Компакт-диски и приводы CD-ROM |
Как
устроен компакт-диск?
Стандартный диск состоит из трех слоев: подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска, напыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, золота, серебра или другого сплава,и более тонкий защитный слой поликарбоната или лака, на который наносятся надписи и рисунки. Некоторые диски "подпольных" произ-водителей имеют очень тонкий защитный слой, либо не имеют егововсе, отчего отражающее покрытие довольно легко повредить. Информационный рельеф диска состоит из спиральной дорожки, идущей от центра к периферии, вдоль которой расположены углубления (питы). Информация кодируется чередованием питов и промежутков между ними. Какие форматы записи используются в CD-ROM? В CD-ROM используется та же технология, что и в обычной звуковой системе
CD-DA. Выпущенные фирмами Philips и Sony стандарты записи произвольных
данных на компактдиски известны под названиями Yellow Book ("желтая
книга"), Green Book ("зеленая книга"), Orange Book
("оранжевая книга"), White Book ("белая книга") и Blue Book ("синяя
книга"); все они дополняют основной стандарт CD-DA, описанный в Red
Book ("красной книге"). Для записи данных используются
отдельные "звуковые дорожки". Упомянутые стандарты относятся
не к диску в целом, а только к формату отдельных дорожек, причем
на одном диске могут сосуществовать дорожки различных форматов. Для
их чтения необходим проигрыватель, поддерживающий либо все представленные
на диске форматы, либо пропускающий неизвестные (многие проигрыватели и
приводы CD-ROM не умеют пропускать дорожки неизвестных форматов). Yellow
Book определяет базовые форматы записи данных на диск: CD-ROM
mode 1 и CD-ROM mode 2. В обоих форматах внутри каждого из
кадров дорожки, объемом по 2352 байта, которые
называются также секторами, выделяется 12 байт синхронизации, 4 байта заголовка
сектора и 2336 байт для записи данных. Благодаря наличию байтов
синхронизации и заголовка возможно точное нахождение нужного сектора данных,
которое в обычном звуковом диске чрезвычайно затруднено. В формате mode
1, используемом в большинстве CD-ROM, из области данных выделяется
288 байт для записи кодов EDC/ECC (Error Detection
Code/Error Correction Code - коды обнаружения и исправления
ошибок), благодаря которым диски с данными считываются гораздо надежнее,
чем звуковые диски при том же качестве изготовления. Оставшиеся
2048 байт отводятся для хранения данных. В формате mode 2 корректирующие
коды не используются, и все 2336 байт данных сектора отводятся для записи
информации. Предполагается, что записываемая информация либо уже
содержит корректирующие коды, либо нечувствительна к незначительным ошибкам,
оставшимся после коррекции низкоуровневым кодом Рида-Соломона.
Этот формат предназначен в основном для записи сжатых звуковых сигналов
и изображений. Диск формата mode 1, на котором совмещены звуковые
программы и данные, называется Mixed Mode Disk. При этом на
первой дорожке записываются данные, а на всех последующих -
звуковая информация. Большинство звуковых проигрывателей не различает формат
дорожек и при попадании на дорожку данных пытаются ее воспроизвести, что
может привести к повреждению усилителей и акустических систем.
Для совместимости со стандартными звуковыми проигрывателями был предложен формат CD-I Ready ("готовый к воспроизведению на проигрывателе CD-I"), в котором для записи изображения используется растянутая пауза перед первой звуковой дорожкой, игнорируемая большинством обычных проигрывателей. Для совместимости с аппаратурой чтения дисков в формате XA был предложен формат CD-Bridge ("CD-мост"), представляющий собой включенные в общее оглавление диска дорожки формата CD-I, содержащие адресные метки обоих форматов - CD-I и XA. Orange Book определяет также формат записываемых дисков CD-R (CD-Recordable), которые могут записываться в несколько приемов (сессий), а также иметь отштампованную при изготовлении начальную сессию (так называемый Hybrid Disk - гибридный диск). Каждая сессия содержит вводную запись (Lead In), собственно данные и выводную запись (Lead Out). White Book описывает формат VideoCD, основанный на CD-Bridge и используемый для хранения движущихся изображений в кодировках AVI, MPEG и им подобных. Blue Book описывает формат CD-Xtra, состоящий из двух сеансов - звукового и сеанса данных. Организацию файловой системы на CD-ROM описывает стандарт ISO 9660. Уровень (level) 1 этого стандарта включает форматы файловых систем MS-DOS и HFS (Apple Macintosh). Вложенность каталогов MS-DOS не может превышать 8, а длина имени - 8+3 символа. Уровень 2 описывает файловую систему с длинными именами и уровнем вложенности до 32. Расширение Rock Ridge описывает формат файловой системы UNIX. Частным случаем CD-R является формат Kodak Photo CD, используемый
для многосеансовой записи коллекций фотографий. Photo
CD использует формат CD-Bridge, оформленный в файловую систему ISO
9660. Диски Photo CD могут воспроизводиться специальными проигрывателями
на бытовой телевизор или считываться компьютерными
Как устроен привод CD-ROM? Типовой привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. На плате электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Большинство приводов использует одну плату электроники, однако в некоторых моделях отдельные схемы выносятся на вспомогательные небольшие платы. Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменения угловой скорости диска в зависимости от положения оптической головки. При поиске фрагментов диск может вращаться с большей скоростью, нежели при считывании, поэтому от шпиндельного двигателя требуется хорошая динамическая характеристика; двигатель используется как для разгона, так и для торможения диска. На оси шпиндельного двигателя закреплена подставка, к которой после загрузки прижимается диск. Поверхность подставки обычно покрыта резиной или мягким пластиком для устранения проскальзывания диска. Прижим диска к подставке осуществляется при помощи шайбы, расположенной с другой стороны диска; подставка и шайба содержат постоянные магниты, сила притяжения которых прижимает шайбу через диск к подставке. Система оптической головки состоит из самой головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Система фокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной системой voice coil (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля вызывают перемещение линзы и перефокусировку лазерного луча. Благодаря малой инерционности такая система эффективно отслеживает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения. Система перемещения головки имеет собственный приводной двигатель, приводящий в движение каретку с оптической головкой припомощи зубчатой либо червячной передачи. Для исключения люфта используется соединение с начальным напряжением: при червячной передаче - подпружиненные шарики, при зубчатой – подпружиненные в разные стороны пары шестерней. Система загрузки диска выполняется в двух вариантах: с использованием специального футляра для диска (caddy), вставляемого в приемное отверстие привода, и с использованием выдвижного лотка (tray), на который кладется сам диск. В обоих случаях система содержит двигатель, приводящий в движение лоток или футляр, а также механизм перемещения рамы, на которой закреплена вся механическая система вместе со шпиндельным двигателем и приводом оптической головки, в рабочее положение, когда диск ложится на подставку шпиндельного двигателя. При использовании обычного лотка привод невозможно установить виное положение, кроме горизонтального. В приводах, допускающих монтаж в вертикальном положении, конструкция лотка предусматривает фиксаторы, удерживающие диск при выдвинутом лотке. На передней панели привода обычно расположены кнопка Eject для загрузки/выгрузки диска, индикатор обращения к приводу и гнездо для подключения наушников с электронным или механическим регулятором громкости. В ряде моделей добавлена кнопка Play/Next для запуска проигрывания звуковых дисков и перехода между звуковыми дорожками; кнопка Eject при этом обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. На некоторых моделях с механическим регулятором громкости, выполненным в виде ручки, проигрывание и переход осуществляются при нажатии на торец регулятора. Большинство приводов также имеет на передней панели небольшое отверстие, предназначенное для аварийного извлечения диска в тех случаях, когда обычным способом это сделать невозможно - например, при выходе из строя привода лотка или всего CD-ROM, при пропадании питания и т.п. В отверстие нужно вставить шпильку или распрямленную скрепку и аккуратно нажать - при этом снимается блокировка лотка или дискового футляра, и его можно выдвинуть вручную. Через какие интерфейсы работают CD-ROM? SCSI, IDE - CD-ROM подключается непосредственно к магистрали SCSI или IDE (ATA) с заданием номера устройства для SCSI или Master/Slave - для IDE. IDE CD-ROM обычно работают в стандарте ATAPI (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс ATA). Sony, Mitsumi, Panasonic - три наиболее распространенных интерфейса, поддерживаемые многими звуковыми картами и отдельными адаптерами. Mitsumi и Panasonic используют 40-контактный соединительный кабель, как для IDE, а Sony - 34-контактный, как для дисководов гибких дисков. Также бывают CD-ROM с так называемыми Proprietary Interface - собственным интерфейсом изготовителя, поставляемые в комплекте с адаптером и соединительным кабелем. В настоящее время CD-ROM выпускаются только с интерфейсами SCSI и IDE. Почему при работе CD-ROM диск вращается с разной скоростью? Информация на компакт-диске записана с постоянной линейной плотностью, поэтому для достижения постоянной скорости считывания скорость вращения изменяется в зависимости от перемещения считывающей головки. Стандартная скорость вращения диска - 500 об/мин при чтении с внутренних зон и 200 об/мин - при чтении с внешних (информация записывается изнутри наружу). Что означает "n-скоростной" CD-ROM? При стандартной скорости вращения скорость передачи данных составляет около 150 кб/с. В двух- и более скоростных CD-ROM диск вращается с пропорционально большей скоростью, и пропорционально повышается скорость передачи (например, 1200 кб/с для 8-скоростного). Из-за того, что физические параметры диска (неоднородность массы, эксцентриситет и т.п.) стандартизированы для основной скорости вращения, на скоростях, больших 4-6, уже возникают значительные колебания диска, и надежность считывания, особенно для дисков нелегального производства, может ухудшаться. Некоторые CD-ROM при ошибках чтения могут снижать скорость вращения диска, однако большинство из них после этого не могут возвращаться к максимальной скорости вплоть до смены диска. На скоростях свыше 4000-5000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 10- и более скоростных CD-ROM ограничивают верхний предел скорости вращения. При этом на внешних дорожках скорость передачи достигает номинальной (например, 1800 кб/с для 12-скоростных моделей, а по мере приближения к внутренним - падает до 1200-1300 кб/с. Почему "нелегальные" диски часто читаются хуже "фирменных"? Стандарт на компакт-диски определяет их физические и оптические параметры: толщину и отражающую способность алюминиевого слоя, глубину и форму питов (элементов записи), расстояние между дорожками, прозрачность защитного слоя, эксцентриситет и т.п. Ведущие фирмы, производящие компакт-диски, имеют отработанные технологии и надежное оборудование, позволяющие соблюсти эти параметры; аппаратура и технологии нелегальных производителей нередко этого не обеспечивают. Механика и оптика различных моделей CD-ROM имеет разные допуски и возможности подстройки, из-за чего одни модели могут уверенно читать диски, практически не читаемые другими моделями. Также, в результате эксплуатационного износа, параметры привода со временем ухудшаются, что приводит к ухудшению чтения дисков, которые уверенно читались на новом приводе. Можно ли визуально определить качество диска? Приблизительно - можно. Нужно внимательно рассмотреть рабочую поверхность диска - она должна быть ровной, и на ней не должно быть царапин, замутненных участков, выпуклостей или впадин, а также "разводов" на отражающем слое. Затем посмотреть диск на свет (рабочей стороной к себе) - он может быть слегка прозрачным, но без явных отверстий в отражающем слое. Чем прозрачнее диск - тем выше вероятность его неуверенного считывания. Дешевые диски (особенно производства Китая) обычно не имеют с обратной стороны защитного лакового слоя - даже мелкая царапина на этой стороне может привести к полному отказу чтения соответствующей области диска. Каково качество проигрывания звуковых дисков на CD-ROM? Проигрывание звуковых дисков является побочной для CD-ROM функцией, и делается обычно "по остаточному принципу" – простейший (часто 12- или 14-разрядный) ЦАП и несложный выходной усилитель. Массовые CD-ROM значительно уступают стационарным проигрывателям Hi-Fi, отдельные модели приближаются к недорогим переносным проигрывателям. В любом случае, качество сигнала на выходе для наушников (передняя панель) хуже, чем на линейном выходе (задняя стенка) - за счет дополнительных искажений при усилении. Кроме качества ЦАП, большинство CD-ROM не выполняют ни передискретизации цифрового сигнала для улучшения соотношения сигнал/шум, ни интерполяции и маскирования - для сглаживания кривой и частичной компенсации неисправленных ошибок. Отсутствие интерполяции и маскирования приводит к заметным искажениям и щелчкам при ошибочном считывании дисков, в то время как на звуковом проигрывателе ошибки считывания не так заметны. Многие современные CD-ROM имеют на задней стенке дополнительный
выход звука в цифровом формате (S/PDIF - Sony/Philips
Digital Interface Format - формат цифрового интерфейса
Sony/Philips), который можно подключить к студийной
или бытовой аппаратуре, имеющей вход S/PDIF или AES/EBU,
что позволяет воспроизводить звук с диска практически без искажений
(некоторые искажения могут вноситься декодером CD-ROM).
Какова максимальная емкость компакт-диска? Приблизительно 700 Мб - 74 минуты записи, поток данных - 153600 байт/c. Такая продолжительность записи определена стандартом, однако при более плотном расположении дорожек или самих питов на диске может быть получено большее время звучания или объем данных. Подобные диски с отклонениями от стандарта могут неустойчиво считываться некоторыми приводами, либо не считываться вовсе. Что такое CD-R и CD-E? Система однократной (CD-Recordable - записываемый CD) и многократной (CD-Erasable - стираемый CD) записи компакт-дисков. Терминами CD-R и CD-E обозначаются как устройства для записи, так и сами диски. Для однократной записи обычно используются так называемые "золотые" диски, представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен из золотой пленки, а непосредственно прилегающий к нему прозрачный слой пластика - из материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает участки пластика, который темнеет и перестает пропускать свет к отражающему слою, образуя "промежуток" между "питами" - неизмененными прозрачными участками пластика. В качестве отражающего материала, кроме золота, используются также различные сплавы; кроме этого, используются различные полимеры для создания затеняющего слоя, отчего цвет рабочей поверхности диска бывает разным - от желтого до зеленого или синего. Для облегчения слежения за информационной дорожкой в процессе записи диски CD-R изготовляются со вспомогательной разметкой. При считывании слежение производится, как обычно, по записанной дорожке питов. Некоторые версии программного обеспечения (например, CDR Publisher) позволяют записывать загружаемые диски. Для загрузки с таких дисков BIOS компьютера должен поддерживать эту возможность (последние версии AWARD и Phoenix BIOS). Почему при записи чистого WAV на CD-R появляются помехи? Возможно, причина в том, что некоторые звуковые редакторы (например, Cool Edit и Sound Forge) помещают в конец WAV-файл свою служебную информацию, оформляя ее в виде дополнительной записи в полном соответствии с форматом RIFF. Однако программное обеспечение некоторых CD-R игнорирует поле длины звукового фрагмента, трактуя весь остаток файла после заголовка, как единый звуковой фрагмент, в результате чего служебная информация попадает на диск в формате цифрового звука и воспроизводится, как шум или щелчки в конце программы. Для устранения этого явления необходимо либо запрещать звуковым редакторам сохранение в WAV-файле служебной информации, либо убирать ее при помощи других программ. При многосеансовой записи отдельных звуковых дорожек в начале
и конце каждого сеанса формируются вводная и выводная зоны, попадание
на которые при воспроизведении вызывает появление случайного сигнала.
Звуковые диски рекомендуется записывать одним сеансом, заранее формируя
полный звуковой файл, если программное
Кроме вышеперечисленного, помехи на записанных звуковых дисках могут возникать из-за нестабильности потока данных в CD-R (переполнение внутреннего буфера или прерывание потока), отклонений от нормы параметров записываемого сигнала, режима работы лазера или скорости вращения диска, заводских дефектов диска, а также по вине проигрывателей, неспособных уверенно считывать конкретные экземпляры дисков. В случае некачественной записи дисков с данными положение нередко спасают большие объемы корректирующих кодов, предусмотренные в форматах CD-ROM. Можно ли использовать с IDE CD-ROM драйвер от другой модели? В большинстве случаев - да, если CD-ROM работает в стандарте ATAPI. Однако некоторые драйверы могут неправильно работать с чужими моделями CD-ROM. Можно ли считать со звукового диска звук в цифровом виде? Можно - для этого нужен CD-ROM, поддерживающий команду Read Long и способный находить звуковые сектора в режиме прямого доступа (например, многие из дисководов со SCSI-интерфейсом, большинство моделей Panasonic), и специальная программа - grabber - для считывания полных звуковых секторов, например, CDGRAB, CDDA, CDT, CD2HDD, CD2WAV - для DOS, WinDAC или CD-Worx - для Windows 95. WinDAC, помимо простого чтения звуковых дорожек, позволяет одновременно преобразовывать их в другие форматы посредством системы ACM (например - в MPEG-3 при установленном Fraunhofer IIS ACM Codec). Часто к таким программам прилагается список моделей CD-ROM, поддерживающих
команду длинного чтения. Из-за небольших различий в интерфейсах
некоторые дисководы не работают с одними из таких программ,
но могут работать с другими.
Одна из основных проблем при считывании звуковых дисков – ошибки синхронизация между секторами. Они возникают тогда, когда читающая диск программа не успевает выдать команду чтения очередного сектора до того, как начнется переполнение внутреннего буфера CD-ROM и данные из начала сектора будут потеряны. В этом случае CD-ROM вынужден выполнять позиционирование, а покадровая структура звуковых дисков не дает возможности начать чтение в точности с нужного места. В результате таких сбоев в формируемом программой файле возникают выпадения или появления нескольких лишних отсчетов сигнала. Для борьбы с ошибками синхронизации некоторые программы имеют режим, в котором проверяется правильность стыковки соседних секторов. При использовании CD-ROM с бОльшим объемом буфера вероятность ошибок снижается. При чтении звуковых дисков на различной аппаратуре, с помощью различных программ и даже при повторном чтении начало звуковых данных в файле может сдвигаться - за счет невозможности точного позиционирования на нужный сектор дорожки. Нарушения синхронизации в результате позиционирования часто ошибочно называют "jitter". На самом деле термином jitter принято обозначать дрожание фазы цифрового сигнала из-за быстрых колебаний скорости потока, порожденных изменением скорости вращения диска и его вертикальным биением. В некотором смысле нарушения синхронизации тоже являются фазовыми ошибками более высокого уровня, однако применение к ним термина jitter не совсем корректно. Почему могут не читаться видеодиски? Для чтения видеодисков необходима поддержка со стороны самого дисковода и его драйвера, а также программы распаковки (проигрывателя) видеоформата. Некоторые комбинации из привода, контроллера, драйвера и программы распаковки несовместимы друг с другом. Можно попробовать сменить драйвер или программу распаковки. Встречаются также случаи, когда при установке CD-ROM на один канал с HDD видеодиски воспроизводятся значительно медленнее. В чем причины плохой работы приводов CD-ROM Samsung-631? Помимо невысокого качества самого механизма и системы считывания,
в этих приводах наблюдается недостаточный прижим диска к шпинделю,
отчего диски проскальзывают при разгоне и торможении. Причиной слабого
прижима является большой зазор между магнитом шпинделя и металлическим
диском, который притягивается магнитом. Michael Svechkov (2:460/140@FidoNet)
рекомендует приклеить к магниту стальную шайбу толщиной
1-2 мм, подобрав ее так, чтобы зазор между магнитом и металлическим
диском был минимальным, однако при самых тонких дисках они
не должны соприкасаться между собой, иначе будет нарушена работа системы
выдвигания лотка.
|