Накопители CD-ROM

Когда в начале 80-х годов прошлого века компании Sony и Philips выпустили звуковые компакт-диски (Compact Disc - CD), никто не мог предположить, каким ценным носителем информации они станут в недалеком будущем. Долговечность, возможность произвольного доступа и высокое качество звука CD привлекли к ним всеобщее внимание и способствовали их широкому распространению. Первый накопитель CD-ROM (CD-ROM drive) для РС был выпущен в 1984 г., но прошло несколько лет прежде чем он стал почти обязательным компонентом высококачественных РС. Сейчас же на CD-ROM распространяются игры, программные приложения, энциклопедии и другие мультимедийные программы (образно говоря, сейчас "из дорогой роскоши накопитель CD-ROM превратился в дешевую необходимость"). Собственно, "мультимедийная революция" многим обязана дешевым CD-ROM большой емкости. Если звуковой CD был рассчитан на воспроизведение высококачественного цифрового звука в течение 74 минут, то компьютерный CD-ROM может хранить 660 МБ данных, более 100 фотографий высочайшего качества или телефильм продолжительностью 74 минуты. Многие диски хранят все эти виды информации, а также и другую информацию.

Накопители CD-ROM играют важную роль в следующих аспектах вычислительной системы:

• Поддержка программного обеспечения: Самая важная причина того, что современный РС должен иметь накопитель CD-ROM, является огромное число программных приложений, распространяемых на компакт-дисках. Сейчас гибкие диски для этого практически не применяются.
• Производительность: Поскольку сейчас много программ используют накопитель Cd-ROM, важное значение приобретает производительность накопителя. Конечна, она не столь критична, как производительность жесткого диска и таких компонентов РС, как процессор и системная память, но все же имеет важное значение.

Благодаря массовому производству современные накопители CD-ROM стали быстрее и дешевле, чем раньше. Сейчас на CD-ROM распространяется подавляющее большинство программных приложений, а многие программы (например, базы данных, мультимедийные приложения, игры и фильмы) можно выполнять непосредственно с CD-ROM, причем часто в сети. Современный рынок накопителей CD-ROM предлагает внутренние, внешние и портативные устройства, однодисковые и многодисковые устройства с автоматической сменой дисков, накопители с интерфейсами SCSI и EIDE, а также множество стандартов.

Большинство накопителей CD-ROM имеют на лицевой панели удобные органы управления, позволяющие использовать накопитель для воспроизведения и прослушивания звуковых компакт-дисков. Обычно имеются такие органы управления:

• Выход на стерео-наушники: Небольшое гнездо (джек - jack) для подключения наушников и прослушивания звукового CD.
• Поворотная ручка для управления громкостью: Для регулировки громкости звукового выхода.
• Кнопки Start и Stop: Предназначены для того, чтобы начать и остановить воспроизведение звукового CD. В некоторых накопителях эти кнопки являются единственными органами управления.
• Кнопки Next Track и Previous Track: Эти кнопки позволяют перейти к следующей дорожке и предыдущей дорожке звукового CD.

Накопители CD-ROM появились после того, как отсеки накопителей в РС были стандартизованы, поэтому они рассчитаны на стандартный отсек накопителя 5.25". Высота накопителя CD-ROM составляет 1.75", что соответствует стандартному отсеку "половинной высоты" (half-height). Большинство накопителей имеют металлический кожух, в котором имеются отверстия для крепящих винтов, что обеспечивает простой монтаж накопителя в отсеке. Для установки диска обычно применяется выдвижной лоток (tray).

Структура диска CD-ROM

Накопитель CD-ROM можно сравнить с накопителем на гибком диске, так как в обоих накопителях применяется сменный (removable) носитель. Его можно сравнить и с накопителем на жестких дисках, так как оба накопителя имеют большую емкость. Однако CD-ROM не является ни гибким, ни жестким диском. Если в накопителях на гибком и жестких дисках используется магнитный (magnetic) носитель, то в CD-ROM применяется оптический (optic) носитель. Базовый CD-ROM имеет диаметр 120 мм (4.6") и представляет собой своеобразный "сэндвич" толщиной 1.2 мм из трех покрытий: задний слой прозрачного поликарбонатового пластика, тонкая алюминиевая пленка и лаковое покрытие для защиты диска от внешних царапин и пыли.

В традиционном производственном процессе на чистом поликарбонатовом пластике штампуются миллионы крошечных впадин, называемых питами (pits), на спирали, которая разворачивается от центра диска наружу. Затем питы покрываются тонкой алюминиевой пленкой, которая придает диску характерный серебряный цвет. Типичный пит имеет ширину 0.5 мкм, длину от 0.83 до 3 мкм и глубину 0.15 мкм. Расстояние между дорожками (шаг дорожек - pitch) составляет всего 1.6 мкм. Плотность дорожек составляет более 16 000 дорожек на дюйм (Tracks Per Inch - TPI); для сравнения - у гибкого диска TPI равно 96, а у жесткого диска 400. Длина развернутой и вытянутой спирали составляет около четырех миль.

Конечно, с компакт-дисками необходимо обращаться аккуратно. Наиболее чувствительна к повреждениям рабочая сторона диска. Несмотря на то, что алюминиевый слой защищен от повреждений и коррозии лаковым покрытием, толщина этого защитного слоя составляет всего 0.002 мм. Неосторожное обращение или пыль могут привести к появлению небольших царапин и тончайших трещин, через которые проникает воздух и окисляет алюминиевое покрытие, превращая диск в неработоспособный.

Принцип работы накопителя CD-ROM

За исключением очень сложных способов контроля ошибок работа накопителя CD-ROM очень похожа на работу плейера звуковых компакт-дисков. Данные хранятся так же, как на всех CD. Информация хранится в секторах емкостью 2 КБ на спиральной дорожке, которая начинается в центре диска и "раскручивается" к внешнему краю диска. Секторы можно считывать независимо.

Плейер считывает информацию с питов и лэндов (lands) спиральной дорожки CD, начиная от центра диска и двигаясь к внешнему краю. Для считывания используется инфракрасный лазерный луч с длиной волны 780 нм, который генерирует маломощный арсенид-галлиевый полупроводник. Луч проходит через слой прозрачного покрытия на металлическую пленку. Несмотря на то, что лазер маломощный, он может повредить сетчатку, если попадет в незащищенный глаз. При вращении диска со скоростью от 200 до 500 оборотов в минуту (Rotations Per Minute - RPM) луч отражается от питов и частота света изменяется.

Области вокруг питов, называемые лэндами, также участвуют в процессе считывания. Отраженный свет проходит через призму на фотодатчик, выходной сигнал которого пропорционален объему воспринятого света. Свет, отраженный от питов, отличается по фазе на 180 градусов от света, отраженного от лэндов, и разности в интенсивности измеряются фотоэлектрическими ячейками и преобразуются в электрические импульсы. В результате последовательность питов и лэндов переменной длины, отштампованная на поверхности диска, интерпретируется как последовательность единиц и нулей, из которых восстанавливаются хранящиеся на диске данные (с помощью цифро-аналогового преобразователя цифровые данные звукового CD превращаются в звуковые сигналы). Так как поверхности носителя непосредственно "касается" только лазерный луч, износа носителя не происходит.

Все было бы относительно просто, если бы поверхности дисков CD-ROM были абсолютно плоскими и могли вращаться без горизонтальной девиации. Фактически же в составе накопителя потребовались сложные электронные схемы, обеспечивающие фокусировку лазерного луча на поверхности диска и направления его точно на считываемую дорожку.

Было разработано несколько методов обеспечения радиального слежения за дорожкой, но наиболее распространен трехлучевой метод. Лазерный луч не просто направляется на поверхность диска, а излучается полупроводниковым устройством и проходит через дифракционную решетку, которая формирует два дополнительных источника света с каждой стороны основного луча. При пропускании через коллиматорные линзы три луча становятся параллельными, а затем они проходят через призму, которая называется поляризующим расщепителем луча (polarised beam splitter). Расщепитель разрешает прохождение входящих лучей, а возвращающиеся отраженные лучи поворачиваются на 90 градусов на фотодиод, который интерпретирует сигнал.

Измеряются интенсивности двух боковых лучей, которые должны быть одинаковыми пока лучи остаются на каждой стороне дорожки. Любое боковое смещение диска приводит к разбалансу и серво-двигатель корректирует объектив. Вертикальное смещение учитывается разделением приемного фотодиода на четыре квадранта и размещением их посередине между горизонтальными и вертикальными фокальными точками луча. Любое отклонение диска приводит к тому, что пятно становится эллиптическим, вызывая разбаланс токов между противоположными парами квадрантов. При этом объектив перемещается вверх или вниз, обеспечивая круговую форму пятна.

Технология компакт-дисков предусматривает встроенные системы исправления ошибок, которые способные скорректировать большинство ошибок, вызываемых физическими частицами на поверхности диска. В каждом накопителе CD-ROM и каждом плейере звуковых компакт-дисков для обнаружения ошибок применяется перекрестно-перемежающийся код Рида-Соломона (Cross Interleaved Reed Solomon Code - CIRC), а стандарт CD-ROM обеспечивает второй уровень исправления с помощью алгоритма Layered Error Correction Code. В коде CIRC кодер добавляет информацию о двумерном паритете для исправления ошибок, а также перемежает данные на диске для защиты от пакетных ошибок. Возможно исправлять пакеты ошибок до 3500 битов (длина 2.4 мм) и компенсировать пакеты ошибок до 12 000 битов (длина 8.5 мм), вызываемые небольшими царапинами.

Цифровой звук

На пластинках и магнитофонных кассетах звуковой сигнал записывается как аналоговый сигнал. Поэтому все несовершенства записи мы слышим как помехи (шипение и свист) или другие дефекты. Для устранения этих дефектов в компакт-дисках применяются цифровые способы хранения "отсчетов" (samples) как чисел. Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется дискретизацией (sampling), или оцифровкой (digitising). Аналоговый сигнал опрашивается много раз в секунду и при каждом опросе амплитуда измеряется и округляется до ближайшего представимого значения. Очевидно, чем выше частота дискретизации (sampling rate) и чем точнее присваиваемые амплитудам значения (динамический диапазон - (dynamic range), тем лучше представление оригинала.

Для CD применяются частота дискретизации 44.1 кГц и 16-битовый динамический диапазон. Это означает получение 44 100 отсчетов в секунду и амплитуда сигнала в момент каждого отсчета описывается 16-битовым числом, что дает 65 536 возможных значений. Такая частота дискретизации обеспечивает частотную характеристику, достаточную для звуков с высотой 20 кГц. Однако некоторые "аудиофилы" (audiophiles) считают, что этого недостаточно для передачи психоакустических эффектов, которые возникают за пределами восприятия слухом человека. Звук записывается на двух дорожках для достижения стереоэффекта.

Несложные вычисления показывают (44 100 отсчетов в секунду * 2 байта * 2 канала), что одна секунда звука описывается 176 400 байтами с соответствующей скоростью передачи данных 176.4 КБ/с. Односкоростной накопитель CD-ROM передает данные именно с такой скоростью, но часть потока данных содержит информацию для исправления ошибок, что уменьшает эффективную скорость передачи данных до 150 КБ/с. Компакт-диск может хранить 74 минуты закодированных данных стереозвука, что с учетом служебных потерь на обнаружение и исправление ошибок дает стандартную емкость компакт-диска 680 МБ. В таблице приведены все рассмотренные параметры.

Скорость вращения

Постоянная линейная скорость

Первое поколение односкоростных накопителей CD-ROM опиралось на конструкцию плейеров звуковых CD. Для вращения диска применялась технология постоянной линейной скорости (Constant Linear Velocity - CLV), т.е. диск вращался так же, как звуковой CD, что обеспечивало скорость передачи данных 150 КБ/с. Дорожка данных должна проходить под головкой считывания с одной и той же скоростью на внутренних и внешних частях диска. Для этого приходится изменять скорость вращения диска в зависимости от позиции головки. Чем ближе к центру диска, тем более быстрее должен вращаться диск, чтобы обеспечить постоянный поток данных. Скорость вращения диска в плейерах звуковых CD составляет от 210 до 540 об/мин.

Поскольку на внешнем краю диска имеется больше секторов, чем в центре, в технологии CLV используется серво-двигатель, который замедляет скорость вращения диска при переходе на внешние дорожки, чтобы поддерживать постоянную скорость передачи данных от лазерной головки считывания. Внутренняя буферная память накопителя управляет скоростью вращения, используя кварцевый генератор для тактирования данных на выходе буфера с определенной скоростью и поддержания буфера заполненным на 50%, когда в него считываются данные. Если данные считываются слишком быстро, порог заполнения 50% превышается и посылается команда замедления скорости вращения шпиндельного двигателя.

Если звуковые CD необходимо считывать с постоянной скоростью, то такое требование для дисков CD-ROM совсем не обязательно. По существу, чем быстрее считываются данные, тем лучше. По мере совершенствования технологии CD-ROM скорость постоянно повышалась и в 1998 г. появились накопители с 32-кратной скоростью передачи данных в 4.8 МБ/с.

Например, четырехскоростной накопитель, использующий технологию CLV, должен вращать диск со скоростью около 2120 об/мин при считывании внутренних дорожек и 800 об/мин при считывании внешних дорожек. Переменная скорость вращения необходима также при считывании звуковых данных, которые всегда считываются с постоянной скоростью (150 КБ/с) независимо от скорости передачи компьютерных данных. Важнейшими факторами в накопителях с переменной скоростью вращения диска являются качество шпиндельного двигателя, вращающего диск, и программа, которая управляет работой накопителя, а также система позиционирования, которая должна быстро и точно перемещать головку считывания в нужную позицию для доступа к данным. Простого повышения скорости вращения недостаточно.

Еще одним фактором оказывается уровень использования времени центрального процессора: при повышении скорости вращения и, следовательно, скорости передачи данных, увеличивается и то время, которое процессор должен расходовать на обработку данных от накопителя CD-ROM. Если одновременно время процессора требуют и другие задачи, то накопителю CD-ROM доступны меньшие возможности обработки данных и скорость передачи данных будет снижаться. Правильно спроектированный накопитель CD-ROM должен минимизировать время использования процессора при заданных скорости вращения и скорости передачи данных. Ясно, что внутренняя производительность быстрого накопителя должна быть больше, чем у медленного.

Для накопителей CD-ROM всегда приводится емкость буфера данных. Конечно, буфер емкостью 1 МБ определенно лучше буфера емкостью 128 КБ с точки зрения скорости передачи данных. Однако без хорошей программы управления накопителем незначительное повышение производительности почти не оправдывает расходов на дополнительную буферную память.

Постоянная угловая скорость

Технология CLV оставалась доминирующей технологией накопителей CD-ROM до тех пор, пока компания Pioneer, выпустившая первый четырех-скоростной накопитель, не выпустила в 1996 г. десяти-скоростной накопитель DR-U10X. Этот накопитель работал не только в режиме с обычной постоянной линейной скоростью, но и в режиме с постоянной угловой скоростью (Constant Angular Velocity - CAV). В этом режиме накопитель передает данные с переменной скоростью, а шпиндельный двигатель вращается с постоянной скоростью, как жесткий диск.

На общую производительность сильное влияние оказывает время доступа (access time). По мере повышения скорости CLV-накопителя время доступа часто ухудшается, так как труднее обеспечить резкие изменения скорости вращения шпиндельного двигателя, необходимые для поддержания постоянной и высокой скорости передачи данных из-за инерции самого диска. В CAV-накопителе поддерживается постоянная скорость вращения, что повышает скорость передачи данных и снижает время поиска, когда головка перемещается к внешнему краю. Если в первых CLV-накопителях время доступа составляло 500 мс, то в современных CAV-накопителях оно уменьшилось до 100 мс.

Революционная конструкция накопителя компании Pioneer позволяла работать в режимах CLV и CAV, а также в смешанном режиме. В смешанном режиме режим CAV применялся для считывания вблизи центра диска, а при подходе головки к внешнему краю накопитель переключался в режим CLV. Накопитель компании Pioneer означал конец эры накопителей только с режимом CLV и переход к так называемым накопителям Partial CAV как основному виду накопителей Cd-ROM.

Такое положение сохранялось до разработки нового поколения цифровых сигнальных процессоров (Digital Signal Processor - DSP), которые могли обеспечить 16-кратную скорость передачи данных, и осенью 1997 г. компания Hitachi выпустила первый накопитель CD-ROM, использующий только технологию CAV (Full CAV). В нем были преодолены многие проблемы накопителей Partial CAV, в частности, необходимость контролировать позицию головки и изменять скорость вращения для поддержания постоянной скорости передачи данных и поддерживать примерно постоянное время доступа. В новом накопителе не требовалось ожидать успокоения скорости вращения шпиндельного двигателя между переходами.

Большинство 24-скоростных Full CAV накопителей CD-ROM в конце 1997 г. использовало постоянную скорость вращения диска 5000 об/мин со скоростью передачи данных 1.8 МБ/с в центре и повышением ее до 3.6 МБ/с на внешнем краю. К лету 1999 г. была достигнута 48-кратная скорость передачи данных с внешней дорожки в 7.2 МБ/с при скорости вращения диска 12 000 об/мин, которая соответствовала скорости вращения многих скоростных жестких дисков.

Однако при вращении диска с такой высокой скоростью возникли проблемы чрезмерного шума и вибрации часто в виде свистящего звука, вызываемого выбрасыванием воздуха из корпуса накопителя. Поскольку диск CD-ROM зажат в центре, самая сильная вибрация возникает на внешнем краю диска, т.е. там, где скорость передачи данных максимальна. Так как только в небольшом числе CD-ROM данные хранятся на внешнем краю, большинство скоростных накопителей на практике редко обеспечивали теоретическую максимальную скорость передачи данных.

Применения

Вскоре возник вопрос о том, какие приложения используют достоинства скоростных накопителей CD-ROM. Большинство мультимедийных дисков были оптимизированы на использование 2-скоростных и, в лучшем случае, 4-скоростных накопителей. Если видео записано так, чтобы воспроизводиться в реальном времени при скорости передачи данных 300 КБ/с, то превышать двукратную скорость не нужно. Иногда более быстрый накопитель мог быстро считывать информацию в буферный кэш, откуда затем она воспроизводилась, освобождая накопитель для другой работы, но этот прием применялся редко.

Считывание огромных изображений с дисков PhotoCD оказывается идеальным применением скоростного накопителя CD-ROM, но необходимость распаковки изображений при считывании с диска требует только 4-кратной скорости передачи данных. Фактически единственным применением, в котором действительно необходима высокая скорость передачи данных, является копирование последовательных данных на жесткий диск, т.е., другими словами, инсталлирование программных приложений.

Быстрые накопители CD-ROM оказываются действительно быстрыми только при передаче последовательных данных, но не произвольном доступе. Идеальным применением для высокой продолжительной скорости передачи данных является высококачественное цифровое видео, записанное с соответствующей высокой скоростью. Видео стандарта MPEG-2, реализованное в цифровых универсальных дисках (Digital Versatile Disc - DVD), требует скорости передачи примерно 580 КБ/с, а стандарт MPEG-1 согласно Белой Книге для VideoCD требует скорость всего 170 КБ/с. Таким образом, стандартный CD-ROM емкостью 660 МБ будет считан всего за 20 минут, поэтому высококачественное видео будет иметь практический интерес только на дисках DVD со значительно большей емкостью.

Интерфейсы

Сзади накопителей CD-ROM имеются три основных подключения: питание, звуковой выход на звуковую карту и интерфейс данных.

Сейчас в большинстве накопителей CD-ROM применяется интерфейс данных IDE, который теоретически можно подключить к IDE-контроллеру, имеющемуся практически в каждом РС. Оригинальный жесткий диск с интерфейсом IDE был рассчитан на шину AT и старый интерфейс IDE позволял подключать два жестких диска - ведущий (master) и ведомый (slave). Впоследствии спецификация ATAPI разрешила одному из них стать накопителем IDE CD-ROM drive. Интерфейс EIDE сделал еще один шаг вперед, добавив второй канал IDE еще для двух устройств, которыми могли быть жесткие диски, накопители CD-ROM и ленточные накопители.

Работа с одним из этих устройств должна быть закончена до обращения к любому другому устройству. Подключение накопителя CD-ROM к тому же каналу, к которому подключен жесткий диск, снизит производительность РС, так как более медленный накопитель CD-ROM будет блокировать обращения к жесткому диску. В РС с двумя жесткими дисками IDE накопитель CD-ROM необходимо изолировать, подключая его ко вторичному каналу IDE, а жесткие диски следует подключить как ведущий и ведомый к первичному каналу. Жесткие диски будут конкурировать друг с другом, но без участия медленного накопителя CD-ROM. Недостаток интерфейса EIDE состоит в ограничении числа подключаемых устройств четырьмя и все устройства должны монтироваться как внутренние, поэтому возможность расширения может быть ограничена размером корпуса РС.

Стандарт SCSI-2 допускает подключение к одному хост-адаптеру до 12 устройств, которые могут быть внутренними и внешними. SCSI позволяет всем устройствам на шине быть активными одновременно, хотя передавать данные может только одно устройство. Физическая локализация данных в устройствах требует относительно много времени, поэтому пока одно устройство использует шину, любое другое устройство может позиционировать головки для производства операций считывания и записи. Новейшая спецификация Fast Wide SCSI поддерживает максимальную скорость передачи данных 20 МБ/с по сравнению со скоростью EIDE 13 МБ/с, а благодаря наличию встроенного "интеллекта" SCSI-устройства требуют меньшего внимания процессора по сравнению с IDE-устройствами.

Преимущества интерфейса SCSI по сравнению с IDE проявляются и при использовании ресурсов РС, в частности линий запросов прерываний IRQ. Из-за большого числа дополнительных карт и устройств современные РС предъявляют повышенные требования к использованию IRQ, оставляя мало места для дальнейшего расширения. Для первичного интерфейса EIDE обычно выделяется линия IRQ 14, а для вторичного IRQ 15, поэтому четыре устройства добавляются за счет двух линий прерываний. Интерфейс SCSI менее требователен к ресурсам, так как независимо от числа устройств на шине требуется только одна линия IRQ для хост-адаптера.

В общем, интерфейс SCSI предоставляет больший потенциал для расширения РС и обеспечивает лучшую производительность, но он значительно дороже интерфейса IDE. Современное предпочтение внутренним EIDE-накопителям оказывается более удобным и дешевым, чем техническое совершенство, поэтому интерфейс SCSI выбирается только для внешних накопителей CD-ROM.

Сравнение DMA и режима PIO

Традиционно в накопителях CD-ROM для передачи данных применялся программируемый ввод-вывод (Programmable Input/Output - PIO), а не прямой доступ к памяти (Direct Memory Access - DMA). Это было оправдано в первых разработках, потому что аппаратная реализация была проще и подходила для устройств с малой скоростью передачи данных. Недостаток этот способа заключается в том, что передачей данных управляет процессор. По мере повышения скорости передачи данных в накопителях CD-ROM возрастала и нагрузка на процессор, поэтому 24- и 32-скоростные накопители полностью занимали процессор в режиме PIO. Нагрузка на процессор зависит от нескольких факторов, в частности, от используемого режима PIO, схемы моста IDE/PCI в компьютере, емкости и схемы буфера накопителя CD-ROM и драйвера устройства накопителя CD-ROM.

Передача данных с использованием DMA всегда эффективнее и занимает только несколько процентов времени процессора. Здесь специальный контроллер управляет передачей данных прямо в системную память и от процессора требуется только начальное распределение памяти и минимальное квитирование (handshaking). При этом производительность зависит от устройства, а не от системы. DMA-устройства должны обеспечивать одну и ту же производительность независимо от системы, к которой они подключены. DMA давно был стандартным средством большинства SCSI-систем, но только недавно он стал широко применяться для интерфейсов и устройств IDE.

Технология TrueX

Чтобы разрешить пользователям выполнять приложения прямо с компакт-диска без передачи на жесткий диск, компания Zen Research при разработке технологии TrueX предприняла оригинальный подход для повышения производительности накопителей CD-ROM - улучшить скорость передачи данных и время доступа, а не просто вращать диск быстрее. В обычном CD-ROM используется один сфокусированный лазерный луч для считывания цифрового сигнала, закодированного дорожками крошечных питов на поверхности диска. В методе компании Zen Research применяются специализированная большая интегральная схема (Application-Specific Integrated Circuit - ASIC) для освещения нескольких дорожек, одновременного обнаружения их и параллельного считывания с дорожек. В составе ASIC имеются аналоговые интерфейсные элементы, например цифровая фазовая подстройка частоты (Digital Phase-Locked Loop - DPLL), цифровой сигнальный процессор, контроллер серво-двигателя, преобразователь параллельных данных в последовательные и интерфейс ATAPI. При необходимости можно подключить внешнюю схему интерфейса SCSI или IEEE 1394.

Расщепленный лазерный луч, используемый совместно с матрицей детекторов нескольких лучей, освещает и обнаруживает несколько дорожек. Обычный лазерный луч пропускается через дифракционную решетку, которая расщепляет его на семь дискретных лучей (такие накопители называются многолучевыми - multibeam), освещающих семь дорожек. Семь лучей подаются через зеркало на объектив и далее на поверхность диска. Фокусировка и слежение обеспечиваются центральным лучом. Три луча с каждой стороны от центра считываются матрицей детекторов, когда центральный луч находится на дорожке и сфокусирован. Отраженные лучи возвращаются по тому же тракту и направляются зеркалом на матрицу детекторов. В многолучевом детекторе имеются семь детекторов, выровненных с отражающими дорожками. Для фокусировки и слежения предусмотрены обычные детекторы.

Несмотря на то, что механические элементы накопителя CD-ROM несколько изменены (вращение диска и движение головки считывания остались теми же самыми), формат носителя диска соответствует стандарту CD или DVD, а для поиска и слежения применяется обычный подход. Технологию TrueX можно использовать в накопителях CLV и CAV, но компания Zen Research ориентируется на CLV, чтобы обеспечить постоянную скорость передачи данных для всего диска. В любом случае, более высокая скорость передачи достигается при меньшей скорости вращения диска, что снижает вибрацию и повышает надежность.

Компания Kenwood Technologies выпустила первый 40-скоростной накопитель TrueX CD-ROM в августе 1998 г., а через полгода разработала 52-скоростной накопитель. В зависимости от рабочей среды и качества носителя накопитель Kenwood 52X TrueX CD-ROM обеспечивает скорость передачи данных 6.75 - 7.8 МБ/с (45х - 52х) по всему диску. Для сравнения укажем, что обычный 48-скоростной накопитель CD-ROM обеспечивает на внутренних дорожках скорость 19х и достигает скорости 48х только на внешних дорожках. При этом его скорость вращения более чем в два раза выше по сравнению с накопителем компании Kenwood Technologies.

Стандарты CD-ROM

Чтобы разобраться в самих компакт-дисках и в том, какие накопители их могут читать, необходимо прежде всего познакомиться с форматами дисков. Обычно стандарты на CD выпускаются в виде книг с цветными обложками и сам стандарт называется по цвету обложки. Все накопители CD-ROM совместимы со стандартами Желтой Книги (Yellow Book) и Красной Книги (Red Book), а также имеют встроенные цифро-аналоговые преобразователи (Digital-to-Analog Converter - DAC), что позволяет прослушивать звуковые диски Красной Книги через наушники или звуковой выход.

Красная Книга (Red Book)

Красная Книга является самым распространенным стандартом CD и описывает физические свойства компакт-диска и кодирование цифрового звука. Он определяет:

• Спецификацию звука для 16-битовой импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation - PCM).
• Спецификацию диска, включая его физические параметры.
• Оптические стили и параметры.
• Отклонения и частоту блоковых ошибок.
• Систему модуляции и исправления ошибок.
• Систему управления и отображения.

Каждый фрагмент музыки, записанный на CD, удовлетворяет стандарту Красной Книги. Он, в основном, допускает звучание в течение 74 минут и разбиение информации на дорожки (tracks - трэки). Более позднее добавление к Красной Книге описывает опцию CD Graphics с использованием каналов субкода (subcode) от R до W. Добавление описывает различные применения каналов субкода, включая графику и MIDI.

Желтая Книга (Yellow Book) Желтая Книга выпущена в 1984 г. для описания расширения CD для хранения компьютерных данных, т.е. CD-ROM (Compact-Disc Read-Only Memory). Эта спецификация содержит следующее:

• Спецификацию диска, которая является копией части Красной Книги.
• Оптические стили и параметры (из Красной Книги).
• Систему модуляции и исправления ошибок (из Красной Книги).
• Оптические стили и параметры (из Красной Книги).
• Систему управления и отображения (из Красной Книги).
• Структуру цифровых данных, которая описывает структуру сектора, ECC и EDC для диска CD-ROM.

CD-ROM XA

Как отдельное расширение Желтой Книги спецификация CD-ROM XA содержит следующее:

• Формат диска, включая канал Q и структуру сектора при использовании секторов Режима 2.
• Структура поиска данных, опирающаяся на формат ISO 9660, включая чередование файлов, которое недоступно для Режима данных 2.
• Кодирование звука с использованием уровней В и С модуляции ADPCM.
• Кодирование видеоизображений, т.е. неподвижных изображений.

Сейчас применяются только такие форматы CD-ROM XA, как форматы CD-I Bridge для Photo CD VideoCD plus системы Playstation компании Sony.

Зеленая Книга (Green Book)

Зеленая Книга описывает диск CD-Interactive (CD-I), плейер и операционную систему и содержит следующее:

• Формат диска CD-I (структура дорожки и сектора).
• Структура поиска данных, опирающаяся на формат ISO 9660.
• Звуковые данные с использованием уровней А, В и С модуляции ADPCM.
• Кодирование в реальном времени неподвижных видеоизображений, декодер и визуальные эффекты.
• Compact Disc Real Time Operating System (CD-RTOS).
• Базовая (минимальная) спецификация системы.
• Расширение для видеофильмов (картридж MPEG и программное обеспечение).

Диск CD-I может хранить 19 часов звука, 7500 неподвижных изображений и 72 минуты полноэкранного полнодвижущегося видео (MPEG) в стандартном формате CD. Сейчас диски CD-I устарели.

Оранжевая Книга (Orange Book)

Оранжевая Книга определяет диски CD-Recordable с многосеансовой (multisession) возможностью. Часть I определяет магнитооптические перезаписываемые диски CD-MO (Magneto Optical); часть II определяет однократно записываемые диски CD-WO (Write Once); часть III определяет перезаписываемые диски CD-RW (Rewritable). Все три части содержат следующие разделы:

• Спецификация диска для незаписанных и записанных дисков.
• Pre-groove модуляция.
• Организация данных, включая связывание.
• Многосеансовые и гибридные диски.
• Рекомендации по измерению отражательной способности, управлению мощностью и др.

Белая Книга (White Book)

Белая Книга, опубликованная в 1993 г., определяет спецификации VideoCD и содержит следующее:

• Формат диска, включая использование дорожек, информационную область VideoCD, область воспроизведения сегмента, аудио/видео дорожки и дорожки CD-DA.
• Структура поиска данных, удовлетворяющая формату ISO 9660.
• Кодирование MPEG аудио/видео дорожки.
• Кодирование элемента сегмента воспроизведения для видео-последовательностей, неподвижного виде и дорожек CD-DA.
• Дескрипторы последовательности воспроизведения для запрограммированных последовательностей.
• Поля пользовательских данных для сканирования данных (допускается быстрое сканирование вперед и назад).
• Примеры последовательностей воспроизведения и управления воспроизведением.

До 70 минут полнодвижущегося видео закодированы в стандарте MPEG-1 со сжатием данных. Белая Книга называется также Digital Video (DV). Диск VideoCD содержит одну дорожку данных, записанную в режиме CD-ROM XA Mode 2 Form 2. Она всегда является первой дорожкой на диске (Track 1). На этой дорожек записываются структура файла ISO 9660 и прикладная программа CD-I, а также VideoCD Information Area, которая содержит общую информацию о диске VideoCD. После дорожки данных записывается видео на одной или нескольких последующих дорожках во время одной и той же сессии. Эти дорожки также записываются в режиме Mode 2 Form 2. Сессия закрывается после записи всех дорожек.

Синяя Книга (Blue Book)

Синяя Книга определяет спецификацию Enhanced Music CD для многосессионных прессованных дисков (т.е. незаписываемых дисков), содержащих сессии звука и данных. Диски могут воспроизводиться любым плейером звуковых компакт-дисков и на РС. Синяя Книга содержит следующее:

• Спецификация диска и формат данных, включая две сессии (звук и данные).
• Структура каталогов (ISO 9660), включая каталоги для информации CD Extra, изображения и данные. Определяются также формат информационных файлов CD Plus, форматы файлов изображений и другие коды и форматы файлов.
• Формат данных неподвижных изображений MPEG.

Компакт-диски, соответствующие спецификации Синей Книги, называются также CD-Extra или CD-Plus. Они содержат смесь данных и звука, записанных в отдельных сессиях для предотвращения воспроизведения дорожек данных и возможного повреждения высококачественных домашних стерео-систем.

CD-I Bridge

CD-I Bridge представляет собой спецификацию компаний Philips и Sony для дисков, предназначенных для воспроизведения на плейерах CD-I и в РС. Она содержит следующее:

• Формат диска, определяющий диски CD-I Bridge как удовлетворяющие спецификации CD-ROM XA.
• Структура поиска данных в соответствии с ISO 9660. Обязательно требуется прикладная программа CD-I, которая хранится в каталоге CDI.
• Кодирование звуковых данных, которое включает в себя ADPCM и MPEG.
• Кодирование видеоданных для совместимости с CD-I и CD-ROM XA.
• Многосессионная структура диска, включая адресацию секторов и пространство тома.
• Данные для CD-I, так как все плейеры CD-I должны считывать данные CD-I Bridge.

Photo CD

Спецификация Photo CD определена компаниями Kodak и Philips на основе спецификации CD-I Bridge. Она содержит следующее:

• Общий формат диска, включая компоновку программной области, индексную таблицу, дескриптор тома, область данных, перекос субкода Q-канала, клипы CD-DA и читаемые микроконтроллером секторы.
• Структуры поиска данных, включая структуру каталогов, файл INFO.PCD и систему читаемых микроконтроллером секторов.
• Кодирование данных изображений, включая описание кодирования изображений и пакеты изображений.
• Файлы ADPCM для одновременного воспроизведения звука и изображений.

Очень много информации по накопителям CD-ROM содержится на сайте http://www.cd-info.com/.