13.03.2008
Temat: CD-ROM – budowa i zasada zapisu.
Wstęp
Dyski twarde nie są pomyślane jako urządzenia przenośne – a na dodatek są zbyt drogie, jak na taki nośnik.
Stąd ogromne znaczenie płyt CD i DVD będących tanimi nośnikami oprogramowania i o stosunkowo dużej pojemności.
Nieco mniej popularnymi nośnikami (wysoka cena) są: dyski magnetooptyczne oraz ZIP-y.
CD-ROM wywodzi się z rewolucyjnego rozwiązania wprowadzonego w technice zapisu dźwięku opracowanego przez firmy Philips i Sony.
W jego wyniku powstały płyty kompaktowe audio o zapisie cyfrowym (ang. Compact Disc Digital Audio).
Gdy okazało się, że zapis ten nadaje się do techniki komputerowej – powstały CD-ROM-y i ich napędy.
Budowa CD-ROM i zasada zapisu
Nośnikiem jest warstwa poliwęglanowa, w której wytłoczone są wgłębienia. Warstwa ta pokryta jest napyloną warstwą aluminium odbijającą światło. Całość zabezpieczona jest od góry lakierem (na którym mogą znajdować się nadruki.
Płytę oświetla od spodu wiązka światła laserowego – sposób odczytu wyjaśnia poniższy schemat:
Wiązka światła laserowego pada na płytę, odbija się od warstwy aluminium. Jeżeli odbija się od obszaru zwanego landem (brak wgłębienia), jej natężenie jest znacznie większe, niż w przypadku, gdy odbij się od pitu (wgłębienie).
W przypadku pitu wiązka jest po prostu znacznie mocniej rozpraszana, czego powodem jest jej niższe natężenie. Dlatego przy przejściach pomiędzy pitami i landami występują skoki natężenia światła i w konsekwencji skokowe zmiany sygnału elektrycznego z elementów światłoczułych.
Jak pokazuje powyższy rysunek – wiązka odbita jest dzielona przez soczewkę pryzmatyczną na dwie części i kierowana na zespół czterech diod.
Zespół ten ma trzy zadania:
1/ Dostarcza sygnału danych (suma sygnałów A+B+C+D),
2/ Tworzy sygnał błędu ogniskowania wiązki
(sygnał (A+D)-(B+C)) – jeżeli wiązka jest na przykład zbyt silnie ogniskowana, sygnał B+C będzie większy niż A+D,
3/ Tworzy sygnał błędu pozycjonowania wiązki (sygnał(A+B)-(C+D)) – przykładowo, jeśli wiązka (na rysunku) jest przesunięta w lewo, sygnał A+B będzie większy niż C+D.
Ścieżka na płycie CD-ROM inaczej niż w przypadku dysków twardych ma kształt spiralny i jej początek znajduje się przy jej wewnętrznym otworze. Własność ta prawdopodobnie bierze swój początek z muzycznego rodowodu płyty CD (w których był odtwarzany był ciągły strumień danych.
W systemach zapisu danych na CD-ROM-ach stosuje się najczęściej zmienną szybkość obrotów płyty w celu osiągnięcia stałej szybkości liniowej (w skrócie CLV – z ang. Constant Linear Velocity). Bez takiej kompensacji im dalej od środka płyty, tym większa jest prędkość liniowa. Przykładowo przy dwukrotnej prędkości płyta wiruje z szybkością ok. 1000 obr./minutę przy odczycie początku ścieżki, przy końcu zaś prędkość spada do 400 obr./min.
Wymienione fakty powodują jednak, że czas zmiany miejsca odczytywanej informacji (czas swobodnego dostępu) jest znacznie dłuższy niż dla HDD. W jego skład wchodzi pozycjonowanie układu kierującego promieniem lasera oraz zmiana prędkości obrotowej silnika napędzającego płytę.
Kodowanie informacji
Informacja zapisywana CD-ROM-ie kodowana jest tzw. metodą EFM (Eight to Fourteen Modulation). W ramach tej metody każde 8 bitów (jeden bajt) jest zastępowane 14-bitowym słowem.
Kodowanie ma przebiegać tak, aby dwie kolejne jedynki były rozdzielone nie mniej niż dwoma i nie więcej niż dziesięcioma zerami (tzw. reguła 2-10).
Przypomina to metodę RLL i wynika z tych samych powodów:
- z jednej strony możliwie duża gęstość zapisu (zapisywane bitów metodą NRZ),
- z drugiej zapewnienie odpowiedniej częstotliwości impulsów utrzymujących synchronizację.
Czternastobitowe słowo zapewnia 214 różnych kombinacji, z czego wykorzystanych, z czego wykorzystanych jest tylko 256 (bo tyle kombinacji daje 1 bajt). Pozostałe zaś są nieużywane lub nie nadają się do stosowania w ramach metody EFM.
Przed zapisaniem 14-bitowych słów dodawane są do nich tzw. słowa sklejające (o długości trzech bitów). Dwa z nich są dobierane w ten sposób, aby zachować regułę 2-10, trzeci zaś bit ma wartość, która zapewnia w zapisie NRZ brak składowej stałej (co oznacza, że w słowie 14-bitowym wraz ze słowem sklejającym powinna być parzysta liczba jedynek).
Przeanalizujmy powyższy przykład:
Bajtowi E2h odpowiada w kodzie EFM kombinacja 10010001000010.
Ponieważ liczba jedynek jest w niej parzysta, więc trzeci bit słowa sklejającego musi być równy 0 (ponieważ pierwsze dwa bity muszą być równe 0 z powodu reguły 2-10.
Zadanie:
Zastanowić się jak stworzyć inną kombinację (pamiętając, że zgodnie z regułą 2-10 - dwie jedynki muszą być rozdzielone co najmniej dwoma zerami, ale i nie więcej niż dziesięcioma zerami oraz, że liczba jedynek we wszystkich 17 bitach musi być parzysta).
Powyższy rysunek pokazuje również kodowanie informacji za pomocą pitów i landów (zgodnie z metodą NRZ). Metoda ta koduje każdą jedynkę zmianą stanu. Dla pitów i landów zmiana natężenia odbitej wiązki światła następowała po przejściu pomiędzy nimi. Tak więc jedynki ustawiają na przemian początek i koniec pitu. Odpowiedni dobór słów sklejających zapewnia, że każdy pit należy do jednego kodowanego bajtu.
Wnioski:
Omówiona metoda wydaje się mało efektywna, jednak jeżeli przyjmiemy, że na 17 bitów (kod jednego bajtu) przypadnie średnio 6 zer ((10+2)/2=6 zer na słowo 17-bitowe), to wówczas średnia liczba jedynek w tym słowie wynosi 4 (bo musi być parzysta). Daje to dwa pity na bajt – jest to bardzo dobry wynik.
Format zapisu
Fizyczny format zapisu
Informacja na CD-ROM-ie zapisywana jest w tzw. ramkach, składających się z 584 bitów (33 zakodowane bajty, ponieważ każdy bajt jest zapisany za pomocą 17 bitów, oraz 27-bitowe słowo synchronizujące).
Format ramki przedstawia poniższy rysunek:
Ramka rozpoczyna się 27-bitową sekwencją synchronizującą SYNC (trzy jedynki oddzielone jedna od drugiej dziesięcioma zerami plus cztery zera). Kombinacja ta nie występuje nigdy w zakodowanych danych, dlatego jest używana jednocześnie do sygnalizacji początku ramki.
Dalej następuje bajt informacyjno-sterujący.
Bajty z 98 kolejnych ramek są łączone w bloki zawierające przykładowo tabelę zawartości dysku.
Potem następują dwa 12-bajtowe bloki danych (przy czym po każdym z nich następuje 4-bajtowy blok kontrolny). Bloki kontrolne wraz z odpowiednim rozmieszczeniem informacji w ramce umożliwiają korekcję błędów oznaczaną jako CIRC (Cross-Interleave Read-Solomon Coding).
Opis tej metody jest skomplikowany i nie będziemy go przeprowadzać – warto jednak wiedzieć, że dzięki niej można skorygować ciąg ok. 450 błędnych bajtów!
Logiczny format zapisu
Informacje podane przy fizycznym formacie zapisu dotyczą zarówno płyt audio, jak i płyt CD. Na płytach CD stosowane jest łączenie ramek w sektory.
Format sektora przedstawia poniższy rysunek:
Sektor jest tworzony przez połączenie 8 ramek. Daje nam to łącznie
98 x 24 = 2352 bajtów danych.
Sektor może być zapisywany w trybie 1 (z korekcją błędów – 2048 bajty w sektorze, pozostałe bajty służą do korekcji) lub w trybie 2 (bez korekcji – wówczas w sektorze mieszczą się 2352 bajty).
Adres informacji ma format zapożyczony z płyt audio:
min : sek : numer_bloku
Na płytach dźwięk był zapisywany z częstotliwością 44,1 kHz, przy czym słowa miały długość 32 bitów (4 bajtów). Liczba ramek na sekundę czytana przez system audio lub napęd CD-ROM o pojedynczej prędkości wynosi
Ponieważ na sektor przypada 98 ramek, oznacza to, że w ciągu sekundy odczytywanych jest 75 sektorów.
Numer_bloku podaje, który z 75 sektorów przypadających na jedną sekundę jest odczytywany. Tak więc przykładowy adres 5:4:12 oznacza absolutny sektor (czyli liczony od początku ścieżki) o numerze 22812, gdyż:
Ponieważ nominalny czas odczytu płyty CD wynosi zazwyczaj 74 minuty – to ilość informacji, jaką możemy zapisać na CD-ROM-ie wynosi:
Oczywiście dla odczytu danych nie trzeba zachowywać prędkości, jaka jest stosowana dla odczytu (i zapisu) audio. Na przykład – jeśli dysponujemy 52-krotnym napędem CD-ROM, oznacza to, że odczytuje on dane z szybkością 52-krotnie większą od odczytu audio.
terrorysta831