изменена для различных последовательностей битов в случае различной сложности кодирования информации.

По мнению специалистов процесс производства HD-CD мало чем будет отличаться от производства обычных компакт-дисков, за исключением гораздо более сложных допусков. Наибольшую трудность, вероятно, будет представлять изготовление матрицы компакт-диска высокой плотности. Дисководы HD-CD появятся по всей видимости в этом году.

В настоящее время ведутся работы над мульти поверхностным CD-ROM. Суть этой технологии заключается в наличии двух слоев, содержащих записанные данные и находящихся один над другим. Лазерный луч может фокусироваться как на нижнем так и на верхнем слое. Первый вариант таких систем, выпущенных фирмой 3М, вмещает до 7,8 Гбайт информации при двухслойной записи, хотя не существует никаких препятствий, мешающих дальнейшему увеличению количества слоев.

В свою очередь основная идея дальнейшего повышения скорости работы дисководов CD-ROM связана с использованием двух лазерных лучей. Это может сделать данные устройства значительно дороже, поэтому некоторые производители считают целесообразным усовершенствовать технологию производства приводов CD-ROM и выпуск в ближайшее время относительно дешевых моделей с 8-ми кратной скоростью при использовании одного считывающего луча. Наличие дисков с высокой плотностью записи в сочетании имеющихся дисководов с четырех-, шести- и восьмикратной скоростью дает возможность встраивать мультимедиа данные в любые приложения.

1.3 Производительность дисководов CD-ROM

Производительность CD-ROM обычно определяется его скоростными характеристиками при непрерывной передаче данных в течение некоторого промежутка времени и средним временем доступа к данным, измеряемыми соответственно в Кбайт/с и мс. Существуют одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти, шести и восьмискоростные дисководы, обеспечивающие считывание данных со скоростью 150, 300, 450, 600, 750, 900, 1200 Кбайт/с соответственно. В настоящий момент распространены двух- и четырехскоростные дисководы. В общем случае дисководы с четырехкратной скоростью обладают более высокой производительностью, однако оценить чистое преимущество дисковода с четырехкратной скоростью по сравнению с дисководом с удвоенной скоростью бывает не так просто. Прежде всего это зависит от того с какой операционной системой и с каким типом приложения ведется работа. При высокой интенсивности повторяющегося доступа к CD-ROM и считывании небольшого количества данных (например при работе с базами данных) “импульсная” скорость считывания информации приобретает важное значение. Например, по данным журнала InfoWorld, производительность дисководов с четырехкратной скоростью, по сравнению с дисководами с удвоенной скоростью, в случае операции доступа к базе данных в среднем повышается вдвое. В случае простого копирования данных выигрыш составляет от 10 до 30%. Однако наибольшее преимущество получится при работе с полноформатным видео.

Для повышения производительности дисководов их снабжают буферной памятью (стандартные объемы кэша: 64, 128, 256, 512, 1024 Кбайт). Буфер дисковода представляет собой память для кратковременного хранения данных, после считывания их с CD-ROM, но до пересылки в плату контролера, а затем в ЦП. Такая буферизация дает возможность дисковому устройству передавать данные в процессор небольшими порциями, а не занимать его время медленной пересылкой постоянного потока данных. Например, согласно требованиям стандарта MPC уровня 2 накопитель CD-ROM удвоенной скоростью должен занимать не более 60% ресурсов ЦП.

Важной характеристикой дисковода является степень заполнения буфера, которая влияет на качество воспроизведения анимационных изображений и видеофильмов. Эта величина определяется как отношение числа блоков данных, переданных в буфер из накопителя и хранящихся в нем до момента начала их выдачи на системную шину, к общему числу блоков, которые способен вмещать буфер. Слишком большая степень заполнения может привести к задержкам при выдаче из буфера на шину; с дугой стороны, буфер со слишком малой степенью заполнения будет требовать больше внимания со стороны процессора. Обе эти ситуации приводят к скачкам и срывам изображения во время воспроизведения.

Глава II. Работа ПО МЕХАНИЧЕСКОМУ И ПРОГРАМНОМУ ВОССТАНОВЛЕНИЮ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРИВОДОВ. АНАЛИЗ ПРОДЕЛАННЫХ РАБОТ

интерфейс программный диск привод

2.1 Устройство и параметры приводов CD-ROM

Все CD-ROM имеют один и тот же физический формат изготовления и емкость 650 Мбайт. Диск диаметром 120мм, толщиной 1,2мм и центральным отверстием диаметром 15мм. Центральная область вокруг отверстия шириной 6мм называется зоной крепления (clamping area). За ней непосредственно следует заголовочная область (lead in area), содержащая оглавление диска (table of content). Далее расположена область шириной 33мм, предназначенная для хранения данных и физически представляющая собой единый трек. Завершающей является терминальная область (lead out) шириной 1мм. Внешний обод диска шириной 3 мм.

Область хранения данных логически может содержать от 1 до 99 треков, однако разнородная информация не может быть смешанна на одном треке.

Цифровая информация хранится на CD-ROM в виде чередующихся по ходу спирали ямок, нанесенных на поверхность поли углеродного пластика. Ямка воспринимается лучом лазера как логический ноль, а гладкая поверхность как логическая единица.

СD-ROM изготавливается методом штамповки. Со стеклянной матрицы изготавливают пластиковую основу, после этого поверх пластика для отражения лазерного луча наносится слой алюминия, который в свою очередь покрывается защитным слоем лака. В CD-R для увеличения коэффициента отражения лазерного луча на пластик наносят слой золота, который покрывают красителем, затем на краситель наносят защитный слой лака.

В отличии от CD-R запись информации на CD-ROM производится в момент его изготовления т.е. штамповки. На СD-R информация записывается при помощи CD рекордера. Луч лазера выжигает на “тарелке” отверстие колокола образной формы, что дает преимущество перед обычным CD-ROM, так как в такой ямке луч лазера рассеивается сильнее и меньшая часть излучения попадает в приемник. Однако после записи информации на CD-R, он фактически становится обычным компакт диском.

Скорость доступа (access time) определяет среднее время (в миллисекундах), необходимое для обнаружения и загрузки первого блока данных во внутренний буфер. Стандарт MPC 1 устанавливает такое время в одну секунду или менее, но большинство современных приводов имеют скорость доступа около 0.3 с. Разумеется, этот параметр не включает в себя время, необходимое для выхода двигателя на рабочий режим.

Скорость передачи данных (dates-transfer rate) зависит от двух факторов - плотности данных и скорости вращения диска. Под плотностью в данном случае понимают количество бит (впадин) на дюйм (или миллиметр). Так, для 16-битного стерео сигнала качества аудио-CD (частота 44.1 кГц) скорость должна быть 1.4 Мбита/с. Разделив это значение на число бит в байте (8), мы получим 176.4 Кбайт/с - усредненное значение для скорости передачи данных. Стандарт МСР 1 определяет скорость передачи данных как 150 Кбайт/с, МСР 2 - 300 Кбайт/с. В настоящее время наибольшее распространение получили приводы, использующие технологию удвоения скорости вращения диска. Именно в этом случае скорость передачи достигает значения 300 Кбайт/с. Подобные устройства удовлетворяют спецификации МСР 2, поскольку имеют время поиска менее 400 мс. Сравнительно недавно появились модели приводов с утроенной, учетверенной и даже ушестеренной скоростью вращения. Пионером в технологии увеличения скорости являются, например, фирмы NEC и Plextor.

Под размером блока данных (data block size) понимают минимальное количество байт, которые передаются на компьютер через интерфейсную карту. Иначе говоря, это единица информации, с которой оперирует контроллер привода. Минимальный размер блока данных в соответствии со спецификацией МРС равен 16 Кбайт. Поскольку файлы на компакт-диске обычно достаточно большие, то промежутки между блоками данных ничтожно малы.

Размер буфера - размер внутреннего буфера (кэш-памяти),в который считываются файлы перед их передачей. Стандарт МРС устанавливает размер буфера в 64 Кбайт, а это в буфере будет находиться около 0.4 секунды 16-битного стерео сигнала качества CD-Audio (частоты 44.1 кГц). Для скоростных устройств размер буфера может достигать 256 Кбайт и даже 1 Мбайт.

Поддержка проигрывания аудиодисков означает, что с помощью привода CD-ROM вы сможете слушать обычные музыкальные компакт-диски. Этой возможностью обладают практически все современные модели приводов. Некоторые модели не требуют для этого специальных программ - воспроизведение аудио-CD выполняется на “аппаратном” уровне. Для включения этого режима на передней панели привода имеется специальная кнопка.

Поддержка формата CD-ROM/XA. Подразумевается использование дисков формата ХА, поддерживающего хранение аудио- и видеоданных единым блоком, в который также включается информация о синхронизации звука. Данные на аудиодисках и CD-ROM хранятся на дорожках, вмещающих 24-байтовые “кадры”, проигрываемые со скоростью 75 кадров в секунду. Хранящиеся данные могут включать звук, текст, статические и динамические изображения. При содержании в обычном формате каждый тип должен располагаться на отдельной дорожке, когда в формате ХА данные различного типа могут храниться на одной дорожке.

Тип загрузки диска. Существует два типа приводов CD-ROM. В первом случае диск устанавливается напрямую (например, в приводах Mitsumi). Во втором случае для установки диска используется специальная кассета, называемая кэдди (caddy). Недорогие односкоростные модели с прямой установкой диска обычно представляют собой версии аудио-CD-плейеров. Для прослушивания аудиодисков на приводе CD-ROM, последний должен обеспечивать эту возможность. Если есть возможность выбора, то лучше остановиться на моделях с автоматической очисткой линз и протиркой диска при его загрузке. Обычно эти опции существенно не влияют на цену.

Как известно, большинство накопителей бывают внешними и встраиваемыми (внутренними). Приводы компакт-дисков в этом смысле не являются исключением. Большинство предлагаемых в настоящее время накопителей CD-ROM относятся к встраиваемым. Внешний накопитель, как правило, стоит заметно дороже. Форм-фактор современного встраиваемого CD-ROM определяется двумя параметрами: половинной высотой (Half-High, HH) и горизонтальным размером 5.25 дюйма. Таким образом, для установки подобного накопителя в компьютер требуется свободный монтажный отсек 5.25 дюйма.

На передней панели каждого накопителя имеется доступ к механизму загрузки компакт-диска в привод. Также там расположены индикатор работы устройства, гнездо для подключения наушников или стереосистемы (для прослушивания аудиодисков), а также регулятор громкости (также для аудио-CD). Кроме того, при использовании контейнера на передней панели имеется отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например если не срабатывает кнопка (Eject).

На задней панели практически всех без исключения приводов CD-ROM находятся, по крайней мере, три разъема: интерфейсный, питания и аудио. Назначение первых двух, видимо, не вызывает вопросов. Разъем для вывода звука позволяет подключать привод к звуковой карте. Это удобно при прослушивании аудиодисков, поскольку не требует переключения акустической системы или наушников с одного гнезда на другое.

Кроме этих разъемов при использовании SCSI-интерфейса с задней панели привода доступны также резисторы-терминаторы устройства и набор перемычек (jumpers), или переключателей (switches), которые определяют номер устройства и режим работы. Не следует забывать, что резисторы-терминаторы должны быть установлены на host-адаптере SCSI и приводе компакт-дисков, если к шине интерфейса не подключены другие устройства.

В приводе компакт-дисков можно выделить несколько базовых элементов: лазерный диод, сервомотор, оптическую систему (включающую в себя расщепляющую призму) и фотодетектор.

И так, считывание информации с компакт-диска, так же как и запись, происходит при помощи лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности.

Обычный процесс изготовления компакт-диска состоит из нескольких этапов. Как правило, они включают в себя следующие операции: подготовку информации для записи на мастер-диск (первый образец), изготовление самого мастер диска и матриц (негатив мастер диска), тиражирование компакт-дисков.

Сервомотор по команде внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку. Такой луч, попадая на отражающий свет островок, через расщепляющую линзу отклоняется на фотодетектор, который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный ноль (цифровая информация представляется чередованием впадин (не отражающих пятен) и отражающих свет островков). Отметим, что сформированные лазерным лучом впадины очень малы по размеру (примерно 30-40 впадин соответствуют толщине человеческого волоса). В качестве отражающей поверхности компакт-дисков обычно используется алюминий. Разумеется, вся поверхность компакт-диска покрыта прозрачным защитным слоем.

В отличие от, например, винчестеров, дорожки которых представляют собой концентрические окружности, компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от внутреннего диаметра к наружному. Тем не менее одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических.

В то время, как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, т.е. с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних секторов осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обусловливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.

В последнее время появились так называемые перезаписываемые компакт-диски CD-R (CD-Recordable). Носители типа CD-R могут быть записаны самим пользователем на специальном CD-R-приводе. В основном здесь применяются технологии, основанные на изменении отражающих свойств вещества подложки компакт-диска под действием луча лазера. Кстати, надо заметить, что перезаписываемые компакт-диски в несколько раз дороже обычных.

Дело в том, что в качестве светоотражающего слоя в них используется уже не алюминий, а золото. Между прочим, подобные компакт-диски обычно служат как мастерные для дальнейшего тиражирования. Тем не менее в ряде случаев CD-R- диски можно использовать и для долговременного архивирования какой-либо ценной информации. Заметим, что читать CD-R-диск можно и на обычном приводе, но, разумеется, только первый сеанс записи. Когда смотришь на не полностью записанный CD-R, область с информацией выглядит более темной и она легко различима.

Стоит отметить основную разницу между аудио компакт дисками и компакт-дисками с цифровыми данными. Понятно, что пропуск (неправильное чтение) любой впадины на поверхности диска может привести к потере целостности записанных данных. Это в свою очередь ведет к воспроизведению неверной информации или невозможности запустить исполняемые модули записанных программ.

Другое дело аудио компакт диски. Здесь пропуск нескольких впадин на диске практически не сказывается на качестве звучания. Дело в том, что в данном случае на помощь приходит принцип интерполяции. Как известно, интерполяция позволяет отыскивать значения промежуточных величин по уже известным значениям. Например, предположим, что на аудиодиске было записано три последовательных значения 10, 13 и 20. Допустим, что второе число по некоторым причинам не прочиталось (например, из-за загрязнения или повреждения поверхности диска). Линейная интерполяция для чисел 10 и 20 дает 15 [(10+20)/2]. Разумеется, полученное значение не совпадает с исходным, что, однако, в данном случае для кодирования аналогового сигнала (музыки) не имеет Особого значения, поскольку слушающий музыку не ощутит это на слух.

Таким образом, понятно, что привод для CD-ROM с цифровой информацией - устройство более прецизионное, нежели плеер, предназначенный только для аудиодисков.

Конструктивное исполнение привода:

По конструктивному исполнению приводы CD-ROM бывают встраиваемыми в корпус компьютера и внешними.

Встроенные приводы размещаются в корпусе компьютера (например, 5-дюймовом отсеке настольного компьютера) и подключаются к адаптеру (контроллеру) или системной платы (если таковой на ней имеется), или платы, устанавливаемой в свободное гнездо расширения на системной плате.

Внешние приводы имеют собственный блок питания и подключаются,как правило, к внешнему разъему адаптера платы расширения. Имеются также внешние приводы, подключаемые к параллельному порту компьютера. Однако сравнительно невысокая производительность параллельного порта отрицательно сказывается на производительности системы ПК - внешний привод CD-ROM в целом и поэтому такой способ подключения не получил широкого распространения.

Из-за более высокой стоимости и больших габаритов использование внешних накопителей CD-ROM оправдано только в тех случаях, когда:

в корпусе компьютера отсутствует свободный отсек требуемого размера;

на системной плате компьютера нет свободных разъема подключения и гнезда расширения;

планируется переносить привод от одного компьютера к другому.

По способу установки компакт-диска в приемный лоток, приводы CD-ROM можно разделить на приводы с непосредственной установкой диска (Tray) и приводы с предварительной установкой диска в специальную кассету (Caddy). Последний способ несколько более трудоемок, но зато способствует дольшей сохранности носителей информации (компакт-дисков) и всегда (если это требуется) обеспечивает работу привода в вертикальном положении.

Общими конструктивно-функциональными элементами практически всех моделей приводов CD-ROM являются:

индикатор наличия питания и режима работы готов/занят (Ready/Bu-sy);

кнопка управления дисковым лотком привода (Eject);

механизм плавного выдвижения и загрузки приемного лотка;

отверстие для аварийного выдвижения дискового лотка привода;

пылезащитная дверца (или шторка);

стандартное гнездо для подключения головных телефонов с помощью стереоштекера диаметром 3,5 мм;

регулятор громкости; - панелька с перемычками (Jumpers) или переключателями (Switches) (для приводов со стандартным интерфейсом).

Некоторые модели приводов могут:

оборудоваться выходными стандартными звуковыми разъемами RCA;

иметь механизм автоматической очистки линз;

оборудоваться механизмом автоматической смены нескольких (до 4-6) дисков;

проигрывать аудио компакт-диски с помощью органов управления на передней панели сразу после подачи питающих напряжений на привод и без использования какого-либо программного обеспечения;

поддерживать функции программного выдвижения и загрузки приемного лотка.

2.2 Способы восстановления данных с компакт-дисков

Способы восстановления информации с компакт-дисков имеет смысл разделить на три способа:

1. Программный путь. Часто считать информацию с незначительно поврежденного СD-носителя удается с помощью только лишь программных средств, не прибегая ни к каким материальным затратам. К таковым относятся уже известные нам утилиты, искусственно замедляющие скорость привода, повышая тем самым надежность считывания. Хоть качественные приводы способны сами понижать скорость при неудачных попытках чтения, однако, практика показывает, что изначально пониженная программой скорость дает гораздо лучший результат и нечитаемых секторов остается гораздо меньше. Но далеко не все приводы компакт-дисков поддерживают принудительное ограничение скорости, это относится к самым дешевым и поэтому самым проблемным устройствам.

Утилиты другого класса реализуют программный алгоритм считывания и коррекции данных с поверхности компакт-диска. Так, программа может заставить привод десятки и тысячи раз подряд читать поврежденный участок, по крупицам извлекая из него информацию и складывая ее разрозненные части. Если даже не удастся полностью прочитать все биты, то программа попытается склеить файл, заменив недостающие части нулями. Для некоторых типов файлов такой способ вполне приемлем. Однако подобная реализация восстановления данных обычно занимает довольно много времени.

2. Аппаратный способ. Далеко не все приводы для оптических носителей читают диски одинаково хорошо. Разные приводы отличаются как качеством исполнения механической и оптической части, так и мощностью лазера, старые из них чрезвычайно плохо читают диски СВ-К/СВ-1Щ отражающая способность и контрастность активного слоя которых гораздо меньше, чем у дисков, отпрессованных через матрицу. Кроме того, производители приводов реализуют в этих устройствах специальные системы и алгоритмы для коррекции ошибок. У самых дешевых моделей механизмы коррекции ошибок реализованы очень плохо, да и возможность регулировки оборотов часто не позволяет переключаться на минимальные скорости чтения. Попытка аппаратного решения проблемы с поврежденным диском сводится к банальной замене привода на более качественный. При умеренной степени повреждения поверхности хороший привод способен справиться с тем, что недоступно изношенному или дешевому устройству.

3. Механический способ. Чаще всего проблемы чтения возникают из-за царапин на прозрачной нижней стороне компакт-диска; Из-за поглощения луча лазера этими непрозрачными бороздами от царапин доступ к данным на активном слое становится невозможен. Сами царапины имеют мизерную глубину, обычно порядка нескольких микрон, максимум -- сотые доли

миллиметра, и, как правило, относительно небольшие размеры. Тело же прозрачного материала диска -- напротив, составляет почти миллиметр. Поэтому часто для восстановления читабельности оптического носителя достаточно обработать механическим способом лишь очень тонкий поверхностный слой поврежденного диска, то есть отполировать его. Отполированная поверхность вновь приобретает прозрачность, и луч лазера беспрепятственно может считать информацию с находящегося глубже активного слоя. Хотя на практике проблема полировки компакт-дисков довольно сложная задача. Всегда существует вероятность еще большего повреждения поверхности уже в процессе полировки. Поэтому этой проблемы мы коснемся в самом конце. С каких же методов стоит начинать восстановление информации на СD, очевидно, с программных. Во-первых, при этом вы ничем не рискуете, нельзя что-либо сделать еще хуже. Представленные здесь программы не потребуют дополнительных финансовых затрат, только времени, иногда очень большого. С помощью тех же программных средств можно установить и степень повреждения компакт-диска, по крайней мере, с точки зрения конкретно СD-привода. Если же с помощью программного восстановления данных в удалось достичь требуемого результата, то тут уж имеет смысл повторить в сначала, но только уже на другом приводе, более качественном. Если результат опять не достигнут, остается последний шанс -- механическая обработка.

Полирование -- процесс очень ответственный, требует специальных средств, навыков и терпения. На это следует обращать внимание при полировке. При механической обработке уже существующих царапин никак не избежать появления множества новых, хотя и очень маленьких -- появившихся от действия полировочного материала. Поэтому все движения при обработке всегда следует направлять в перпендикулярном относительно дорожек направлении, таким образом появятся только поперечные, наименее опасные новые царапины.

Полировать диски можно вручную или с помощью полировочного круга, насаженного на шпиндель двигателя. В последнем случае это может быть точильный станок, на который установлен мягкий войлочный круг, шпиндель токарного станка или же электродрель, зажатая на столе в струбцине или тисках с зажатым в патроне войлочным кругом. Полировальный круг должен быть идеально отцентрирован. В случае токарного станка его сначала выравнивают резцом на больших оборотах. С точильным станком или электродрелью сложнее. Здесь биение круга можно убрать, пройдясь по нему на скорости обычным рубанком для дерева с хорошо отточенным лезвием, можно использовать и рашпиль.

В качестве полировочного состава можно использовать пасту ГОИ, растворенную в керосине или уайт спирите. Паста ГОИ -- это зеленое, довольно плотное вещество, обычно в виде куска, напоминающего зеленый камень. Она используется для полировки, и, как правило, ее куском натирают вращающийся на двигателе круг. Однако для более тонкой полировки, как в нашем случае, лучше наносить эту растворенную пасту непосредственно на поверхность компакт-диска. Так как растворяется она плохо, то можно не растворять кусок пасты полностью, а, залив его растворителем, натирать тампоном из ваты и наносить вещество с помощью этого тампона на поверхность диска. Пасту следует наносить периодически, не допуская ее высыхания в процессе полировки, следя за тем, чтобы в ее состав не попадали нерастворенные кусочки, способные создать царапину. Полировка ведется перпендикулярно к дорожкам компакт-диска.

Другим составом для полировки может стать обычная зубная паста без добавок и гелей, тоже наполовину растворенная водой. Здесь не следует экономить, покупая самые дешевые пасты. Важно, чтобы в пасте не было крупных абразивных частичек, способных создать большие царапины, хотя полностью избежать этого не удастся. Поэтому пользоваться зубной пастой следует с максимальной осторожностью, ориентируя компакт-диск к полировальному кругу так, чтобы направление движущейся части было перпендикулярно к дорожкам СО. Засохшую на кромке полировального круга пасту следует периодически снимать рашпилем. Так как образование мелких царапин при полировке зубной пастой, в принципе, неизбежно, то слишком длительная полировка этим составом может иметь и обратный эффект. Так, при полировке на протяжении некоторого времени можно восстановить какой-то участок диска, а при продолжении -- уже испортить его. В процессе полировки следует 1 почаще проверять поверхность диска программой-сканером, чтобы видеть, в каком направлении идет процесс.

Прежде чем начать полировать ценный диск с помощью круга, потренируйтесь на каком-нибудь ненужном компакт-диске. Это очень важно, так как; нужно точно выверить нажим. Малейшее превышение усилия нажатия -- материал диска нагревается, начинает плавиться, на поверхности появляется широкая, глубокая борозда, которую уже невозможно устранить. Нажим должен быть очень слабым, длительностью всего несколько секунд, иначе мате-1 риал диска разогреется и испортится. Когда нужные практические навыки! будут получены, можно приступать к ответственной полировке нужного диска. Несмотря на всю автоматизацию, занимает этот процесс много времени,! иногда не один час, притом что результат далеко не всегда оказывается положительным.

Вручную можно полировать теми же полировальными составами, однако все движения здесь уже придется проделывать пальцами рук с помощью сочка войлока или мягкой тряпочки, натирая поврежденную поверхность СD. Полировальный состав наносится на поверхность диска в растворенное виде. Сам диск ложится на мягкую ткань на ровной поверхности, иначе его обратная окрашенная сторона, а под ней поверхность активного слоя может повредиться при нажиме. Все движения в процессе полировки должны щ изводится перпендикулярно концентрическим дорожкам, то есть по радиус диска.