CD ROM - CD-ROM

CD-ROM ( / ˌ s jsem d jsem r ɒ m / , kompaktní disk pouze pro čtení paměti ) je pre-lisovaný optický kompaktní disk , který obsahuje údaje . Počítače mohou číst – ale ne zapisovat nebo mazat – CD-ROM, tj. jedná se o typ paměti pouze pro čtení .

Dějiny

Během devadesátých let byly CD-ROMy s oblibou používány k distribuci softwaru a dat pro počítače a videoherní konzole páté generace . Některá CD, nazývaná vylepšená CD , obsahují jak počítačová data, tak zvuk, který lze přehrávat na CD přehrávači , zatímco data (jako je software nebo digitální video) jsou použitelná pouze na počítači (jako je PC CD ve formátu ISO 9660 ROM).

Nejčasnější teoretickou práci na ukládání optických disků provedli nezávislí výzkumníci ve Spojených státech, včetně Davida Paula Gregga (1958) a Jamese Russela (1965–1975). Konkrétně Greggovy patenty byly použity jako základ specifikace LaserDisc, která byla společně vyvinuta mezi MCA a Philips poté, co MCA koupil Greggovy patenty, stejně jako společnost, kterou založil, Gauss Electrophysics. LaserDisc byl bezprostředním předchůdcem CD, s hlavním rozdílem, že LaserDisc kódoval informace prostřednictvím analogového procesu, zatímco CD používal digitální kódování.

Klíčovou práci na digitalizaci optického disku provedli Toshi Doi a Kees Schouhamer Immink v letech 1979–1980, kteří pracovali v pracovní skupině pro Sony a Phillips. Výsledkem byl kompaktní disk Digital Audio (CD-DA), definovaný v roce 1980. CD-ROM byl později navržen jako rozšíření CD-DA a adaptoval tento formát pro uložení jakékoli formy digitálních dat s počáteční úložnou kapacitou. o velikosti 553 MB . Sony a Philips vytvořily technický standard, který definuje formát CD-ROM v roce 1983, v tom, co se začalo nazývat Žlutá kniha . Jedna ze sady barevně vázaných knih, které obsahují technické specifikace pro všechny formáty CD, Yellow Book specifikuje formát pro disky s maximální kapacitou 650 MB. CD-ROM byl oznámen v roce 1984 a představen Denon a Sony na první japonské počítačové výstavě COMDEX v roce 1985.

CD ROM
CD-ROM.png
Tradiční CD-ROM
Typ média Optický disk
Kódování Rozličný
Kapacita 194 MB (8 cm), 650–900 MB (12 cm)
 Mechanismus čtení 600-780nm laserová dioda, 150 KB/s (1×; 150 × 2 10 ), 10 800 KB/s (72×)
 Mechanismus zápisu Lisovaná forma
Standard ISO/IEC 10149
Používání Datové úložiště

CD-ROM se začal používat v domácích videoherních konzolách počínaje PC Engine CD-ROM² (TurboGrafx-CD) v roce 1988, zatímco jednotky CD-ROM byly do konce 80. let dostupné i pro domácí počítače . Počátkem roku 1990 se v Japonsku prodalo asi 300 000 přehrávačů CD-ROM, zatímco ve Spojených státech se měsíčně vyrábělo 125 000 disků CD-ROM. V roce 1990 společnost Data East předvedla arkádovou systémovou desku, která podporuje CD-ROM, podobně jako laserdisc videohry z 80. let, ale s digitálními daty, což umožňuje větší flexibilitu než starší laserdisc hry.

CD-ROM disky

Média

CD-ROM v přihrádce částečně otevřené jednotky DVD-ROM.

Disky CD-ROM jsou vzhledově identické se zvukovými disky CD a data se ukládají a načítají velmi podobným způsobem (od zvukových disků CD se liší pouze standardy používanými k ukládání dat). Disky jsou vyrobeny z 1,2 mm silného disku z polykarbonátového plastu s tenkou vrstvou hliníku, která vytváří reflexní povrch. Nejběžnější velikost CD-ROM je 120 mm v průměru, i když menší standard Mini CD s průměrem 80 mm, stejně jako tvarované kompaktní disky v mnoha nestandardních velikostech a formách (např. média velikosti vizitky ), jsou také k dispozici.

Data jsou na disku uložena jako série mikroskopických zářezů nazývaných „doly“, s neodsazenými mezerami mezi nimi nazývanými „plochy“. Na reflexní povrch disku svítí laser, aby se přečetl vzor jamek a ploch. Vzhledem k tomu, že hloubka důlků je přibližně jedna čtvrtina až jedna šestina vlnové délky laserového světla se používá pro čtení disku, odraženého paprsku je fáze je posunuta vzhledem k příchozí paprsku, což způsobí destruktivní interferenci a snížení odražené intenzitu paprsku. To je převedeno na binární data.

Standard

Pro data uložená na kompaktních discích, známých jako Rainbow Books, se používá několik formátů . Yellow Book , publikoval v roce 1988, definuje specifikace pro CD-ROM, standardizované v roce 1989 jako ISO / IEC 10149 / ECMA -130 standard. Standard CD-ROM staví na původním standardu Red Book CD-DA pro audio CD. Jiné standardy, jako je Bílá kniha pro Video CD , dále definují formáty založené na specifikacích CD-ROM. Samotná žlutá kniha není volně dostupná, ale normy s odpovídajícím obsahem lze zdarma stáhnout z ISO nebo ECMA.

Existuje několik standardů, které definují, jak strukturovat datové soubory na disku CD-ROM. ISO 9660 definuje standardní souborový systém pro CD-ROM. ISO 13490 je vylepšením tohoto standardu, které přidává podporu pro nesekvenční jednorázové a přepisovatelné disky, jako jsou CD-R a CD-RW , a také vícenásobné relace . Norma ISO 13346 byla navržena tak, aby řešila většinu nedostatků normy ISO 9660 a její podmnožina se vyvinula do formátu UDF , který byl přijat pro disky DVD . Specifikace bootovatelného CD byla vydána v lednu 1995, aby vytvořila CD emulující pevný disk nebo disketu a nazývá se El Torito .

formát CD-ROM

Data uložená na discích CD-ROM se řídí standardními technikami kódování dat CD popsanými ve specifikaci Red Book (původně definované pouze pro audio CD ). To zahrnuje křížově prokládané kódování Reed-Solomon (CIRC), modulaci osm až čtrnáct (EFM) a použití pitů a ploch pro kódování bitů do fyzického povrchu CD.

Struktury používané k seskupování dat na CD-ROM jsou také odvozeny z Červené knihy . Stejně jako audio CD (CD-DA) obsahuje sektor CD-ROM 2 352 bajtů uživatelských dat, složených z 98 snímků, z nichž každý se skládá z 33 bajtů (24 bajtů pro uživatelská data, 8 bajtů pro opravu chyb a 1 bajt pro podkód). Na rozdíl od audio CD odpovídají data uložená v těchto sektorech jakémukoli typu digitálních dat, nikoli audio ukázkám kódovaným podle specifikace audio CD. Pro strukturování, adresování a ochranu těchto dat standard CD-ROM dále definuje dva sektorové režimy, režim 1 a režim 2, které popisují dvě různá rozložení pro data uvnitř sektoru. Track (skupina sektorů) uvnitř disku CD-ROM obsahuje pouze sektory ve stejném režimu, ale pokud jsou přítomny v CD-ROMu více stop, každá stopa může mít své sektory v jiném režimu než zbytek skladeb. Mohou také koexistovat se stopami audio CD, což je případ disků CD se smíšeným režimem .

Sektorová struktura

Oba sektory módu 1 a 2 používají prvních 16 bajtů pro informace záhlaví , ale ve zbývajících 2 336 bytech se liší kvůli použití bajtů opravy chyb . Na rozdíl od audio CD se CD-ROM nemůže spoléhat na skrytí chyb interpolací ; je vyžadována vyšší spolehlivost získaných dat. Aby bylo dosaženo lepší opravy a detekce chyb, režim 1, používaný většinou pro digitální data, přidává 32bitový kód cyklické redundantní kontroly (CRC) pro detekci chyb a třetí vrstvu opravy chyb Reed–Solomon pomocí produktu Reed-Solomon. jako Code (RSPC). Režim 1 proto obsahuje 288 bajtů na sektor pro detekci a opravu chyb, takže pro data je k dispozici 2 048 bajtů na sektor. Režim 2, který je vhodnější pro obrazová nebo video data (kde může být dokonalá spolehlivost o něco méně důležitá), neobsahuje žádné další bajty pro detekci chyb nebo opravy, má tedy 2 336 dostupných datových bajtů na sektor. Všimněte si, že oba režimy, stejně jako audio CD, stále těží z nižších vrstev opravy chyb na úrovni snímku.

Před uložením na disk pomocí výše popsaných technik je každý sektor CD-ROM zakódován, aby se zabránilo zobrazení některých problematických vzorů. Tyto zakódované sektory pak následují stejný proces kódování popsaný v Červené knize , aby byly nakonec uloženy na CD.

Následující tabulka ukazuje srovnání struktury sektorů na CD-DA a CD-ROM:

Formát ← Struktura sektoru 2 352 bajtů →
Digitální audio CD: 2 352 (digitální zvuk)
Režim CD-ROM 1: 12 (vzor synchronizace) 3 (adresa) 1 (režim, 0x01) 2 048 (data) 4 (detekce chyb) 8 (rezervováno, nula) 276 (oprava chyby)
Režim CD-ROM 2: 12 (vzor synchronizace) 3 (adresa) 1 (režim, 0x02) 2 336 (data)

Čistá bytová rychlost CD-ROM Mode-1, založená na srovnání se zvukovými standardy CD-DA, je 44 100 Hz × 16 bitů/vzorek × 2 kanály × 2 048 / 2 352 / 8 = 150 KB/s (150 × 2 10 ). Tato hodnota, 150 KB/s, je definována jako „1× rychlost“. Proto u disků CD-ROM režimu 1 čte jednotka 1× CD-ROM 150/2 = 75 po sobě jdoucích sektorů za sekundu.

Doba přehrávání standardního CD je 74 minut, neboli 4 440 sekund, v 333 000 blocích nebo sektorech . Čistá kapacita CD-ROM Mode-1 je tedy 650 MB (650 × 2 20 ). U 80minutových CD je kapacita 703 MB.

CD-ROM rozšíření XA

CD-ROM XA je rozšířením standardu Yellow Book pro disky CD-ROM, které kombinuje komprimovaný zvuk, video a počítačová data, což umožňuje přístup ke všem současně. Byl zamýšlen jako most mezi CD-ROM a CD-i ( zelená kniha ) a byl publikován společnostmi Sony a Philips a podporovaný Microsoftem v roce 1991, poprvé oznámeno v září 1988. „XA“ znamená eXtended Architecture.

CD-ROM XA definuje dvě nová rozvržení sektorů, nazvaná Mode 2 Form 1 a Mode 2 Form 2 (která se liší od původního Mode 2). XA mód 2 Forma 1 je podobný výše popsané struktuře módu 1 a může se prokládat se sektory XA módu 2 Form 2; používá se pro data. XA Mode 2 Form 2 má 2 324 bajtů uživatelských dat a je podobný standardnímu režimu 2, ale s přidanými bajty detekce chyb (i když bez opravy chyb). Může prokládat sektory XA Mode 2 Form 1 a používá se pro audio/video data. Disky Video CD , Super Video CD , Photo CD , Enhanced Music CD a CD-i používají tyto sektorové režimy.

Následující tabulka ukazuje srovnání struktury sektorů v režimech CD-ROM XA:

Formát ← Struktura sektoru 2 352 bajtů →
CD-ROM XA režim 2, formulář 1: 12 (vzor synchronizace) 3 (adresa) 1 (režim) 8 (podnadpis) 2 048 (data) 4 (detekce chyb) 276 (oprava chyby)
CD-ROM XA režim 2, formulář 2: 12 (vzor synchronizace) 3 (adresa) 1 (režim) 8 (podnadpis) 2 324 (data) 4 (detekce chyb)

Obrazy disků

Když je vytvořen obraz disku CD-ROM, lze to provést buď v "raw" režimu (extrahování 2 352 bajtů na sektor, nezávisle na vnitřní struktuře), nebo získání pouze užitečných dat sektoru (2 048/2 336/2 352/ 2 324 bajtů v závislosti na režimu CD-ROM). Velikost souboru obrazu disku vytvořeného v režimu raw je vždy násobkem 2 352 bajtů (velikost bloku). Formáty obrazu disku, které ukládají nezpracované sektory CD-ROM, zahrnují CCD/IMG , CUE/BIN a MDS/MDF . Velikost obrazu disku vytvořeného z dat v sektorech bude záviset na typu sektorů, které používá. Pokud je například obraz CD-ROM v režimu 1 vytvořen extrakcí pouze dat každého sektoru, jeho velikost bude násobkem 2 048; to je obvykle případ obrazů disků ISO .

Na 74minutové CD-R je možné vměstnat větší obrazy disků pomocí režimu raw, až 333 000 × 2 352 = 783 216 000 bajtů (~747 MB). Toto je horní limit pro nezpracované obrázky vytvořené na 74minutovém nebo ≈650 MB disku Red Book CD. Nárůst o 14,8 % je způsoben vyřazením dat pro opravu chyb.

Výroba

Předlisované CD-ROMy jsou hromadně vyráběny procesem ražení, kdy se vytvoří skleněný předlohový disk a použije se k výrobě „razítek“, které se zase používají k výrobě více kopií finálního disku s již přítomnými důlky. Zapisovatelné ( CD-R ) a přepisovatelné ( CD-RW ) disky se vyrábějí odlišnou metodou, přičemž data jsou na ně zaznamenávána laserem, který mění vlastnosti barviva nebo materiálu fázového přechodu v procesu, který je často označován jako " hořící ".

Kapacita

Na CD-ROM lze snadno uložit všechna slova a obrázky papírové encyklopedie plus audio a video klipy

Kapacity CD-ROM jsou normálně vyjádřeny binárními předponami , které odečítají prostor použitý pro data opravy chyb. Standardní 120 mm, 700 MB CD-ROM může ve skutečnosti pojmout asi 703 MB dat s opravou chyb (nebo 847 MB ​​celkem). Pro srovnání, jednovrstvý DVD-ROM pojme 4,7 GB (4,7 × 10 9 ) dat chráněných proti chybám, tedy více než 6 CD-ROMů.

Kapacita typů kompaktních disků (90 a 99minutové disky nejsou standardní)
Typ Sektory Data (režim 1) max. velikost Zvuk max. velikost Čas
( MB ) Cca. (1 = 2 20 ) (MB) ( min )
8 cm 94 500 193,536 184,570 222,264 21
283 500 580,608 553,711 666,792 63
650 MB 333 000 681,984 650,391 783,216 74
700 MB 360 000 737,280 703,125 846,720 80
800 MB 405 000 829,440 791,016 952,560 90
900 MB 445 500 912,384 870,117 1 047,816 99
Poznámka: hodnoty megabajtů (MB) a minut (min) jsou přesné; (1 = 2 20 ) hodnoty jsou přibližné.

CD-ROM mechaniky

Pohled na rozebraný laserový systém jednotky CD-ROM
Pohyb laseru umožňuje čtení v libovolné poloze CD
Laserový systém jednotky CD-ROM

Disky CD-ROM se čtou pomocí jednotek CD-ROM. Jednotku CD-ROM lze k počítači připojit přes rozhraní IDE ( ATA ), SCSI , SATA , FireWire nebo USB nebo proprietární rozhraní, jako je rozhraní Panasonic CD , LMSI/Philips, Sony a Mitsumi. Prakticky všechny moderní jednotky CD-ROM mohou také přehrávat audio CD (stejně jako Video CD a další datové standardy), pokud jsou použity se správným softwarem.

Laser a optika

Jednotky CD-ROM využívají blízko infračervenou laserovou diodu 780 nm . Laserový paprsek je nasměrován na disk přes optoelektronický sledovací modul, který pak detekuje, zda byl paprsek odražen nebo rozptýlen.

Převodní sazby

Původní rychlost

Jednotky CD-ROM jsou hodnoceny faktorem rychlosti vzhledem k hudebním CD. Pokud se CD-ROM čte stejnou rychlostí otáčení jako audio CD , rychlost přenosu dat je 150 KB/s, běžně nazývaná „1ד (s konstantní lineární rychlostí, krátce „CLV“ ). Při této rychlosti přenosu dat se dráha pohybuje podél laserové skvrny rychlostí asi 1,2 m/s. Pro udržení této lineární rychlosti při pohybu optické hlavy do různých poloh se úhlová rychlost mění od přibližně 500 otáček za minutu na vnitřním okraji do 200 otáček za minutu na vnějším okraji. 1× rychlostní hodnocení pro CD-ROM (150 KB/s) se liší od 1× rychlostní hodnocení pro DVD (1,32 MB/s).

Pokroky v rychlosti

Zvýšením rychlosti otáčení disku lze data přenášet vyšší rychlostí. Například jednotka CD-ROM, která dokáže číst rychlostí 8×, roztáčí disk rychlostí 1600 až 4000 otáček za minutu, což dává lineární rychlost 9,6 m/s a přenosovou rychlost 1200 KB/s. Při rychlosti vyšší než 12× většina pohonů čte při konstantní úhlové rychlosti (CAV, konstantní otáčky za minutu), takže motor není nucen přecházet z jedné rychlosti na druhou, když hlava hledá na disku z místa na místo. V režimu CAV číslo „ד označuje přenosovou rychlost na vnějším okraji disku, kde je maximální. 20× byla považována za maximální rychlost kvůli mechanickým omezením, dokud společnost Samsung Electronics nepředstavila SCR-3230, 32x jednotku CD-ROM, která využívá systém kuličkových ložisek k vyvážení rotujícího disku v mechanice, aby se snížily vibrace a hluk. Od roku 2004 je nejrychlejší běžně dostupná přenosová rychlost asi 52× nebo 10 400 otáček za minutu a 7,62 MB/s. Vyšší otáčky odstřeďování jsou omezeny pevností polykarbonátového plastu, ze kterého jsou kotouče vyrobeny. Při 52× je lineární rychlost nejvzdálenější části disku kolem 65 m/s. Zlepšení však lze stále dosáhnout pomocí více laserových snímačů, jak ukazuje Kenwood TrueX 72×, který využívá sedm laserových paprsků a rychlost rotace přibližně 10×.

První 12× disk byl vydán koncem roku 1996. Nad 12× otáčkami jsou problémy s vibracemi a teplem. Mechaniky CAV poskytují rychlost až 30× na vnějším okraji disku se stejnou rychlostí otáčení jako standardní ( konstantní lineární rychlost , CLV) 12× nebo 32× s mírným zvýšením. Avšak vzhledem k povaze CAV (lineární rychlost na vnitřním okraji je stále pouze 12×, přičemž se mezi tím plynule zvyšuje) je skutečné zvýšení propustnosti menší než 30/12; ve skutečnosti zhruba 20× průměr u zcela zaplněného disku, u částečně zaplněného ještě méně.

Fyzická omezení

Problémy s vibracemi v důsledku omezení dosažitelné symetrie a pevnosti u masově vyráběných médií znamenají, že se rychlost jednotky CD-ROM od konce 90. let výrazně nezvýšila. O více než 10 let později se běžně dostupné jednotky pohybují mezi 24× (štíhlé a přenosné jednotky, 10× rychlost otáčení) a 52× (typicky jednotky CD a pouze pro čtení, 21× rychlost otáčení), všechny využívají CAV k dosažení požadovaného „ max" rychlosti, přičemž nejčastější jsou 32× až 48×. I tak mohou tyto rychlosti způsobit špatné čtení (korekce chyb mechaniky se stala velmi důmyslnou odezvou) a dokonce i rozbití špatně vyrobených nebo fyzicky poškozených médií, přičemž malé praskliny rychle přerostou v katastrofické praskliny při dostředivém namáhání při 10 000–13 000 ot./min (tj. 40 ot./min. –52× CAV). Vysoké otáčky také produkují nežádoucí hluk z vibrací kotouče, proudícího vzduchu a samotného motoru vřetena. Většina disků 21. století umožňuje režimy nucené nízké rychlosti (pomocí malých obslužných programů) z důvodu bezpečnosti, přesného čtení nebo ticha a automaticky se vrátí zpět, pokud dojde k četným sekvenčním chybám čtení a opakování.

Řešení

Byly vyzkoušeny další metody zlepšení rychlosti čtení, jako je použití více optických paprsků, zvýšení propustnosti až na 72× s 10× rychlostí rotace, ale spolu s dalšími technologiemi, jako je 90–99 minutová zapisovatelná média, GigaRec a kompaktní disk s dvojitou hustotou ( Purple Book Standard) rekordéry, jejich užitečnost byla zrušena zavedením spotřebitelských DVD-ROM mechanik schopných konzistentně 36× ekvivalentní rychlosti CD-ROM (4× DVD) nebo vyšší. Navíc s 700 MB CD-ROM plně čitelným za méně než 2,5 minuty při 52× CAV má zvýšení skutečné rychlosti přenosu dat stále menší vliv na celkovou efektivní rychlost disku, vezmeme-li v úvahu další faktory, jako je načítání/vyjímání, rozpoznávání médií, rotace nahoru/dolů a náhodné doby hledání, což výrazně snižuje návratnost investic do vývoje. Podobný efekt rozvrstvení byl od té doby pozorován při vývoji DVD, kde se maximální rychlost ustálila na 16× CAV (s výjimečnými případy mezi 18× a 22×) a kapacita na 4,3 a 8,5 GB (jedna a dvouvrstvá), s vyšší rychlostí a kapacitou. potřebuje místo toho zajistit Blu-ray mechaniky.

Rychlostní hodnocení

Zapisovatelné jednotky CD se často prodávají se třemi různými rychlostmi, jednou rychlostí pro operace jednorázového zápisu, jednou pro operace přepisu a jednou pro operace pouze pro čtení. Rychlosti jsou obvykle uvedeny v tomto pořadí; tj. CD mechanika 12×/10×/32× může, pokud to CPU a média dovolí, zapisovat na disky CD-R rychlostí 12× (1,76 MB/s), zapisovat na disky CD-RW rychlostí 10× (1,46 MB/ s) a číst z CD 32× rychlostí (4,69 MB/s).

Tabulka rychlosti

Běžné rychlosti přenosu dat pro jednotky CD-ROM
Přenosová rychlost kB/s Mbit/s MB/s RPM (od vnějšího k vnitřnímu okraji)
150 1,2288 0,146 200–530
300 2,4576 0,293 400–1 060
600 4,9152 0,586 800–2 120
1 200 9,8304 1.17 1 600–4 240
10× 1 500 12,288 1.46 2 000–5 300
12× 1 800 14,7456 1,76 2 400–6 360
20× 1 200–3 000 až 24,576 až 2,93 4 000 ( CAV )
24× 1 440–3 600 až 29,491 do 3.51 4800 ( CAV )
32× 1 920–4 800 až 39,3216 až 4,69 6 400 ( CAV )
36× 2 160–5 400 až 44,2368 do 5.27 7 200 ( CAV )
40× 2 400–6 000 až 49,152 až 5,86 8 000 ( CAV )
48× 2 880–7 200 až 58,9824 až 7.03 9 600 ( CAV )
52× 3 120–7 800 až 63,8976 až 7,62 10 400 ( CAV )
56× 3 360–8 400 až 68,8128 do 8.20 11 200 ( CAV )
72× 6 750–10 800 až 88,4736 až 10.5 2 700 (vícepaprskové)

Problémy s autorskými právy

Distributoři softwaru, a zejména distributoři počítačových her, často využívají různá schémata ochrany proti kopírování, aby zabránili spouštění softwaru z jakéhokoli média kromě originálních CD-ROMů. Tato se poněkud liší od ochrany audio CD v tom, že je obvykle implementována jak v médiu, tak v samotném softwaru. Samotný CD-ROM může obsahovat „slabé“ sektory, které znesnadňují kopírování disku, a další data, která může být obtížné nebo nemožné zkopírovat na disk CD-R nebo obraz disku, ale která software kontroluje při každém spuštění. abyste zajistili, že se v jednotce CD-ROM počítače nachází originální disk a nikoli neautorizovaná kopie.

Výrobci vypalovaček CD ( CD-R nebo CD-RW ) jsou hudebním průmyslem podporováni, aby zajistili, že každá jednotka, kterou vyrobí, bude mít jedinečný identifikátor, který bude zakódován jednotkou na každém disku, který zaznamenává: RID nebo Recorder Identification. Kód. Toto je protějšek ke zdrojovému identifikačnímu kódu (SID), osmiznakovému kódu začínajícímu „ IFPI “, který je obvykle vyražen na discích vyráběných závody na nahrávání CD.

Viz také

Poznámky

Reference