Как устроен cd диск

Устройство компакт — диска

стандартный диск состоит из трех слоев: подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска, намыленное 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. Hекотоpые диски «подпольных» производителей имеют очень тонкий защитный слой, либо не имеют его вовсе, 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 пpомежутков между ними.

Считывание информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был ли он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет. Фотодатчик, размещённый в накопителе CD — ROM, воспринимает рассеянный луч, отражённый от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Глубина каждого штриха на диске равна 0.12 мкм, ширина — 0.6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1.6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Длина штрихов вдоль дорожки записи может колебаться от 0.9 до 3.3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия и заканчивается примерно в 5 мм от внешнего края.

Если на компакт — диске необходимо отыскать место записи определённых данных, то его координаты предварительно считываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к нужному витку спирали и ждёт появления определённой последовательности битов.

В каждом блоке диска, записанного в формате CD — DA (аудиокомпакт — диск), содержится 2352 байт. На диске CD — ROM 304 из них используется для синхронизации, идентификации и коррекции кодов ошибок, а оставшиеся 2048 байт — для хранения полезной информации. Поскольку за секунду считывается 75 блоков, скорость считывания данных с дисков CD — ROM составляет 153 600 байт/с (односкоростной CD — ROM), что равно 150 Кбайт/с. Поскольку на компакт — диске может содержаться максимальный объём данных, который считывается 74 мин, а за секунду считывается 75 блоков по 2048 байт, нетрудно подсчитать, что максимальная ёмкость диска CD — ROM составит 681 984 000 байт (около 650 Мбайт).

Алгоритм работы накопителя cd-rom

Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.

Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт — диске.

Отражённый от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.

Разделительная призма направляет отражённый луч на другую фокусирующую линзу.

Эта линза направляет отражённый луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.

Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.

Штрихи, нанесённые на поверхность диска, имеют разную длину. Интенсивность отражённого луча изменяется, соответственно изменяя электрический сигнал, поступающий на фотодатчик. Биты данных считываются как переходы между высокими и низкими уровнями сигналов, которые физически записываются как начало и конец каждого штриха.

Поскольку для программных файлов и файлов с данными важен каждый бит, в накопителях CD-ROM используются весьма сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок.

Благодаря таким алгоритмам вероятность неправильного считывания данных составляет менее 0.125 . Другими словами, безошибочно считывается два квадриллиона дисков, что соответствует стопке компакт — дисков высотой около двух миллиардов километров.

Для реализации этих методов коррекции ошибок к каждым 2048 полезным байтам добавляется 288 контрольных. Это позволяет восстанавливать даже сильно повреждённые последовательности данных (длиной до 1000 ошибочных битов). Использование столь сложных методов обнаружения и коррекции ошибок связано, во- первых, с тем, что компакт — диски весьма подвержены внешним воздействиям, а, во- вторых , потому, что подобные носители изначально разрабатывались лишь для записи звуковых сигналов, требования к точности которых не столь высоки.

КРУЖАТСЯ ДИСКИ

Первые компьютерные компакт-диски, выпущенные в 1986 году, получили название CD-ROM (от англ. Read Only Memory — память только для чтения). Чтобы не путать компьютерные носители с появившимися ранее аудиодисками, последние стали именовать CD-DA (Digital Audio — цифровое аудио). Название CD-ROM указывало на то, что новый компакт-диск предназначался только для считывания уже записанной на него информации, стереть ее или записать что-то новое было невозможно. Емкость первого CD-ROM составляла 680 Мб — в те годы такой объем казался поистине огромным. Объем типичного жесткого диска (винчестера) был в несколько раз меньше. Не существовало программ, способных целиком заполнить компакт-диск. Сегодня ситуация изменилась: емкость жестких дисков в современных ПК составляет десятки гигабайт, многие мультимедийные приложения уже не помещаются на одном CD-ROM. Однако популярность компакт-дисков все еще велика.

Как же устроен обычный CD-диск? По своей структуре он напоминает слоеный пирог. Первый слой — основной — изготавливается из пластмассы (поликарбоната), второй — отражающий — выполнен из металла (алюминия, золота, серебра), третий — защитный — из прозрачного лака полиакрилата. Поверх лака часто наносятся рисунки, надписи и прочее декоративное оформление.

Основной слой содержит полезную информацию, закодированную в нанесенных на него микроскопических углублениях, называемых питами (от англ. pit — ямка, впадина). Питы, представляющие, по сути, битовые ячейки, располагаются вдоль спиральной дорожки, идущей от центра к периферии. Информация составляется чередованием питов (логических нулей) и промежутков между ними (логических единиц). При производстве компакт-дисков используются методы штамповки, или прессования. Эталонный диск изготавливается из очень чистого стекла и покрывается специальной пластиковой пленкой. Мощный записывающий лазер с программным управлением выжигает в пленке ямочки, содержащие закодированную информацию. Затем изготавливается металлическая матрица, с помощью которой штампуются серийные компакт-диски.

Отражающий слой компакт-диска служит для оптического считывания информации. Основной принцип системы считывания состоит в том, что лазерный луч направляется на поверхность компакт-диска, вращающегося с большой скоростью. Отраженны й от поверхности сигнал попадает на светоприем ник (фотодиод), который в зависимости от характеристик падающего на него света выдает слабые электрические импульсы различной величины. Свет, идущий от углублений, оказывается значительно более слабым, чем отраженный от плоских участков. Таким образом, двигаясь вдоль дорожки, система считывания «видит» последовательность темных и светлых участков. После фотоприемника электрический сигнал проходит через усилитель и далее преобразуется в цифровую информацию.

Чтение данных с компакт-диска осуществляет специальный дисковод, или привод, который многие называют так же, как и сам диск, — CD-ROM. Привод может быть внутренним (встроенным в системный блок) и внешним (в виде отдельного устройства). Типичный привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. Двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью, а также для его торможения. При установке диска в привод его положение фиксируется путем зажима между подставкой, закрепленной на оси двигателя, и шайбой, расположенной с другой стороны диска. Подставка и шайба притягиваются друг к другу постоянными магнитами. Система оптической головки включает в себя инфракрасный полупроводниковый лазер, систему фокусировки лучей, фотоприемник и предварительный усилитель сигнала, а также систему перемещения головки.

Важные характеристики CD-приводов — время доступа, показывающее, как быстро происходит поиск нужной информации на диске, и скорость чтения данных после того, как файл найден. Последнюю обычно измеряют в единицах, равных скорости считывания информации с аудио CD (около 150 килобайт в секунду). Тогда, например, параметр «52x» означает, что дисковод может вращать диск в 52 раза быстрее, чем это делает стандартный CD-плейер. Однако, если надежность считывания информации ухудшается, например из-за низкого качества самого диска, скорость автоматически снижается.

ЗАПИСЫВАЕМЫЕ И ПЕРЕЗАПИСЫВАЕМЫЕ CD

Первое время главным недостатком компакт-диска была невозможность записи на него данных в домашних условиях. Пользователи, привыкшие самостоятельно переписывать музыку с пластинок на магнитные ленты, ожидали аналогичных возможностей и от оптических дисков. Вскоре их ожидания оправдались — сначала появился однократно записываемый диск CD-R (CD-Recordable), а потом и диск для многократной перезаписи CD-RW (СD-ReWritable).

Хотя внешне записываемые диски очень похожи на обычный CD-ROM, их внутренняя структура и способ записи информационного сигнала заметно отличаются.

Пластиковая основа для CD-R не несет полезной информации — вместо питов на ней отпечатаны лишь пустые дорожки (они необходимы для ориентации привода головки). Сверху наносится тонкая пленка органических молекул, а затем диск покрывается слоем отражающего металла. Используемые органические молекулы (цианины, фталоцианины) способны необратимо менять свои оптические свойства при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки поверхности, они перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам. В результате на CD-R организуется та же информационная структура, что и на штампованных дисках. Таким образом при помощи соответствующего оборудования и программного обеспечения можно записывать различные диски, в том числе и звуковые, а затем использовать их в традиционых CD-приводах или в бытовых плейерах. Заметим, однако, что отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R немного хуже по сравнению со штампованными CD-ROM. Поэтому недостаточно качественные приводы CD-ROM либо вовсе не могут считывать с них данные, либо часто дают сбои.

В многократно перезаписываемых дисках СD-RW применяется иная технология. Вместо слоя органических молекул используется пленка металла (точнее, сплава редкоземельных металлов), способного обратимо менять свое фазовое состояние под воздействием лазерного облучения. При нагреве лазером выше критической температуры соответствующий участок металла переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания (достаточно быстрого). Так как аморфные участки хуже, чем кристаллические, отражают свет, они выглядят более темными и могут тем самым выполнять роль питов. Повторный нагрев до температуры значительно ниже критической восстанавливает исходное кристаллическое состояние, стирая тем самым записанную информацию. Таким образом, в отличие от CD-R, допускающего только однократную запись, информацию на СD-RW можно перезаписывать многократно: стандартный диск выдерживает порядка тысячи циклов перезаписи. Любопытно, что система многократной записи первоначально называлась не CD-RW, а CD-E (CD-Erasable). Однако производители решили сменить название, так как слово «erasable» — стираемый — могло ассоциироваться у пользователей с потерей данных.

Отражающая способность CD-RW существенно ниже по сравнению как с CD-ROM, так и с CD-R (легко заметить, что поверхность RW-диска выглядит более темной). Поэтому считывание многократно записываемых дисков в обычных приводах нередко проблематично, и все же те из них, которые имеют качественную оптическую систему, справляются с этой задачей.

Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, но чаще на нем организуется специальная файловая система UDF (Universal Disk Format), позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске. В этом случае можно использовать CD-RW как обычный сменный диск и писать на него файлы прямо из приложений.

Устройство, способное записывать (и, конечно, читать) данные на компакт-диски, называется CD-рекордером. Современные CD-рекордеры могут работать как с дисками CD-R, так и с CD-RW, хотя раньше для использования CD-RW необходимо было специальное устройство.

DVD — УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ДИСК

Сегодня, несмотря на огромную популярность дисков CD-ROM/R/RW, считается, что стандартный компакт-диск безнадежно устарел. Для многих современных приложений емкости 600-700 Мб уже недостаточно. В частности, это касается цифрового видео. Действительно, одна минута высококачественного цифрового видеофильма требует до 100 Мб памяти. Как правило, видеоданные компрессируются (сжимаются) согласно формату MPEG2, что уменьшает необходимый объем памяти до 30 Мб на минуту показа. Легко подсчитать, что при таком сжатии двухчасовой фильм займет 3,6 Гб памяти — это почти в шесть раз больше емкости стандартного CD-диска. Конечно, можно сжать видеофильм и так, что он поместится на один компакт-диск, однако при этом качество записи будет несколько ниже, чем на обычной видеокассете.

Поэтому в начале 90-х годов ряд фирм занялся разработкой оптических дисков большего по сравнению с CD объема. В результате создания объединенного консорциума, в который вошли такие компании, как Sony, Philips, Toshiba, Hitachi и др., родился формат DVD. Первоначально эта аббревиатура расшифровывалась как Digital Video Disc (цифровой видеодиск), однако ее быстро сменила более логичная расшифровка Digital Versatile Disc (цифровой универсальный диск). В самом деле, DVD — прекрасный носитель для данных любого типа.

Технология DVD совершила огромный скачок в области носителей информации. Диски DVD могут хранить от 4,7 до 17 Гб данных — такого объема вполне достаточно для высококачественной записи полнометражных видеофильмов, компьютерных игр, мультимедийных энциклопедий и т.п.

По внешнему виду и внутреннему устройству диски CD и DVD очень похожи. В DVD используется такая же технология нанесения на пластиковую основу углублений-питов, регистрации отраженного от металлического покрытия сигнала и его интерпретации в виде нулей и единиц. Принципиальное отличие состоит в плотности записи информации: если для CD минимальный размер пита составляет 0,83 микрона, а расстояние между соседними дорожками 1,6 микрона, то для DVD эти значения равны 0,4 и 0,74 микрона соответственно. Увеличение плотности записи стало возможным благодаря использованию полупроводникового лазера с меньшей длиной волны. В то время как длина волны лазера в CD-приводе равна 780 нм, устройства для считывания данных с DVD используют лазер с длиной волны 650 или 635 нм. Это позволяет записывать и считывать почти вдвое больше питов на одной дорожке и вдвое больше дорожек на одной поверхности. В итоге на самый простой DVD-диск можно записать до 4,7 Гб данных.

Кроме того, диски DVD могут быть двухслойными и двухсторонними. В первом случае два простых DVD-диска как бы последовательно соединяются друг с другом, образуя один диск с двумя информационными слоями — верхним и нижним. Чтобы лазер мог считывать данные с обоих слоев, верхнее отражающее покрытие делается полупрозрачным. Перефокусируя луч, можно регистрировать характеристики отраженного сигнала на разной глубине. На двухслойном DVD-диске можно разместить 8,5 Гб данных, то есть на 3,5 Гб больше, чем на обычном DVD. (Следовало бы ожидать увеличение емкости в два раза, однако, чтобы минимизировать препятствия, возникающие на пути лазера при прохождении через внешний слой, минимальный размер питов на двухслойном диске увеличен с 0,4 до 0,44 микрона.)

При создании двухстороннего DVD-диска опять же, по сути, соединяют два простых диска, но на этот раз тыльными сторонами друг к другу. В результате между двумя пластинками поликарбоната с отпечатанными на них питами оказывается общий отражающий слой металла. На двухстороннем DVD-диске помещается 9,4 Гб данных (по 4,7 Гб на каждой стороне). Однако, поскольку данные располагаются с двух сторон, придется либо переворачивать диск вручную, либо использовать специальное устройство, способное считывать данные с обеих сторон.

Комбинации двухслойной и двухсторонней технологий породили несколько типов DVD. Диски DVD-5 — односторонние и однослойные (цифра указывает примерный объем диска в гигабайтах); диски DVD-9 — односторонние и двухслойные; диски DVD-10 — двухсторонние однослойные; наконец, диски DVD-18 — двухсторонние двухслойные. Последний вариант — самый сложный. По сути, он представляет собой два сложенных вместе односторонних двухслойных диска и позволяет разместить на диске до 17 Гб данных — по 8,5 Гб на каждой стороне. (Заметим, что во всех приведенных выше значениях емкостей дисков гигабайт считался равным миллиарду байтов. Если перевести эти цифры в настоящие компьютерные гигабайты, получится 4,38; 7,95; 8,75 и 15,9 Гб соответственно.)

Естественно, что при уменьшении размеров отдельных информационных ячеек (питов) возрастает вероятность ошибок при считывании. Поэтому в DVD используется более совершенные по сравнению с CD механизмы представления данных и исправления ошибок. С помощью последнего возможно чтение звука или видеоизображения с поврежденных участков — царапин длиной до шести миллиметров — без заметной потери качества.

Для считывания данных с DVD-диска требуется специальное устройство — привод DVD (или DVD-ROM). Благодаря совместимости технологии DVD с технологией CD привод DVD также читает и старые диски CD-ROM, причем разных форматов. (К сожалению, обратное неверно: прочитать DVD с помощью CD-ROM не удастся.) Поэтому все производители понемногу сворачивают выпуск приводов CD-ROM и переходят на DVD-ROM. Для пользователей сдерживающим фактором пока остается довольно высокая цена на новые приводы. К тому же сейчас на отечественном рынке практически вся программная продукция, в том числе и мультимедийная, по-прежнему распространяется на компакт-дисках. На DVD можно найти разве что фильмы.

Стандарт DVD-ROM имеет подмножества DVD-Video и DVD-Audio. Диски DVD-Video специально предназначены для хранения видеозаписей, они проигрываются бытовыми DVD-плейерами, подключенными к видеовходу обычного телевизора. Предусмотрена возможность многоканального звукового сопровождения и отображения титров на нескольких языках. Диски DVD-Audio служат для записи только звука, но зато с высоким качеством, многоканальностью и возможностью размещения на диске различной сопутствующей информации.

Для записи видео- и звука на DVD применяется уже упоминавшаяся выше технология компрессии данных MPEG-2. Это следующее после MPEG-1 поколение стандарта на сжатие видео- и звуковых данных, разработанное Экспертной группой кинематографии (Moving Picture Experts Group, MPEG). Поскольку более 97% цифровых данных, представляющих собой видеосигнал, от кадра к кадру дублируются, алгоритм MPEG-2 (так же, как и MPEG-1) анализирует видеоизображение в поисках повторов и удаляет их без ущерба качеству изображения. Но главное новшество MPEG-2 заключается в применении переменного коэффициента сжатия: быстро меняющиеся сцены сжимаются с большими потерями, в то время как видеоинформация, фигурирующая в значительном количестве кадров, кодируется более качественно. Кроме того, MPEG-2 выигрывает и чисто количественно — разрешение в 500 телевизионных линий против 240 у MPEG-1.

Звук на DVD может быть записан в стандарте АС-3 (он же Dolby Digital 5.1) раздельно для шести каналов — центр, два фронтальных, два тыловых канала и сабвуфер, воспроизводящий только самые низкие частоты.

Уже существуют однократно записываемые диски DVD-R, использующие адаптированную для DVD технологию CD-R. Они могут быть прочитаны большинством приводов и проигрывателей DVD. Для многократной перезаписи разработан стандарт DVD-RAM, допускающий около ста тысяч циклов стирания-записи. Диск DVD-RAM так же, как и CD-RW, поддерживает файловую систему UDF и потому может использоваться как обычный сменный носитель. К сожалению, современные DVD-RAM не читаются большинством стандартных DVD-приводов. Однако в следующем поколении перезаписываемых дисков этот недостаток будет исправлен.

ЧТО ДИСК ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ?

Прогресс в области цифровых технологий идет бешеными темпами. С каждым годом потребность во все более совершенных и емких носителях информации увеличивается. Если еще совсем недавно возможность хранить на диске DVD до 17 Гб данных казалась фантастической, то сегодня производители уже всерьез обеспокоены разработкой оптических дисков нового поколения — еще более емких, быстрых и, конечно же, дешевых.

Как повысить емкость оптических носителей? Наиболее очевидный путь — увеличивать плотность записи информации, то есть уменьшать размер питов и расстояние между соседними дорожками. Однако плотность записи на оптических дисках ограничена длиной волны считывающего лазера: дифракция не позволяет сфокусировать луч на поверхности в пятно диаметром меньше длины волны. Именно поэтому переход к более высокочастотному (коротковолновому) лазеру позволил сделать скачок от CD к DVD. Таким образом, следующий шаг — создание полупроводникового лазера, излучающего в синей или фиолетовой области спектра (450-400 нм). Ожидается, что в этом случае емкость одного информационного слоя составит 14-20 Гб. Разработки по созданию «голубого лазера» активно ведут многие компании. Уже имеются действующие прототипы, но до массового производства технология пока не дошла.

Другой способ увеличения емкости — наращивание числа информационных слоев. Однако попытки создать DVD с числом слоев больше двух (с каждой стороны) пока не увенчались успехом — многократная интерференция и рассеяние лучей в толще материала портят качество сигнала до неприемлемого уровня, а использование сверхточных детекторов слишком дорого и нерентабельно. Таким образом, на пути к многослойности традиционная технология, основанная на использовании отражающих покрытий, столкнулась с непреодолимыми трудностями.

Компания Constellation 3D (C3D) решила пойти другим путем и, похоже, совершила революцию. Идея была проста: вместо того, чтобы регистрировать сигнал за счет отражения, можно заставить материал, содержащий информацию, сам излучать свет. В итоге был разработан флуоресцентный многослойный диск (Fluorescent Multilayer Disk, FMD) — самый емкий на сегодняшний день носитель информации. Так, созданный компанией 10-слойный прототип FMD способен хранить до 140 Гб данных. А, вообще, как заявляют разработчики, число информационных слоев может быть увеличено до ста и более — тогда на одной 5-дюймовой пластинке поместится до терабайта информации!

Внешне флуоресцентный диск очень похож на обычный компакт-диск или DVD, если не считать того, что он совершенно прозрачен (из-за отсутствия отражающих свет металлических покрытий). Каждый информационный слой FMD, изготовленный из поликарбоната, содержит ячейки-питы, заполненные органическим материалом (фотохромом). Молекулы фотохрома можно переводить во флуоресцентное (то есть способное испускать свет) состояние и обратно с помощью записывающего лазера определенной длины волны и мощности. Это свойство используется для записи и стирания информации.

Записанная на диск информация читается устройством, похожим на обычный привод CD-ROM. При освещении считывающим лазером флуоресцентные питы испускают свет, причем их излучение оказывается немного сдвинутым в красную область по отношению к излучению лазера (на 30-50 нм). Благодаря этому удается легко различить рассеяный сигнал лазера и флуоресценцию материала диска. Последняя улавливается фотоприемником и принимается за логическую единицу.

Разработчики FMD-технологии поддерживают ее совместимость с форматами CD и DVD, используя ту же систему распределения данных на каждом слое. Кроме того, многие этапы производства флуоресцентных дисков унифицированы под уже давно существующие методы производства CD/DVD, хотя, конечно, введены и существенные технологические новшества, связанные с отсутствием металлического покрытия и необходимостью заполнения питов флуоресцентным материалом. Вероятно, в будущем устройства для чтения FMD будут поддерживать DVD как подмножество своих функций.

Важная особенность новой технологии — возможность параллельного считывания данных. Если записывать последовательность битов не вдоль дорожки, а вглубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки информации. Таким образом, создание FMD — это, по сути, шаг к объемной записи информации. Не случайно новый носитель часто называют «трехмерный диск».

По-настоящему объемная запись информации возможна при использовании трехмерной голографии. В этом случае в кристалле размером с сахарный кубик поместилось бы около терабайта данных. Запись может производиться освещением фоточувствительного материала опорным лучом и лучом, несущим полезную информацию. А восстановление — повторным освещением опорным лучом. Меняя при записи длину волны и угол падения опорного луча, можно на одном и том же носителе сохранить огромное число голографических изображений. При считывании данных угол падения и длина волны опорного сигнала служат адресом информации. Голографический носитель, скорее всего, уже не будет похож на диск, так как вращать его при чтении данных необязательно. Хотя идея голографической памяти известна с 60-х годов прошлого века, ее применение в компьютерах еще впереди.

СТАРЫЙ ДРУГ ЛУЧШЕ НОВЫХ ДВУХ

Казалось бы, перед лицом столь многообещающих технологий старый добрый компакт-диск уже совсем ни на что не годится. И тем не менее сегодня СD остается самым дешевым и популярным оптическим носителем информации. Более того, многие производители считают, что компакт-диски рано выбрасывать на помойку, так как возможности этой технологии далеко не исчерпаны.

Например, компании TDK и Calimetrics Inc. создали принципиально новый тип CD-дисков. Технология, получившая название Multilevel Recording, основана на многоуровневом способе записи данных. Если на обычном компакт-диске все питы имеют одинаковую глубину, то в данном случае она может принимать несколько значений. Луч лазера, отраженный от питов различной глубины, создает на фотоприемнике электрические сигналы разного уровня. Сегодня уже созданы диски, имеющие питы с семью градациями глубины, а также приводы для их чтения. На такой диск можно записать до 2 Гб данных. При этом в три раза возрастает не только плотность записи, но и скорость ее чтения. Новая технология применяется также для однократно и многократно записываемых дисков CD-R/RW — при этом создаются питы с несколькими градациями изменения оптических свойств.

По мнению разработчиков, совершенствование компакт-дисков только начинается. В ближайшие несколько лет они надеются увеличить емкость CD до десятков и даже сотен гигабайт.

Запись CD и DVD

Вряд ли сегодня требуется кому-нибудь рассказывать о достоинствах компакт-дисков. Но одно дело – использовать диски, созданные кем-то, и совсем другое – записывать CD и DVD самому. В этой книге вы найдете все необходимые сведения о технических особенностях CD и DVD, описание различных устройств компакт-дисков, форматов CD, инструментов для записи CD. Вы узнаете, как записывать музыкальные компакт-диски, архивировать и выполнять резервные копии данных, «грабить» аудиодиски, создавать DVD-видео без риска сделать неправильные копии или испортить чистые «болванки». Кроме того, прочитав эту книгу, вы научитесь работать с пакетом Nero 8 Premium – лучшей программой для записи компакт-дисков.

Компакт-диск — это далеко не единственное наименование того вида носителей информации, о которых пойдет речь в книге. Часто их называют лазерными и оптигескими дисками. До тех пор, пока вы не решили заняться записью компакт-дисков, можно было не задумываться о происхождении этих названий. Но не имея представления об основах технологии записи, вы каждый раз, вставляя заготовку в лоток привода, будете ощущать внутреннее беспокойство и неуверенность в конечном результате. Вам это надо? Итак, немного теории.

На первый взгляд может показаться, что на 99 % успех или неудача записи компакт-диска зависят от характеристик используемого CD-привода, а сам будущий носитель данных — диск — играет второстепенную роль. Ну что, казалось бы, взять с этого куска пластмассы? Да и называют пустую заготовку компакт-диска пренебрежительно — «болванка». На самом деле, это довольно сложное техническое изделие и такого отношения к себе не заслуживает. При недостаточно аккуратном обращении и несоблюдении определенных (хотя и несложных) правил «болванка» способна не только испортить настроение хозяину, но и вывести из строя сам CD-привод.

Сначала о том, почему, собственно, компакт-диски называют лазерными. Объясняется это тем, что основным элементом любого CD-привода является лазер (оптический генератор). Луч лазера используется и для считывания информации с диска, и для записи на него.

Существуют некоторые (и даже весьма существенные) технологические особенности в устройстве «штампованных» дисков (CD-ROM), дисков, записываемых однократно (CD-R), и перезаписываемых (CD-RW). Однако на любом компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Участки, имеющие разные отражающие свойства, воспринимаются датчиками CD-привода как биты (двоичные разряды) с разными числовыми значениями. В результате просмотра диска формируется последовательность значений «О» и «1», пригодная для дальнейшей обработки компьютером.

Самая простая структура у дисков CD-ROM (аббревиатура ROM расшифровывается как Read-Only Memory, то есть «запоминающее устройство только для чтения»). Такие диски изготавливают примерно так же, как раньше печатали книги: сначала создается диск-матрица, а затем имеющийся на нем «узор» воспроизводится на дисках-клонах без применения лазера. Штампованные диски имеют всего три слоя: защитный, отражающий и подложку (именно на нее наносится информационный «узор»). Поэтому промышленные диски значительно долговечнее и «терпимее» дисков, записанных с помощью CD-привода. Но при этом, разумеется, они совершенно непригодны для записи новых данных.

Диски однократной записи, CD-R (их обычно называют просто записываемыми, поскольку буква R — это сокращение от слова Recordable — «записываемый»), устроены значительно сложнее. Современные записываемые компакт-диски хорошего качества содержат пять слоев (рис. 1.1):

• поверхностный слой (Surface Layer) — выполняет декоративные и в некоторой степени защитные функции; обычно представляет собой покрытие из специального лака либо из поликарбоната (прозрачной пластмассы особого типа);

• защитный слой (Protective Layer) — предназначен для защиты от повреждений двух основных, рабочих, слоев диска: отражающего и информационного; материал может быть различным;

• отражающий слой (Reflective Layer) — обеспечивает отражение лазерного луча, прошедшего через информационный слой; в качестве отражающих материалов обычно используют золото и серебро, реже — алюминий и его сплавы;

• информационный (записывающий) слой (Recording Layer) — основной слой компакт-диска; может быть изготовлен из различных органических соединений металлов. Наиболее распространенными на сегодняшний день можно считать цианин и фталоцианин. Именно цвет записывающего слоя обусловливает цвет рабочей поверхности диска: например, цианин дает голубой цвет;

• подложка (Substrate Layer) — играет роль основы, на которую наносятся все другие слои; обычно изготавливается из поликарбоната.

Рис. 1.1. Физическая структура диска CD-R

При записи диска CD-R его информационный слой обрабатывается фокусированным лазерным лучом высокой мощности. Под действием луча «прожженные» участки становятся непрозрачными и начинают рассеивать свет. Часто такие участки называют питами (от англ. pit — ямка, углубление).

При считывании данных информационный слой диска сканируется лазерным лучом меньшей мощности.

Все слои диска имеют очень малую толщину (доли миллиметра), особенно записывающий слой, поэтому компакт-диск весьма чувствителен к механическому, химическому и любому другому воздействию. Если вы хотите, чтобы записанные данные сохранились на диске десяток лет (а это вполне реально), обращайтесь с ним аккуратнее.

Структура перезаписываемых дисков, CD-RW (аббревиатура RW означает ReWriteable, то есть «перезаписываемый), еще сложнее, чем у CD-R. Количественно это выражается в добавлении еще двух слоев, окружающих информационный слой и препятствующих его испарению при нагревании лазером.

Их необходимость обусловлена физическими свойствами материала информационного слоя. Он должен обладать способностью восстанавливать свое первоначальное (прозрачное) состояние при выполнении операции «стирания». Поэтому в дисках CD-RW в качестве информационного слоя вместо органического красителя используются сплавы редкоземельных металлов (обычно — теллур с добавлением германия, индия и сурьмы). Температура прожига для CD-RW значительно выше, чем для CD-R.

В исходном состоянии информационный слой чистого диска CD-RW имеет кристаллическую структуру и служит неплохим зеркалом для лазерного луча. При записи данных на диск в точке воздействия луча сплав переходит в аморфное состояние и отражает падающий луч значительно хуже. В результате формируются точки, аналогичные ямкам-питам в CD-R.

Для «очистки» диска используется тот же лазер, но воздействует он на информационный слой в другом режиме: при меньшей мощности, но более длительное время. В результате сплав возвращается в исходное кристаллическое состояние. Понятно, что такие переходы из одного состояния в другое не могут пройти бесследно для используемого сплава, и потому жизненный путь диска CD-RW ограничен примерно тысячей циклов перезаписи.

Необходимо также отметить, что отражающие свойства диска CD-RW хуже, чем у диска CD-R, и существенно ниже, чем у штампованного диска CD-ROM. Поэтому старые (скажем, семилетние) приводы CD-ROM могут оказаться не в состоянии прочесть данные, записанные на диск CD-RW.

Справедливости ради следует отметить, что компакт-диск как носитель данных начинает понемногу сдавать свои позиции, уступая дорогу более молодым «конкурентам».

Сегодня можно говорить о практической реализации двух альтернативных технологических решений, основанных на использовании оптических (или лазерных) дисков:

• технология Blu-Ray Disc.

Буквально за пару месяцев до подготовки новой редакции книги из этого ряда выпали диски, основанные на технологии HD DVD. О причине этого печального (прежде всего — для фирмы Toshiba) события будет сказано немного позже.

Перечисленные технологии различаются, в первую очередь, длиной волны лазера и материалами информационного слоя.

Сокращение DVD расшифровывается как Digital Versatile Disc (цифровой универсальный диск), хотя первоначальный его смысл был несколько иным — Digital Video Disc (диск для цифрового видео).

В качестве носителя данных используется диск, внешне очень похожий на «обычный» компакт-диск. Однако при этом емкость DVD существенно выше: на сегодняшний день стандартный DVD-носитель вмещает 4,7 Гбайт данных, а так называемые «двухсторонние» — вдвое больше, около 9 Гбайт. Емкость «двухслойных» DVD-носителей несколько меньше (поскольку внешний слой имеет емкость 3,8 Гбайт) и равна всего 8,5 Гбайт. Двухслойный же двухсторонний DVD (бывают и такие) способен хранить около 17 Гбайт информации.

Для достижения столь высокой емкости в дисках DVD используются следующие технологические решения:

• применение лазера с меньшей длиной волны (635–650 нм); это позволяет прожигать и считывать питы меньшего размера и расположенные на меньшем расстоянии один от другого;

• шаг направляющей спирали в дисках DVD составляет всего 0,74 мкм (микрона) вместо 1,6 мкм в компакт-дисках;

• увеличена полезная площадь области данных;

• снижена избыточность корректирующих кодов;

• применяются более эффективные методы преобразования цифровых данных в аналоговую форму и обратно.

При этом компьютерные DVD-приводы способны читать и записывать данные на «обычные» компакт-диски, адаптируя длину волны и мощность излучения лазера к требованиям CD.

Спецификация формата Blu-Ray была окончательно утверждена Ассоциацией Blu-Ray ( www.blu-raydisc.com ) лишь в начале января 2006 года, а в середине 2006 года появились первые поддерживающие ее компьютерные записывающие приводы.

Базовый носитель Blu-Ray Disc — это перезаписываемый оптический диск со стандартным для CD/DVD диаметром 12 см, обеспечивающий запись на один слой и одну сторону до 25 Гбайт данных, а на двухслойные носители — до 50 Гб. Спецификация предусматривает три физических формата носителей: BD-ROM («штампованный» Blu-Ray Disc), BD-RE (REwriteable Blu-Ray Disc, перезаписываемый диск) и BD-R (Recordable Blu-Ray Disc, диск для однократной записи).

Blu-Ray не является принципиально новым форматом — это, скорее, эволюция формата DVD. Название Blu-Ray (синий луч) обусловлено тем, что для записи и чтения диска вместо красного лазера, который используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер (blue-violet laser). У синего лазера длина волны в полтора раза меньше длины волны красного лазера, что позволяет сделать тоньше дорожку данных и, следовательно, повысить плотность записи.

Технология Blu-Ray создавалась в первую очередь для записи, хранения и воспроизведения видео — и аудиоинформации, тем не менее на Blu-Ray Disc можно записать и «обычные» данные.

Формат Blu-Ray довольно долго вел конкурентную борьбу с другим, близким ему по характеристикам, форматом — HD DVD (аббревиатура HD DVD означает High-Definition DVD, то есть «DVD повышенной четкости»). Борьба шла с переменным успехом, и некоторые ведущие кинокомпании поддерживали оба формата. Однако, как часто бывает на войне, один из конкурентов получил «удар в спину», от которого не смог оправиться. Этим проигравшим оказался формат HD DVD. А дело было так.

К концу 2007 года у фирмы Toshiba, разработчика и основного «про-двигателя» формата HD DVD, было несколько влиятельных союзников из числа голливудских кинокомпаний, включая Warner Bros, Paramount и Universal. Это сулило неплохие перспективы в борьбе с Blu-Ray, и потому на предстоявшей в январе 2008 года ежегодной выставке товаров бытовой электроники CES (Consumer Electronics Show) компания Toshiba планировала провести широкомасштабную презентацию своих продуктов — как носителей HD DVD, так и плееров того же формата. Однако буквально за два дня до открытия выставки студия Warner Bros выступает с заявлением, которое производит эффект разорвавшейся бомбы: она прекращает запись фильмов в формате HD DVD и в течение ближайших месяцев планирует целиком перейти на Blu-ray Disc. Пытаясь «сохранить лицо», глава подразделения Toshiba America Consumer Products заявляет на CES: «Мы по-прежнему уверены, что формат HD DVD лучше соответствует потребностям конечных пользователей». Вслед за этим, 14 января, Toshiba снижает цену плееров HD DVD почти в полтора раза. Однако уже через месяц, 15 февраля, крупнейшая мировая сеть розничных магазинов Wal-Mart заявляет, что к июню прекратит продажи HD DVD. А на следующий день, 16 февраля, основная широковещательная сеть Японии NHK сообщает, что Toshiba прекратила производство плееров HD DVD.

Но оставим HD DVD оплакивать собственную кончину и вернемся к старым добрым компакт-дискам.

Читатель наверняка знаком с организацией хранения данных на таких магнитных носителях, как жесткий диск и дискета. И скорее всего, ему известно, что рабочая поверхность этих магнитных носителей разделена на дорожки, или треки (от англ. track). Каждая дорожка магнитного диска представляет собой концентрическую окружность, не соединяющуюся с другими дорожками. В свою очередь, дорожка подразделяется на несколько секторов. Наличие секторов позволяет более точно адресовать данные на диске и быстрее находить их. На магнитных носителях дорожки расположены на довольно большом расстоянии одна от другой, и поэтому механика дисковода обеспечивает точное позиционирование магнитной головки над дорожкой.

На компакт-дисках плотность размещения данных значительно (на несколько порядков) выше, чем на магнитных носителях. А луч лазера примерно во столько же раз тоньше магнитной головки. Поэтому с целью повышения надежности записи и считывания дорожки компакт-диска делают в виде одной длинной-предлинной спирали (порядка 4–5 км), начинающейся в геометрическом центре диска. Вот эта-то «нить Ариадны» и помогает лучу лазера не сбиться с пути, перескакивая с одной прожженной точки-ямки на другую. Существует у дорожек компакт-диска и еще одна особенность. Поскольку между ними отсутствуют физические границы, то длина очередной дорожки определяется объемом записанных на нее данных. В предельном случае вся «спираль» диска может стать одной-единственной дорожкой.

Есть и еще одна причина, по которой данные на компакт-диске размещаются не так, как на винчестере. Пожалуй, эта причина даже «главней» приведенной выше. Дело в том, что первый CD имел весьма узкую «специализацию» — он был предназначен для хранения аудиоданных. И создатели CD в какой-то степени перенесли на лазерный диск идеологию виниловых грампластинок — та же единая спираль, на которой одна за другой расположены фонограммы. Только в качестве звукоснимателя используется не игла, а луч лазера. И хотя компакт-диск давно уже стал универсальным носителем данных, используемая в нем идея современной «грампластинки» никуда не делась. Поэтому и более поздние форматы и способы записи данных на CD — это всего лишь попытки приспособить CD для новых целей.

Впрочем, не будем забегать вперед — режимам и форматам записи данных посвящены следующие главы книги.

В отличие от штампованных CD, у дисков типа CD-R и CD-RW есть служебная зона, которая называется ATIP (Absolute Time in Pre-Groove — абсолютная длительность ведущей дорожки). В ней хранится информация о типе диска, его емкости, производителе и о поддерживаемых скоростях записи. Кроме того, имеются две служебные зоны для калибровки мощности лазера и для сохранения промежуточного состояния так называемой таблицы содержимого диска (английская аббревиатура этого понятия — ТОС, Table of Content).

В силу рассмотренных ранее особенностей компакт-дисков, существуют определенные ограничения на способы записи данных на диск. Каждому из разрешенных способов соответствует свой режим записи.

Одна операция записи на диск (то есть период времени от включения до выключения лазера) обычно называется сессией (Session). Другими словами, сессия — это набор данных (фонограмм, файлов и папок), помещенных на диск за одну операцию записи. Каждая сессия может содержать одну или несколько дорожек. Количество дорожек задается пользователем в зависимости от характера записываемых данных.

Соотношение между числом сессий и числом дорожек как раз и определяет режим записи. Основных режимов записи два:

• Disc-at-Once (DAO) — дословно название режима можно перевести как «весь диск за один раз»;

• Track-at-Once (ТАО) — «дорожка за один раз».

В обоих случаях имеется в виду заполнение диска или дорожки за одну операцию записи, то есть за одну сессию. Помимо основных режимов, существуют еще два:

• пакетный режим (Packet Writing), предназначенный, в первую очередь, для перезаписываемых (CD-RW) дисков;

• Session-at-Once (SAO) — «сессия за один раз», используемый при записи CD в специфическом формате Enchanced CD.

Первые три режима рассмотрены подробно в последующих подразделах, а вот режим SAO, как редко используемый, описан совсем кратко в разделе «Форматы компакт-дисков».

При записи в режиме DAO весь диск записывается за один проход без выключения лазера. Затем диск «закрывается» посредством добавления специальной, так называемой выводной зоны (Lead-out). В дальнейшем «закрытый» диск не может быть использован для записи новой сессии. Другими словами, диск, записанный в режиме DAO, всегда содержит единственную сессию (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Диск, записанный в режиме DAO: единственная сессия

Однако количество дорожек внутри сессии определяется пользователем и особенностями записываемых данных. Как правило, если на диск записываются «обычные» файлы (данные или программы, втом числе игры), создается единственная дорожка. При записи аудиодисков число дорожек обычно равно числу записываемых аудиофайлов (подробнее особенности создания аудиодисков рассмотрены в следующем разделе).

Поскольку только закрытый (или, как еще говорят, «финализированный») диск пригоден для воспроизведения любым бытовым (не компьютерным) плеером, то режим DAO является основным при записи аудио — и видеодисков. Однако применяют его и для записи других типов данных, когда нет необходимости добавлять новые файлы на носитель.

Режим DAO необходим также для создания так называемых мастер-дисков, используемых в качестве матрицы для производства «штампованных» CD.

Одно из важных преимуществ режима DAO — его экономичность с точки зрения расходуемой емкости диска. Дело в том, что на хранение информации о каждой дополнительной сессии уходит 13 Мбайт дискового пространства. Если сессий немного (две-три), то потери будут не очень заметны, но если по той или иной причине придется создать полтора десятка сессий, потери окажутся существенными.

Кстати, несколько слов о емкости современных дисков. Поскольку первые компакт-диски создавались для записи аудиоданных, то емкость CD измеряется не только в мегабайтах, но и в минутах (имеется в виду длительность воспроизведения записанной на диске музыки). На сегодняшний день стандартными считаются диски емкостью 650 Мбайт (74 мин.), однако они постепенно вытесняются дисками повышенной емкости: 700 Мбайт (80 мин.) и 800 Мбайт (90 мин.).

Некоторые программы записи поддерживают дополнительный режим DAO/96. Он представляет собой программное расширение режима DAO и обеспечивает запись информации в так называемые подканалы. Число 96 — это количество дополнительно записываемых данных, указанное в байтах (по 12 байт на каждый из 8 подканалов). Подробнее о подканалах рассказано в подразделе «Смешанный формат и караоке» раздела «Форматы компакт-дисков».