CD：技术和标准。参考资料

CD：技术和标准。参考资料

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定期阅读计算机新闻，与与计算机相关的人交流，对在印刷品和电视上为计算机做广告感兴趣，很容易看出这一技术分支正在发展的巨大步伐。更先进的处理器、高质量显示器、打印机以及通常全新的产品动摇了想象力。计算技术的许多能力都归功于其外围设备。本文介绍一种外围设备类型 - 用于在光盘上长期存储信息的设备。

在计算技术相对较短的历史中，许多类型的介质已经发生了变化，信息可以无限期地存储在这些介质上：纸质穿孔卡和穿孔磁带、磁带、鼓、各种尺寸和容量的软盘和硬盘，最后，磁光盘和光盘。如今，计算机高科技配件制造商在这一领域可能有很多有前途的想法，但到目前为止，磁光盘和光盘越来越受欢迎。在本文中，我们将仅关注光盘，它已经出现了很长时间，但正在不断改进并且正在稳步变得越来越受欢迎。

光盘更常见的名称是“光盘”或CD-ROM（简称CD）。

CD 能够在较小的物理卷中存储大量信息。由于读取设备与承载信息的表面不存在任何机械接触，因此重复读取记录的数据而不磨损介质的可能性也很重要。除此之外，磁盘本身以及与其一起工作所需的设备的成本相对较低。这些优势肯定会吸引所有需要存储大量数据且丢失数据风险最小的人。而且这样的人越来越多。哪里有计算机，哪里就有强大的程序、档案和数据库、数字化的图像和声音。所有这些都可以方便地存储在 CD 上。

设计和操作原理

现代CD是一张直径约120、厚约1毫米的塑料光盘，中心有一个15毫米的孔。孔周围有一个约 10 毫米宽的区域，用于夹紧旋转光盘的主轴。 CD 的一面通常设计精美，并提供有关唱片内容的简短信息。另一个 - 闪烁着彩虹的所有颜色。在其上，在夹紧区域周围，还有另一个视觉上可区分的环，其上以条形或其他代码印有序列号，通常只有光盘制造商才能理解。接下来是数据区域，在反射光下观察时会产生彩虹效果。 CD的外缘有一个小宽度的透明保护环[1]。

最常见的 CD 的结构如图 1 所示。 1.将最薄的铝反射层2施加到丙烯酸塑料基底3上。金属上覆盖有透明的聚碳酸酯保护膜 4. 通过激光束读取数据 XNUMX. 制作 CD 的通常过程包括几个阶段：准备用于记录的数据、制作母盘（原始）和矩阵（底片）母盘），复制 CD。

光盘：技术和标准

通过激光束将信息施加到铝母盘的光滑表面上，激光束通过改变金属的结构（换句话说，通过燃烧金属），在其上形成微小的空腔。不同反射凹坑和平坦区域的交替代表计算机通常的二进制形式的数据。请注意，激光束形成的空腔尺寸非常小——在长度不超过人发粗细的一段上，可以容纳数十个空腔[2]。

接下来的事情让人想起传统留声机唱片的制作。母盘的负片用作在 CD 本身表面上压制信息承载凹陷的基质，CD 表面仍需用铝覆盖，涂上保护层并提供必要的铭文。值得注意的是，CD的制作还有其他技术，包括可擦写和可擦写技术，下面将讨论其中一些技术。

阅读资料

在 CD 下方，光面朝下插入驱动器并固定在旋转轴上，读取器在伺服电机的帮助下沿半径移动（图 2）。它由半导体激光器 1、分束棱镜 2 和光探测器 3 组成，该分光棱镜 4 具有将光束聚焦在磁盘表面 5 上的透镜 3。透镜配备有驱动器，用于微调信息轨道上的光束位置。很明显，用于读取的激光功率比用于刻录母盘表面凹陷的激光功率低得多[XNUMX]。

光盘：技术和标准

铝表面反射的光束由棱镜引导至光电探测器。如果它从凹陷之间的闪亮岛反射，则光电探测器电路中会出现电流，该电流的存在被解释为逻辑1。落入凹陷中的光束大部分被散射，因此，光电探测器及其产生的电流减少 - 逻辑 0 固定。

光电探测器的敏感表面分为四个部分。这使得控制驱动器的微处理器能够确定光束是否正确定位。如果光束偏离所需位置（通常，由于 CD 和驱动器的制造错误而发生这种情况），则它在光电探测器表面上产生的光斑也会发生移动，这是由于它的部门将受到不均匀的照明。通过比较接收器每个元件生成的电流，微处理器生成校正透镜位置的命令，从而校正反射层表面上的光束。

数据结构

正如已经提到的，数据以一系列凹坑及其之间的间隔记录在 CD 上，形成一个物理信息轨道。与通常在磁盘上记录的方式相比，只有一种。该单轨是一个螺旋，从磁盘的中心开始并向其边缘展开。这种CD有点像传统的唱片，不同之处在于螺旋方向和非接触式读取数据的方式。该轨道从驱动器同步所需的服务区开始：读取器必须“知道”每个记录的信息位何时到达。一个物理磁道可以分为多个逻辑磁道。

从 CD 读取的连续位流被分为八位字节，并在逻辑上分组为扇区。每个扇区由 12 个字节的同步、四个字节的标头（包含扇区号和有关其中记录类型的信息）、2048 个字节的主数据区和 288 个字节的附加信息组成。

使用多种类型的扇区。第一个仅适用于数字音频。第二张是所有 CD 的主要一张。由于附加信息的区域，其标头被扩展为12字节。该区域的其余部分被数据读取错误检测代码（172 个字节）和两个允许纠正的代码占用：P 奇偶校验（104 字节）和 Q 奇偶校验（2336 字节）。在第三类型的扇区中，附加信息区域可供用户使用。因此它们每个最多可以包含4字节的数据，但无法控制正确读取和纠错。每个逻辑磁道仅由一种类型的扇区组成[XNUMX]。

CD 的第一个扇区包含其内容（卷目录，VTOC） - 类似于磁盘上的文件分配表 (FAT)。一般来说，根据 HSG 标准（见下文）的基本 CD 格式在很多方面都让人想起软盘的格式，在其零磁道上不仅包含其主要参数（磁道数、扇区数等）。已指示，而且还存储有关数据放置的信息（目录和文件）。

系统区域包含带有存储数据的区域的指针或地址的目录。与软盘的本质区别在于，位于子目录中的文件的直接地址都标明在光盘的根目录中，这极大地方便了它们的查找。

目前只有音频 CD 播放器才能使用的经典“单”数据读取速度为 175 KB/s，即每秒约 75 个扇区。每个包含 300 个扇区的逻辑磁道按此速率在 4 秒内播放。整个CD，如果仅由第二类型的扇区组成，则包含663,5 MB 的数据。

计算机使用 CD 驱动器，通过提高主轴速度并相应地改变许多其他技术特性，可以提供更快的数据读取速度。如今，速度提升 12 倍和 16 倍的驱动器很常见。但也有比“单身”多24倍甚至XNUMX倍的。

CD 标准

1982 年，音乐光盘取代了机械录制的黑胶唱片（留声机唱片），几乎与 IBM 的第一台个人电脑同时出现。这是电子行业两大巨头日本公司索尼和荷兰飞利浦之间合作的结果。

CD容量选择的历史很有趣。索尼首席执行官盛田昭夫认为新产品应该满足古典音乐爱好者的需求。经过调查发现，日本最受欢迎的古典作品——贝多芬第九交响曲——听起来大约73分钟。显然，如果日本人更喜欢在两个晚上完整演出的海顿的短交响曲或瓦格纳的歌剧，那么CD的发展可能会走不同的道路。但事实依然如此。决定CD的长度为74分33秒。

由此诞生了被称为“红皮书”（Red Book）的标准。并非所有音乐爱好者都对所选择的声音持续时间感到满意，但与 45 分钟的短命黑胶唱片相比，这是一个重大的进步。将 74 分钟的音乐算入信息容量后，结果约为 640 MB [2]。

上述两家公司还在第一个数字 CD 标准（即所谓的“黄皮书”）的制定中发挥了主导作用。在此基础上创建的光盘除了能够存储音频数据外，还能够存储文本和图形数据，被称为CD-DA（CD-数字音频）。

CD-DA 标头包含可让您确定录制数据类型的信息。然而，该标准没有规范逻辑和文件记录格式。他们的选择完全委托给制造企业。因此，符合黄皮书标准的 CD 通常只能由其设计型号的设备读取。这种情况，尤其是与CD的巨大商业成功有关，当然不能让任何人满意。为了共同利益，迫切需要找到妥协方案。

数字 CD 的第二个事实上的标准是 HSG 或简称为 High Sierra。我们注意到一个有趣的细节：它是以加利福尼亚州一个城镇的一家酒店和赌场命名的，主要的 CD 制作人聚集在那里讨论他们的问题。本文档本质上是建议性的，建议至少提供一些兼容性。它定义了 CD 的逻辑格式和文件格式。不幸的是，没有适合HSG标准的书的颜色。然而，事实证明它是如此有吸引力，以至于后来采用的国际标准 ISO 9660 的主要条款与 HSG 一致。

ISO 9660 描述了 CD-ROM 文件系统。根据第一级标准，它类似于类似的MS DOS系统：文件名最长可达八个字符，并且具有由点分隔的三个字符的扩展名。名称中禁止使用特殊字符（例如“~”、“-”、“=”、“+”），仅使用大写（大写）拉丁字母、数字和下划线。每个文件都提供一个版本号，该版本号与扩展名之间用“;”字符分隔。目录名称不能有扩展名。您最多可以嵌套八个目录。

ISO 9660 32 级标准允许文件命名最长为 XNUMX 个字符，但须遵守上述限制。根据此标准创建的 CD 不适合在许多操作系统中使用，包括 MS DOS。

在继续讨论 CD 标准之前，让我们先了解一下录制会话的概念。大多数 CD 都是单会话（Single Session），因为所有数据都是在一个技术周期或记录会话中记录在其上的。然而，在开发出适当的技术和特殊磁盘后，就可以执行额外的记录会话，将新的数据部分添加到现有的数据部分。多区段 CD 包括 PhotoCD 和 CD-ROM XA（扩展架构）CD 格式。

PhotoCD 技术由伊士曼柯达提出，作为创建和查看数码照片的一种手段。您可以将任何 35 毫米幻灯片和底片上的图像一张一张地数字化刻录到一张特殊的磁盘上。但是，需要 PhotoCD 兼容驱动器才能完整读取信息。正常的 HSG 或 ISO 9660 标准将只能读取在第一个会话中创建的条目，因为位于信息轨道开头的 VTOC 仅具有有关该条目的信息。

CD-ROM XA 标准与 High Sierra 和 ISO 9660 高度兼容。但是，它还有更多功能。首先，它允许多会话录制。其次，可以在同一个磁盘上存储图形、文本和声音数据，图形可以包括静态图片和动画，以及全动态电影。

CD-ROM XA 的主要特征是所谓的异构信息块的交错。例如，第一个视频帧后面可以跟随其音轨，其后是下一帧，等等。这有助于声音和图像播放的同步，与磁盘上数据的通常排列。

XA 标准的另一个功能是音频数据的压缩，这使得在一张光盘上记录几个小时的音频信息成为可能（而不是通常的 74 分钟）。尽管针对各种数据的压缩算法已在计算机技术的许多分支中得到积极应用，但 CD-ROM XA 的这一优势尚未得到广泛应用。

索尼和飞利浦的另一项尝试不仅是彻底规范逻辑和文件格式，而且还规范数字 CD 上的文件本身的内容，最终形成了名为“绿皮书”的标准。实际上，这是XA CD-ROM 标准的扩展版本。 Green Book 驱动器可以读取 CD-DA、CD-ROM、CD-ROM XA、CD-I 和 Kodak PhotoCD [2] 格式。

这里第一次提到的CD-I（交互式）格式值得描述一下。具有先进文字处理和图形功能的实时音频和视频设备被认为是 CD-I 交互式信息的来源。计算机程序预计将被广泛用于处理各种数据。对于CD-I格式的信息和系统任务，确定了可能的数据类型和编码它们的方式，以及支持磁盘系统的必要手段的组织。从技术角度来看，CD-I格式基于CD-ROM技术，但对于消费者来说它接近CD-DA。在一张光盘上，您可以将 CD-DA 和 CD-I 记录的轨道组合起来，在 CD-I 系统中使用 CD-DA 解码设备。

CD-I 格式光盘最常用于教育领域（使用参考书、相册、“谈话”书籍进行远程学习和自学）、娱乐（带有文本、笔记、图片、游戏的音乐）、休闲活动（绘画）绘画、电影制作、实时动画、诗歌创作）、旅游（地图、导航设备、名胜古迹信息）、疾病诊断等等。

目前使用的最新 CD 标准是橙皮书。在第一部分中，我们讨论磁光存储设备（CD-MO），它允许擦除和覆盖信息。第二部分专门介绍 WORM（一次写入多次读取）和 CD-R（可记录）驱动器。数据只能添加到这些设备。无法删除现有条目。目前销售的几乎所有 CD 驱动器都满足“橙皮书”第二部分的要求 - 它们可以读取所有描述格式的 CD，包括可重写格式。

所讨论的标准涉及适合在 IBM 兼容个人计算机上使用的 CD。当然，还有为其他系统设计的格式，例如用于 Apple Macintosh 计算机的 Macintosh HFS，但我们不会触及它们。

在本文的第一部分中，几乎考虑了 CD-ROM 上所有流行的数据存储格式。它们的特点之一是CD文件系统的结构与MS DOS中采用的结构不同。因此，为了访问记录的数据，有必要转换它们的格式。为了解决这个问题，Microsoft 发布了一个名为 Microsoft CD Extentions (MSCDEX.EXE) 的特殊软件驱动程序。它很常见，包含在 MS DOS 和几乎所有 CD-ROM 驱动器中。使用 MSCDEX.EXE 时，操作系统将 CD 视为普通磁盘（只是数据只能读取）。要加载驱动程序，AUTOEXEC.BAT 文件必须包含命令（写在一行中）

MSCDEX /D:名称[/D:name2...][/E][/K][/S][/V][/L:字母][/M:数字]

它的参数（可选 - 在方括号中）指定以下内容：

/D:name [/D:name2...] - 计算机中安装的 CD-ROM 驱动器的名称。它们必须与这些驱动器启动时使用的 CONFIG.SYS 文件中命令的类似参数中指定的参数相匹配。默认名称为 MSCD001。

/E - 允许将磁盘扇区缓冲区放置在扩展内存中（如果可用）。

/K - MS DOS 可以使用日语汉字字符集读取 CD。

/S - 允许从本地计算机网络访问 CD-ROM。

/V - 在启动期间，MSCDEX 将在屏幕上显示统计信息。

/L:字母 - 该字母表示与 CD-ROM 驱动器对应的逻辑驱动器。如果未设置，驱动程序将使用第一个空闲的。例如，在已有驱动器 A、B 和 C 的系统上，CD-ROM 将默认为驱动器 D，如果存在 /L:H 选项，则它将为驱动器 H。如果有多个驱动器CD驱动器，其余的将获得下一个未使用的字母。

/M:number - 驱动程序将创建多少个 CD 扇区缓冲区。可以有 30 到 10 个（默认 - 2 个），每个将占用大约 XNUMX KB 的内存。缓冲区越多，系统性能越好。

MSCDEX.EXE 必须与 CD - ROM 驱动器驱动程序一起使用，在 CONFIG.SYS 文件中描述为设备 (DEVICE)。这些驱动程序特定于每个驱动器型号，随其一起提供，并且还有多个选项。不幸的是，不可能列出所有选项[2]。

接口

该接口连接 CD-ROM 驱动器和计算机。正是它的特性决定了这些设备的交互速度。市场上出现的每种新型磁盘和驱动器都必须有一个接口，允许您以最少的 CPU 负载毫无延迟地传输大量数据。通常，制造商会提供 CD-ROM 驱动器以及实现所谓专有接口的控制器。它通常位于声卡上，声卡连接到作为多媒体套件的一部分购买的 CD - ROM。这通常是下面讨论的标准之一的简化实现。

很少（由于数据传输速率低）通过打印机的并行端口进行通信。通常，某些型号的外部驱动器会连接到它，因为这不需要打开计算机。该端口通常配置为在其中一种高级模式下工作：EPP（增强型并行端口）或 ECP（扩展功能端口）。为了将CD-ROM连接到便携式计算机，经常使用其并行接口转换器。

许多CD-ROM驱动器都配备了IDE接口（也称为AT-Bus，ATA），这对于硬磁盘（硬盘驱动器）来说很常见。其特点是在驱动器本身中实现控制器功能，这使得与计算机的连接变得非常简单。几年前，西部数据开发了 EIDE 标准——一种改进的（增强型）IDE，并得到了其他五家领先公司的支持。它允许您在计算机中安装最多四个硬盘驱动器、CD-ROM 驱动器或流媒体。

SCSI 接口很流行（读作“告诉”）。借助它，可以连接许多需要高数据传输速率的外围设备。该接口的通常速度为 2...4 MB/s。从物理上讲，SCSI 总线是带有 50 针连接器的扁平电缆。最多可连接八个外围设备。

该标准提供了两种通过总线传输信号的方式：共模和差分。后者的特点是抗噪能力增强，并且允许您增加其长度。为了确保信号传输不失真，必须将终端连接到两侧的总线线路（为此提供的一组电阻器通常称为终端器）。

在SCSI-2版本中，通过使用最新的集成电路和高质量电缆，提高时钟频率并减少总线的关键时间参数，从而提高吞吐量。此接口有改进版本：“快速”（Fast）和“宽”（Wide）。在后者中，提供了 24 条额外的通信线路，并且设备通过另一根电缆（68 线）连接。对于 CD - ROM 驱动器，实际上不使用“宽”SCSI - 2 [5]。

安装在计算机中的主（主机）SCSI 适配器的编程接口由 ASPI（高级 SCSI 编程接口）标准定义，该标准由此类设备的领先制造商 Adaptec 开发。该标准的软件模块很容易组合在一起。主要的一个是主机管理器。设备驱动程序与其关联。如果 SCSI CD-ROM 驱动器附带 ASPI 兼容驱动程序，则它将与 Adaptec 和大多数其他制造商的所有主机适配器（接口板）配合使用。

可刻录CD

我们已经不止一次说过，技术发展非常迅速，昨天的新东西今天是熟悉的东西，明天它就无可救药地过时了。让我们考虑一下 CD 开发的一些前景方向。

如今，可刻录 CD 已经很流行，并继续广泛传播。它们的目的不是为了大规模复制节目和其他信息，而是为了单一录音或制作少量副本。 CD-R（Recordable——可重写）完全符合“橙皮书”第二部分的要求。大多数录音设备都支持多会话。

CD-R的结构如图3所示。 1. 它由多层组成：载体聚碳酸酯 2、有机层 3，激光束在其中“烧掉”信息、反射层（金）4 和由抗外部影响的清漆制成的保护层 6，上面印有标签 [XNUMX ]。

光盘：技术和标准

使用了几种根本不同类型的有机层。它是由化学成分非常复杂的材料制成的。在CD-R记录期间，有机层的小区域5被强大的聚焦激光束加热并改变光学特性（开始散射光）。在未加热的地方，该层保持透明并在数据读取期间透射激光6。金比铝具有更高的光反射率，可以补偿有机层中读出光束的能量损失。

尽管将信息写入常规 CD 和可重写 CD 的方式不同，但结果是相同的 - 任何 CD-ROM 驱动器都可以读取的一系列反射和非反射补丁。应该指出的是，CD-R 相对于类似的大容量 WORM 磁盘（双面 - 高达 1,2 GB）具有一些优势，但由于其成本非常高，因此并未广泛使用 [4]。

新标准：DVD 技术

我们将在本文中介绍的最后一种光盘类型是 DVD。如今，它已成为最新且最有前途的标准。正如CD慢慢取代黑胶唱片一样，DVD在未来也将逐渐取代CD-ROM[6]。

最初，缩写DVD被解读为Digital Video Disk（数字视频光盘），然后是-Digital Versatile Disk（数字通用光盘），而今天它根本没有被解读。这项技术已经开发了很长时间，但最终达到了里程碑，随后得到了广泛采用。特别是在俄罗斯最大的计算机展览会Comtek'98上，展示了几款采用DVD技术制作的视频光盘[7]。

光盘：技术和标准

从外观上看，DVD 与普通 CD 类似，但其上的信息可以记录七倍以上 (4,7 GB)。该值是单层单面光盘 (SLSS) 的典型值。双层单面（DLSS）的信息容量为8,5GB，单层双面（SLDS）为9,4GB，双层双面（DLDS）约为17GB，即26比现代 CD - ROM 多了几倍。

DLDS 磁盘（图 4）由两个 1 0,6 毫米厚的粘合基板组成，每个基板上沉积有几微米厚的信息和保护层。为了从每个信息层读取数据，激光束 4 聚焦在其中一个：半透明近表面 2 或反射深度 3。读取器的激光二极管不在 CD 的红外范围特性（波长 780 nm），但发出波长为 650 和 635 nm 的红光，这使得凹坑（磁盘工作表面上信息单元所占据的面积）的尺寸减少了几乎一半，相应地，减小记录磁道之间的距离。对对焦精度要求的提高迫使使用大光圈镜头。高记录密度需要容错数据编码（EFM Plus 8/16）并使用可靠的读取纠错系统（Reed-Solomon 码）[8]。

有五种 DVD 子标准（书籍）：A - DVD - ROM、B - DVD - 视频、C - DVD - 音频、D - DVD - WO、E - DVD - RAM。不难猜出每本书的内容。 DVD-ROM 将取代我们今天使用的数字计算机 CD。 DVD - 以全屏格式记录运动图像的视频将不可避免地用磁带取代家用录像带。 DVD - 音频是当前音频 CD 的替代品。 DVD-WO（Write Once-写入一次）类似于可重写CD-R。人们对技术最先进的DVD-RAM寄予厚望。在遥远（或不太）的未来，它们将取代 CD-RW（Rewritable - 可重写）或 CD - E（Erasable - 可擦除），其原型刚刚开始出现在市场上。

列出的每个子标准都预测有最光明的前景。但只有亲眼目睹他们的行动，才能真正体会到他们的优点。到目前为止，消费者应该对 DVD 所提供的内容量印象深刻。

文学

Norton P. et al. 个人电脑内部。 - M.：Binom，1995 年。
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Svoren R. Electronics 一步一步。 - M.：儿童文学，1991。
多媒体。由 A. Petrenko 编辑。 - M.：Binom，1994 年。
Carney D. 累加器的今天和明天。 - PC 杂志，RE，1997 年，第 4 期，第 148 页156 - XNUMX。
Wasserman A. 以用户的名义。 - Computerra, 1996, No. 33, p. 21 - 23。
Pur A. 二十一世纪的蓄能器。 - PC 杂志，RE，1997 年，第 4 期，p. 138 - 146。
帕维德·A.再见，黑胶唱片、磁带和录像带。 - Computerra，1996 年，第 37 期，第 34 页39 - XNUMX。

作者：A. Denisenko、A. Balabanov、下诺夫哥罗德

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