Організація ЕОМ
3.2.2. Організація даних на оптичних дисках
Дані записуються на оптичних дисках у різному форматі. Ці відмінності виникли через використання оптичних дисків у різних сферах. При цьому майже для кожного із застосувань перших оптичних дисків було навіть розроблено свій стандарт. Це й призвело до наявності досить великого розмаїття форматів даних, особливо компакт дисків (CD).
При розробці стандартів для DVD постаралися уникнути такого положення, що вдалося, але лише частково. І якщо формати представлення даних на DVD вдалося зробити більш менш стандартними, то технологічні пошуки розробників все-таки призвели до появи різних за використовуваними технологіями і не завжди сумісних один з одним фізично носіїв.
Перший стандарт на компакт-диски, розроблений компаніями Philips і Sony, що з'явився в 1980 році, описував диски, призначені для цифрового запису музики: CD-DA (Compact Disk Digital Audio). Цей стандарт отримав у розробників назву "Червона книга", хоча є й інша його редакція від International Electronic Commission – IEC (60) 908, і він продовжує поповнюватись. У ньому, зокрема, був введений формат оцифрування звуку, що набув широкого поширення: 16-бітне аналого-цифрове перетворення з частотою зняття відліків 44,1 кГц.
У цьому стандарті було визначено: - специфікація диска, включаючи його фізичні параметри, допуски на них та характеристики навколишнього середовища; - оптичні характеристики; - допустимі відхилення параметрів та частота помилок; - системи модуляції сигналу та корекції помилок; - порядок розміщення інформації та керуючих даних (підканалів) на диску та ін.
У 1984 році ті ж компанії розробили стандарт, що описує компакт-диски,призначені спеціально для зберігання даних для ЕОМ. У технологічній частині (специфікація диска, світлових сигналів, модуляції та корекції, розміщення даних) він ґрунтувався на специфікаціях "Червоної книги", а структуру і формат даних, що зберігаються, визначав у вигляді, більш пристосованому для зберігання інформації в комп'ютерах. Стандарт став відомий під назвою "Жовтої книги" (пізніше з'явилися його версії ISO-10149 і редакція ECMA-130 Європейської асоціації виробників ЕОМ - European Computer Manufacturers Association), а диски, що визначаються ним, і стали називати CD-ROM.
Згодом з'явилося ще кілька стандартів-книг (зелена, помаранчева, біла і синя), що описують різні диски. Зокрема, "Помаранчева книга" визначала стандарти магнітооптичних дисків (див. п. 3.3.2), дисків CD-R, що записуються і перезаписуються (точніше, вони спочатку називалися дисками з одноразовим записом CD-WO - Write Once) і CD-RW.
При оптичному зчитуванні кількість помилок досить велика. Це зажадало використання складної схеми представлення даних та його кодування. Причому якщо відтворенні звуку невиявлені чи невиправлені помилки лічених даних призведуть лише до погіршення якості звучання, то зчитуванні файлів для ЕОМ неприпустимі помилки навіть у одному биті. Тому організація даних для CD-DA і CD-ROM дещо різна.
У CD-DA байти блоку інформаційні, а в CD-ROM лише 2048 або 2336 байтів можуть бути інформаційними (залежно від режиму), решта – службові, які використовуються для синхронізації, управління та контролю.
Проте фізично на диску ці блоки займають значно більше (приблизно в 3 - 3,5 рази) місця, оскільки зменшення кількості помилок використовують спеціальні контрольні коди і надлишковекодування. Це дозволяє отримати прийнятну частоту помилок зчитування даних.
Кожен кадр блоку під час запису на диск піддається серії перетворень: спершу (для CD-ROM), допоміжному "перемішування" - скремблювання бітів коду, потім кодування на логічному рівні спеціальним помехозащищенным кодом Ріда-Соломона (CIRC - Cross Interleaved Read-Solomon при якому в кадр вставляється 8 контрольних байтів, крім того, на початок кадру вставляються 24 біта синхронізації і спеціальний символ (т.зв. субкод восьми (додаткових) каналів P, Q, …, W, призначених для керуючих даних), а також по три додаткові біти між байтами, званих бітами злиття. Далі всі байти, крім бітів синхронізації та бітів злиття, кодуються спеціальним кодом, що представляє кожен байт чотирнадцятьма бітами, які називаються в стандарті канальними бітами. Таким чином, один кадр, що містить 24 байти даних, займає 24 (синхронізація) + 3 (біти злиття) + 14 (код підканалів) + 3 (біти злиття) + (14 + 3) x 32 (байти даних з бітами злиття) = 588 біт. Послідовність цих перетворень ілюструється на рис. 35.
Формально, надмірність запису можна визначити при найбільш повному контролі (тобто при 2048 байтах інформації в секторі) ставленням 588 x 98/2048 x 8 = 57624/16384 ≈ 3,52, тобто. фізично для запису одного байта інформації потрібно близько 3,5 байтів. Якщо всі байти блоку інформаційні, то надмірність оцінюється ставленням 588 х 98 / 2352 х 8 = 57624 / 18816 ≈ 3,06, тобто. приблизно триразова.
CD-ROM також зберегли цю схему, при якій місце розташування сектора вказується в хвилинах від 0 до 74 (79), секундах (0-59) та 1/75 частках секунди (або, інакше, номер блоку всекунді, тому що при нормальному звучанні аудіо дисків відтворюється 75 блоків за секунду) від початку відтворення відповідної зони диска.
Звичайно, час, будучи певною величиною, передбачає деяку фіксовану швидкість зчитування, а, як відомо, швидкості приводів CD-ROM можуть бути різні. Тому час визначається саме для швидкості зчитування 75 блоків/с. Цьому відповідає швидкість передачі даних 176400 байт/с (75 блоків/с x 98 кадрів x 24 байти), яка відповідає частоті квантування 44,1 кГц стереофонічного (двоканального) аудіо сигналу при 16-бітній (2-байтній) точності аналого-цифрового (2 канали x 2 байти x 44100 Гц). Однак широко поширена одиниця виміру швидкості запису інформації на CD відповідає дещо меншій величині - 150 Кбайт/с, оскільки один блок цифрових даних за наявності контрольних кодів у секторі (див. рис. 35) містить не 2352 байта даних, а лише 2048 байтів, що дає 2048 байтів x 75 блоків/с = 153 600 байт/с або, при перерахуванні на K=1024, рівно 150 Кбайт в секунду. Ну і, звичайно, слід пам'ятати, що реальна швидкість зчитування з диска в 3-3,5 рази вище, враховуючи надмірність записаних даних (75 блоків/с x 98 кадрів x 588 біт = 4321800 біт/с, або приводячи до 8-бітного байта, 540225 байт/с).
Логічно сектори об'єднуються в інформаційну доріжку (трек – термін із звукозапису), кількість секторів у треку змінна, від 300 секторів. Трек може відповідати, наприклад, музичної композиції на CD-DA або якомусь файлу (групі файлів) на CD-ROM, причому, згідно зі стандартом, він може займати як частину фізичної доріжки диска, так і всю її і навіть більш ніж один диск .
Дані записуються в так звану інформаційну область диска (крім неї в CD ззаписом є системна область). Ця область, своєю чергою, ділиться втричі зони (areas): зону введення (lead-in), зону даних (user data) і зону виведення (lead-out). Розташовуються вони у названому порядку, починаючи від внутрішньої частини диска, як показано на рис. 36.
Зона виводу завершує зону даних і містить лише один (із записом тиші чи нулів) інформаційний трек.
CD, що записуються та перезаписуються, відповідно до вимог "Помаранчевої книги", мають додаткову область - системну (SUA - System Use Area). Ця область розташована в центральній частині диска, до початку інформаційної, і поділяється на дві частини: зону калібрування потужності (PCA – Power Calibration Area) та зону пам'яті програм (PMA – Program Memory Area).
Крім того, зона, еквівалентна зоні даних (User Data Area) інформаційної області CD-ROM, в дисках, що записуються, називається програмною зоною (Program Area).
Ряд особливостей організації мають також багатосесійні диски, що записуються (Multisession CD).
Організація даних на DVD дисках, загалом, аналогічна розглянутим варіантам. Однак для запису даних у них використовуються інші способи кодування.