3.2.2. Организация данных на оптических дисках

Данные записываются на оптических дисках в различном формате. Эти различия возникли из-за использования оптических дисков в разных областях. При этом почти для каждого из применений первых оптических дисков был даже разработан свой стандарт. Это и привело к наличию довольно большого разнообразия форматов данных, особенно для компакт дисков (CD).

При разработке стандартов для DVD постарались избежать такого положения, что удалось, но только отчасти. И если форматы представления данных на DVD удалось сделать более или менее стандартными, то технологические поиски разработчиков все-таки привели к появлению различных по используемым технологиям и не всегда совместимых друг с другом физически носителей.

Первый стандарт на компакт-диски, разработанный компаниями Philips и Sony и появившийся в 1980 году, описывал диски, предназначенные для цифровой записи музыки: CD-DA (Compact Disk Digital Audio). Этот стандарт получил у разработчиков название "Красная книга", хотя имеется и другая его редакция от International Electronic Commission - IEC (60)908, и он продолжает пополняться. В нем, в частности, был введен получивший широкое распространение формат оцифровки звука: 16-битное аналого-цифровое преобразование с частотой снятия отсчетов 44,1 кГц.

В этом стандарте были определены:
- спецификация диска, включая его физические параметры, допуски на них и характеристики окружающей среды;
- оптические характеристики;
- допустимые отклонения параметров и частота ошибок;
- системы модуляции сигнала и коррекции ошибок;
- порядок размещения информации и управляющих данных (подканалов) на диске и др.

В 1984 году те же компании разработали стандарт, описывающий компакт-диски, предназначенные специально для хранения данных для ЭВМ. В технологической части (спецификация диска, световых сигналов, модуляции и коррекции, размещения данных) он основывался на спецификациях "Красной книги", а структуру и формат хранимых данных определял в виде, более приспособленном для хранения информации в компьютерах. Стандарт стал известен под названием "Желтой книги" (позже появились его версии ISO-10149 и редакция ECMA-130 Европейской ассоциации производителей ЭВМ - European Computer Manufacturers Association), а определяемые им диски и стали называть CD-ROM.

Впоследствии появилось еще несколько стандартов-"книг" (зеленая, оранжевая, белая и синяя), описывающих различные диски. В частности, "Оранжевая книга" определяла стандарты магнитооптических дисков (см. п. 3.3.2), записываемых и перезаписываемых дисков CD-R (точнее, они сперва назывались дисками с однократной записью CD-WO - Write Once) и CD-RW.

При оптическом считывании количество ошибок достаточно велико. Это потребовало использования сложной схемы представления данных и их кодирования. Причем если при воспроизведении звука необнаруженные или неисправленные ошибки считанных данных приведут лишь к ухудшению качества звучания, то при считывании файлов для ЭВМ недопустимы ошибки даже в одном бите. Поэтому организация хранимых данных для CD-DA и CD-ROM несколько различна.

Данные записываются на диски блоками по 2352 байта, называемые также секторами (как и у жестких дисков), которые и являются минимально адресуемыми единицами информации. Блоки эти состоят из 98 кадров по 24 байта каждый (соответствующих в CD-DA группе из шести 16-разрядных выборок - отсчетов при квантовании (оцифровке) стереофонического звукового сигнала).

В CD-DA байты блока информационные, а у CD-ROM только 2048 или 2336 байтов могут быть информационными (в зависимости от режима), остальные - служебные, которые используются для синхронизации, управления и контроля.

Однако физически на диске эти блоки занимают существенно больше (примерно в 3 - 3,5 раза) места, так как для уменьшения количества ошибок используют специальные контрольные коды и избыточное кодирование. Это и позволяет получить приемлемую частоту ошибок считывания данных.

Для CD-ROM каждый блок начинается 12-байтовым полем синхронизации (байт 00h, 10 байтов FFh и байт 00h), за которым следуют четыре байта заголовка (адрес и режим), а затем область данных. Если на область данных выделено 2048 байтов, то последние 288 байтов используются для контрольных кодов, в противном случае все 2336 байтов информационные. В CD-DA блок содержит только поле данных.

Каждый кадр блока при записи на диск подвергается серии преобразований: сперва (для CD-ROM), вспомогательному "перемешиванию" - скремблированию битов кода, затем кодированию на логическом уровне специальным помехозащищенным кодом Рида-Соломона (CIRC - Cross Interleaved Read-Solomon Code), при котором в кадр вставляется 8 контрольных байтов, кроме того, в начало кадра вставляются 24 бита синхронизации и специальный символ (т.н. субкод восьми (дополнительных) каналов P, Q, … ,W, предназначенных для управляющих данных), а также по три дополнительных бита между байтами, называемых битами слияния. Далее все байты, кроме битов синхронизации и битов слияния, кодируются специальным кодом, представляющим каждый байт четырнадцатью битами, называемыми в стандарте канальными битами. Таким образом, один кадр, содержащий 24 байта данных, занимает 24 (синхронизация) + 3 (биты слияния) + 14 (код подканалов) + 3 (биты слияния) + (14 + 3) x 32 (байты данных с битами слияния) = 588 бит. Последовательность этих преобразований иллюстрируется также на рис. 35.

Draw_35: CD_sector
Рис. 35. Представление сектора данных на компакт диске

Формально, избыточность записи можно определить при наиболее полном контроле (т.е. при 2048 байтах информации в секторе) отношением 588 x 98 / 2048 x 8 = 57624 / 16384 ≈ 3,52, т.е. физически для записи одного байта информации нужно около 3,5 байтов. Если все байты блока информационные, то избыточность оценивается отношением 588 x 98 / 2352 x 8 = 57624 / 18816 ≈ 3,06, т.е. примерно троекратна.

Как отмечалось выше, дорожка для записи у оптического диска одна, спиральная (как у грампластинки - сказалась специализация разработчиков), развертывающаяся по всему диску от его внутренней части к внешнему краю (наоборот, по отношению к грампластинке). Поскольку первые оптические диски CD-DA использовались в звукозаписи, а ее традиционными носителями были грампластинки и магнитофонная лента, на которых записывалось непрерывное звучание в пределах одной композиции и одна последовательность композиций, то адресация в них была организована по времени.

CD-ROM также сохранили эту схему, при которой местоположение сектора указывается в минутах от 0 до 74 (79), секундах (0-59) и 1/75 долях секунды (или, иначе, номере блока в секунде, так как при нормальном звучании аудио дисков воспроизводится 75 блоков в секунду) от начала воспроизведения соответствующей зоны диска.

Конечно, время, будучи определенной величиной, предполагает некоторую фиксированную скорость считывания, а, как известно, скорости у приводов CD-ROM могут быть различны. Поэтому время задается именно для скорости считывания 75 блоков/с. Этому соответствует скорость передачи данных 176400 байт/с (75 блоков/с x 98 кадров x 24 байта), которая соответствует частоте квантования 44,1 кГц стереофонического (двухканального) аудио сигнала при 16-битной (2-байтной) точности аналого-цифрового преобразователя (2 канала x 2 байта x 44100 Гц).
               Однако широко распространенная единица измерения скорости записи информации на CD соответствует несколько меньшей величине - 150 Кбайт/с, так как один блок цифровых данных при наличии контрольных кодов в секторе (см. рис. 35) содержит не 2352 байта данных, а только 2048 байтов, что дает 2048 байтов x 75 блоков/с = 153600 байт/с или, при пересчете на K=1024, ровно 150 КБайт в секунду.
               Ну и, конечно, следует помнить, что реальная скорость считывания с диска в 3-3,5 раза выше, учитывая избыточность записанных данных (75 блоков/с x 98 кадров x 588 бит = 4321800 бит/с, или, приводя к 8-битному байту, 540225 байт/с).

Логически сектора объединяются в информационную дорожку (трек - термин из звукозаписи), количество секторов в треке переменное, от 300 секторов. Трек может соответствовать, например, музыкальной композиции на CD-DA или какому-либо файлу (группе файлов) на CD-ROM, причем, согласно стандарту, он может занимать как часть физической дорожки диска, так и всю ее и даже более чем один диск.

Данные записываются в так называемую информационную область диска (кроме нее в CD с записью имеется еще системная область). Эта область, в свою очередь, делится на три зоны (areas): зону ввода (lead-in), зону данных (user data) и зону вывода (lead-out). Располагаются они в названном порядке, начиная от внутренней части диска, как показано на рис. 36.

Зона ввода предназначена для позиционирования считывающей системы на дорожке и синхронизации. В этой зоне имеется только одна информационная дорожка, на которой (в служебной области - канале Q) записывается таблица содержимого диска (TOC - Table of Contents). В ней может быть указано до 99 адресов информационных дорожек (треков).

Зона данных предназначена для собственно хранения данных и может содержать до 99 информационных треков, адресуемых, как указано выше: в минутах, секундах и долях секунды.

Зона вывода завершает зону данных и содержит только один (с записью тишины или нулей) информационный трек.

Записываемые и перезаписываемые CD, согласно требованиям "Оранжевой книги", имеют дополнительную область - системную (SUA - System Use Area). Эта область расположена в центральной части диска, до начала информационной, и разделяется на две части: зону калибровки мощности (PCA - Power Calibration Area) и зону памяти программ (PMA - Program Memory Area).

Первая из них используется при записи для подбора мощности записывающего сигнала лазера и допускает до 99 таких операций, выполняемых при каждой записи. Вторая - служит для записи до 99 номеров треков и адресов их начала и конца, что выполняется по окончании сеанса записи.

Кроме того, зона, эквивалентная зоне данных (User Data Area) информационной области CD-ROM, в записываемых дисках называется программной зоной (Program Area).

Draw_36: CD_sector
Рис. 36. Расположение основных зон на компакт диске: а) зона калибровки, б) зона памяти программ, (а и б только для записываемых и перезаписываемых дисков) в) зона ввода, г) зона данных пользователя (программная зона), д) зона вывода

Ряд особенностей организации имеют также многосессионные записываемые диски (Multisession CD).

Организация данных на DVD дисках, в целом, аналогична рассмотренным вариантам. Однако для записи данных в них используются другие способы кодирования.

Кроме рассмотренных выше основных типов компакт-дисков CD-DA и CD-ROM, имеются также еще более десятка их разновидностей. Среди них, в частности, диски для хранения изображений - Photo CD, для хранения видеозаписей с MPEG-сжатием - Video CD и Super Video CD, интерактивные диски с разными типами данных CD-I, воспроизводимые специальными проигрывателями, мультимедийные диски CD Plus и другие.
               Среди DVD дисков количество различных форматов не столь велико, и, кроме рассмотренных DVD-ROM, DVD-R, имеются три разновидности перезаписываемых дисков DVD-RAM, DVD-RW и DVD+RW, а также DVD-Video и DVD-Audio.

[ Назад  Начало раздела  Далее  Содержание]