Устройства накопителей информации на оптических накопителях

Обычно, если звуковые дорожки на компакт-диске записываются по Красной книге, то весь диск должен быть записан за один сеанс. Многосеансовый режим отсутствует, и запись по фрагментам не поддерживается стандартом Красной книги. Так как область данных (2352 байт) длиннее, чем по другим стандартам, основное беспокойство при записи компакт-диска по этому стандарту вызывает скорость передачи данных.

В расширенной форме, называемой смешанным режимом, Красная  книга не устраняет все проблемы для разработчиков. Аудиоданные, отформатированные по Красной книге (в несжатой РСМ-форме), существуют отдельно от компьютерных данных, представляющих программы и изображения. Накопитель CD-ROM не может читать компьютерные данные во время обращения к аудиоинформации, и наоборот. Это приводит к проблеме синхронизации, так как трудно соответствующим образом синхронизовать аудиосегменты в области, соответствующей Красной книге, с материалами, воспроизводимыми из области расположения компьютерных данных. Считывающая головка лазера должна попеременно прыгать то вперед, то назад между двумя областями, чтобы найти и прочитать необходимые дорожки. Поэтому было разработано расширение к стандарту смешанного режима, названное CD-ROM XA. Это расширение, обсуждаемое ниже в данной главе, позволяет чередовать компьютерные данные и аудио для обеспечения более быстрого доступа к ним.

Особенности стандарта  Красной книги

Во время введения этого стандарта компакт-диск рассматривался только как средство передачи музыки в цифровом формате. Компания Sony экспериментировала с лентой для цифрового аудио и получила преобразование аналогового звука в цифровое представление, имевшее много преимуществ перед аналоговыми методами хранения информации. Исследования по оптической лазерной технологии продемонстрировали возможность точно записывать сигналы с плотностью, которая легко поддерживала требования на запись и воспроизведение аудиокомпакт-диска (44,1 Кбит/с). Намереваясь избежать проблем, которые могли возникнуть в связи с появлением лазерных видеодисков, компании Sony и Philips выработали стратегию по унификации и стандартизации требований к данным для компакт-дисков, чтобы все плееры могли хорошо воспроизводить любой компакт-диск. И их стратегия заработала.

Аудиоданные, согласно Красной  книге, разделяются на дорожки (максимум 99 дорожек на диске). Содержимое каждой дорожки может представлять одну песню, либо 10-минутную речь, либо 30-секундный звуковой клип переговоров дельфинов. Эти дорожки находятся на непрерывной спирали на поверхности диска, начинаясь в области у оси диска, где таблица содержания указывает местонахождение каждой дорожки. В адресе указываются код времени, задающий минуты, секунды и номер сектора для точного указания начала дорожки.

Секторы (иногда называемые блоками) можно читать со скоростью 75 секторов в 1 с. Другими словами, блок содержит 1/75 с воспроизведения аудиоданных. Аудиоданные всегда воспроизводятся накопителями CD-ROM на стандартной скорости (150 Кбайт/с) даже на накопителях, поддерживающих 2-, 4- или 6-кратную скорость.

Красная книга затем  каждый сектор делит на группу кадров. Каждый сектор содержит 98 кадров, а каждый кадр - 24 байт. Метод, известный как EFM (Eight-to-Fourteen Modulation - модуляция 8-14), используется для кодирования цифровых выборок аудиоволн в ряд переходов, наносимых на поверхность диска с образованием впадин и выступов (гл. 2). При воспроизведении эти данные декодируются обратно в цифровое представление аудиосигнала, которое затем пропускается через аналого-цифровой преобразователь, посылающий сигналы на динамики.

Цифровая выборка образует основу любой аудиоинформации, хранимой на компакт-диске. Для точного представления характеристик всех звуковых волн в диапазоне слышимости человека (приблизительно от 20 до 20000 Гц) была использована теорема Найквиста, по которой частота выборки должна вдвое превышать наивысшую частоту записываемого сигнала. Таким образом, чтобы охватить все особенности волновой картины, частота выборки была взята равной 44100 Гц. В каждой точке выборки записывается 16-разрядное число, соответствующее значению волновой картины в данный момент, при этом может быть обеспечено максимум 65536 дискретных значений. Такой уровень разрешения позволяет гладко и точно воспроизводить звуковые волны. Комбинация указанных двух элементов - частота выборки 44,1 кбит/с и 16-разрядные значения каждого отсчета - называется звуком CD-качества.

Когда WAV-файлы, оцифрованные с частотой, меньшей 44,1 кбит/с, переносятся на компакт-диск, они сначала должны быть преобразованы в формат, соответствующий 44,1 кбит/с. Многие из программных приложений для CD-R включают утилиту такого преобразования.

Методы коррекции  ошибок

Хотя Красная книга  не рассматривает коррекцию слишком  изощренных ошибок (так как реально  этого не требуется для аудиоданных), она определяет схему коррекции CIRC (Cross-Interleaved Reed-Solomon Code - перекрестный перемежающийся код Рида-Соломона), которая может обнаружить и исправить до 220 испорченных кадров в каждом секторе. CIRC рассматривается как схема коррекции ошибок первого уровня, и она достаточна для компенсации мелких царапин и других мелких дефектов поверхности диска.

Красная книга также  рассматривает и более существенные ошибки, определяя методы для аппроксимации любых ошибочных данных, к которым нельзя применить CIRC. В действительности данные такого рода восстанавливаются либо путем копирования значений, соответствующих предыдущим данным с заполнением места испорченных данных значениями, усредненными по значениям, находящимся с каждой стороны от испорченных данных, либо полным заглушением испорченных данных. В любом из таких случаев, так как речь идет о времени в несколько миллисекунд, человек, вероятно, не услышит результатов коррекции.

 
Аудиокорни CD-ROM

Без аудиоСD не было бы и CD-ROM. Эта технология была создана  компаниями Sony и Philips и внедрена в промышленность в 80-х годах.

Первая работа, сделанная Sony и Philips, первоначально использовала преимущества цифровой записи музыки, что было более легкой задачей, чем  цифровая запись компьютерных данных. Цифровое представление звуковых волн композиции Эрика Клэптона для гитары или мелодии синтезатора, исполняемой Питером Гэбриэлем, не требует полной свободы от ошибок. Если несколько битов испортятся здесь или там, есть шансы, что вы даже не почувствуете этого при воспроизведении. Цифровые же компьютерные данные требуют абсолютной точности. Компьютерные данные часто состоят из инструкций, которые непосредственно управляют работой компьютерного процессора. Выпадание даже только одного бита из инструкции может изменить в корне ее природу. Вместо выполнения логической операции OR (или) над содержимым двух внутренних регистров, например, процессор может внезапно выполнить команду RESET (сбросить) и прекратить работу. В результате программа, запущенная на компьютере, может вызвать фатальный сбой.

На первой волне энтузиазма, вызванной успехом осуществления цифровой записи на компакт-диске, исследователи компаний Sony и Philips заметили, что частота возникновения ошибок в записанных цифровых данных была чрезвычайно низкой. Вскоре они осознали, что если такая низкая частота возникновения ошибок будет поддерживаться и в процессе изготовления и тиражирования, то компакт-диски можно было бы легко адаптировать для хранения данных, так же как и для оцифрованной музыки. Из этого простого открытия родился CD-ROM, и в дополнение к аудиостандартам Красной книги были разработаны стандарты Желтой книги.

Желтая книга, называемая также стандартом на CD-ROM, открыла  компакт-диск в качестве носителя для хранения компьютерных данных (в противоположность просто аудиоинформации). Формат физического сектора был модифицирован и включал дополнительные поля для коррекции ошибок. Желтая книга также определяет методы хранения и поиска данных. Стандарт смешанного режима - расширение Красной и Желтой книг - комбинирует аудио (в формате Красной книги) с компьютерными данными. Последующее расширение CD-ROM XA чередует аудио, видео и компьютерные данные для обеспечения более быстрого доступа.

Особенности стандарта  Желтой книги

В 1983 г. специалисты компаний Sony и Philips предложили использовать компакт-диск - их создание для хранения цифровой музыки - для хранения данных. Последовавшие за этим дискуссии и заседания комитета сразу привели к рождению CD-ROM в той форме, которую мы знаем сегодня. Коррекция ошибок была сделана более устойчивой, что было очень важно для носителя, где любой испорченный бит мог привести к фатальной ошибке в программе (в отличие от незначительных "хлопков", в худшем случае, на звуковой дорожке). Хранение данных также предполагает и их извлечение, что привело к созданию некоторой системы быстрой индексации и обнаружения данных. В Желтой книге это тоже учтено.

 
Желтая книга определяет следующую  четырехслойную архитектуру: 
         Слои 0. Идентичен определению битовой структуры в Красной книге.

Слои 1. Определяет раскладку сектора, включая обнаружение и коррекцию ошибок.

Слой 2. Определяет логическую организацию сектора. Установленная  в терминах физической раскладки  сектора, логическая организация обеспечивает гибкость в настройке размеров сектора для обеспечения соответствия требованиям определенных типов программных продуктов.

Слой 3. Представляет логическую организацию файлов для стандартизации доступа к файлам с различных компьютерных платформ. Стандарт ISO 9660 предлагает такой метод организации, который широко поддерживается разработчиками CD-ROM.

Расширенная архитектура  Желтой книги

Большие корпорации и  правительственные агентства нашли CD-ROM очень удобным хранилищем вместо тонн бумажных документов, которые  они ранее хранили в шкафах или ящиках столов в виде подшивок, и поэтому сначала CD-ROM в основном использовались для хранения текстов и баз данных. Первая редакция стандарта Желтой книги хорошо соответствовала как раз для большинства из указанных типов приложений. Хранение и извлечение текста, однако, не могли удовлетворить запросы разработчиков, которые искали новые пути применения компакт-дисков, что приводило к новым методам хранения аудио и видео, отличающимся от стандарта Красной книги. Разработчики обнаружили, что трудно воспроизводить одновременно компьютерное приложение и извлекать аудиоданные из области, записанной по Красной книге. Считывающая головка лазера должна была охватывать слишком большую площадь для извлечения данных. Звуковая дорожка часто воспроизводилась несинхронно с анимацией или видеоклипом, так что губы двигались, а слова не вылетали, или дикторский текст отставал от событий на экране на несколько секунд. Мультимедиа-презентации воспроизводились как плохо скопированные иностранные фильмы.

В это время компания Microsoft вступила в переговоры с Sony и Philips и предложила стандарт CD-ROM XA, который был введен в 1989 г. Первичное расширение CD-ROM XA охватывает переопределение физических секторов для включения специальной формы сжатого аудио. Аудио в этом формате могло размещаться между компьютерными данными, управляющими приложением, - располагаясь на прилегающих секторах, - и к чередующимся аудио и данным можно было теперь обращаться гораздо быстрее. Теперь слова стекали с губ на экране в полном соответствии, а музыкальное крещендо в конце презентационной игры звучало точно по сигналу до финального грохота тарелок.

Компакт-диски, использующие расширенный стандарт, не могли бы сразу воспроизводиться на существующих накопителях CD-ROM. Многие изготовители не видели причины производить ХА-совместимые накопители, потому что для них не было разработано программное обеспечение, а разработчики продуктов на CD-ROM не хотели тратить время и усилия на производство ХА-совместимых произведений, потому что никакие накопители не могли их прочитать.

Сейчас ситуация сильно изменилась, и XA-совместимость стала банальностью. Если разрабатывать приложение, не требующее экстенсивного использования мультимедиа, то мастер-диск CD-ROM можно создавать, используя стандарт Желтой книги. Большинство CD-ROM действительно изготавливаются в границах этого стандарта. Если вы захотите оптимизировать работу для воспроизведения мультимедиа, то, вероятно, попытаетесь использовать соглашения XA. Однако имейте в виду, что этим самым вы сузите рамки вашей аудитории до тех пор, пока ХА-совместимость не станет универсальной.

Сжатая форма хранения аудиоданных (ADPCM), используемая по стандарту CD-ROM XA, позволяет записывать очень длинные монофонические аудиосегменты. Жертвуя некоторым динамизмом звука CD-качества (но получая при этом все же качество выше, чем типичные передачи АМ-радио), можно создать звуковой диск длительностью до 18 ч. Великолепной реализацией этой возможности могли бы быть книги на диске - вместо звуковых книг, распространяемых на кассетах несколькими компаниями. Если эту возможность обеспечить хорошим программным продуктом по навигации голосом, то можно было бы создавать интерактивные справочники или звуковые книги на диске для физически неполноценных людей. Для разработчиков, ищущих достойный уважения проект, этот проект мог бы стать идеальным.

Расширенная версия Желтой книги признает два разных режима хранения данных.

Mode 1 зарезервирован для наиболее чувствительных компьютерных данных, отвечает за схемы коррекции ошибок, введенные в Красной книге (EDC и ЕСС), но увеличивает значение ЕСС на конце сектора до 276 байт для обеспечения более точной коррекции, 12-разрядное поле синхронизации и 4-разрядный заголовок в начале сектора позволяют накопителю CD-ROM идентифицировать и запирать информацию, содержащуюся внутри сектора. Заголовки и поля коррекции ошибок уменьшают доступную область хранения данных в секторе до 2048 байт.

Mode 2 предназначенный для менее критичных типов данных (где бит или два могут быть пропущены без угрозы сбоя программы), использует схему коррекции CIRC.

Особенности стандарта  Зеленой книги

Компания Philips ввела Зеленую  книгу для обеспечения соответствия ожидаемого потока аппаратуры CD-I и  приложений. Шлюзы еще только должны быть открыты. Зеленая книга аналогична во многом CD-ROM ХА и позволяет чередовать аудио и видео на дорожках данных. Операционная система, связанная с воспроизведением CD-I-диска, называется CD-RTOS.

Так как таблица содержания не включает CD-I-дорожку, присутствие  такой дорожки надежно скрывается от аудиоплеера. Таким образом, ayдиoCD-плеер никогда не встречает дорожку с компьютерными данными и поэтому обращается с такими дисками без "пронзительного визга", который он бы в противном случае издавал, обнаруживая компьютерные данные вместо аудио.