CD-ROM -
CD-ROM

Från Wikipedia, den fria encyklopedin
.

Historia

Under 1990-talet användes CD-ROM-skivor populärt för att distribuera programvara och data för datorer och femte generationens videospelskonsoler . Vissa cd-skivor, kallade förbättrade cd-skivor , innehåller både datordata och ljud med det senare som kan spelas på en cd-spelare , medan data (som programvara eller digital video) bara kan användas på en dator (som ISO 9660- format PC-cd- ROM).

Det tidigaste teoretiska arbetet med optisk skivlagring gjordes av oberoende forskare i USA inklusive David Paul Gregg (1958) och James Russel (1965–1975). I synnerhet användes Greggs patent som grunden för LaserDisc- specifikationen som utvecklades tillsammans mellan MCA och Philips efter att MCA köpte Greggs patent, liksom företaget han grundade, Gauss Electrophysics. LaserDisc var den omedelbara föregångaren till CD:n, med den primära skillnaden var att LaserDisc kodade information genom en analog process medan CD:n använde digital kodning.

Nyckelarbete för att digitalisera den optiska skivan utfördes av Toshi Doi och Kees Schouhamer Immink under 1979–1980, som arbetade på en arbetsgrupp för Sony och Phillips. Resultatet blev Compact Disc Digital Audio (CD-DA), definierad 1980. CD-ROM-skivan designades senare som en förlängning av CD-DA, och anpassade detta format för att hålla alla former av digital data, med en initial lagringskapacitet på 553 MB . Sony och Philips skapade den tekniska standarden som definierar formatet på en CD-ROM 1983, i det som kom att kallas Gula boken . En av en uppsättning färgbundna böcker som innehåller de tekniska specifikationerna för alla CD-format, Yellow Book anger ett format för skivor med en maximal kapacitet på 650 MB. CD-ROM-skivan tillkännagavs 1984 och introducerades av Denon och Sony vid den första japanska COMDEX-datormässan 1985.

cd-rom
CD-ROM.png
En traditionell CD-ROM
Mediatyp Optisk skiva
Kodning Olika
Kapacitet 194 MB (8 cm), 650–900 MB (12 cm)
Läs
 
mekanism
600-780 nm laserdiod, 150 KB/s (1×; 150 × 2 10 ), 10 800 KB/s (72×)
Skriv
 
mekanism
Pressad form
Standard ISO/IEC 10149
Användande Datalagring

CD-ROM började användas i videospelskonsoler för hemmet från och med PC Engine CD-ROM² (TurboGrafx-CD) 1988, medan CD-ROM-enheter också hade blivit tillgängliga för hemdatorer i slutet av 1980-talet. I början av 1990 såldes cirka 300 000 CD-ROM-spelare i Japan, medan 125 000 CD-ROM-skivor producerades varje månad i USA. 1990 demonstrerade Data East ett arkadsystemkort som stöder CD-ROM, liknande 1980-talets laserdisc-videospel men med digital data, vilket ger mer flexibilitet än äldre laserdisc-spel.

CD-ROM-skivor

Media

En CD-ROM i facket på en delvis öppen DVD-ROM-enhet.

CD-ROM-skivor är identiska till ljud- CD-skivor till utseendet , och data lagras och hämtas på ett mycket liknande sätt (endast skiljer sig från ljud-CD-skivor i de standarder som används för att lagra data). Skivor är gjorda av en 1,2 mm tjock skiva av polykarbonat plast , med ett tunt skikt av aluminium för att göra en reflekterande yta. Den vanligaste storleken på CD-ROM är 120 mm i diameter, även om den mindre Mini CD- standarden med en diameter på 80 mm, samt formade cd-skivor i många icke-standardiserade storlekar och formar (t.ex. media i visitkortsstorlek ), finns också tillgängliga.

Data lagras på skivan som en serie mikroskopiska fördjupningar som kallas "gropar", med de icke-indragna utrymmena mellan dem som kallas "land". En laser lyser på skivans reflekterande yta för att avläsa mönstret av gropar och landningar. Eftersom djupet hos groparna är ungefär en 00:45 sjättedel av våglängden hos laserljuset som används för att läsa skivan, den reflekterade strålen är fas skiftas i förhållande till den inkommande strålen, vilket orsakar destruktiv interferens och reducera den reflekterade strålens intensitet. Detta omvandlas till binär data.

Standard

Flera format används för data som lagras på cd-skivor, så kallade Rainbow Books . The Yellow Book , publicerad 1988, definierar specifikationerna för CD-ROM-skivor, standardiserade 1989 som ISO / IEC 10149/ ECMA- 130-standarden. CD-ROM-standarden bygger på den ursprungliga Red Book CD-DA- standarden för CD-ljud. Andra standarder, som White Book for Video CDs , definierar ytterligare format baserat på CD-ROM-specifikationerna. Själva Gula Boken är inte fritt tillgänglig, men standarderna med motsvarande innehåll kan laddas ner gratis från ISO eller ECMA.

Det finns flera standarder som definierar hur man strukturerar datafiler på en CD-ROM. ISO 9660 definierar standard filsystemet för en CD-ROM. ISO 13490 är en förbättring av denna standard som lägger till stöd för icke-sekventiell skrivning en gång och omskrivbara skivor som CD-R och CD-RW , såväl som flera sessioner . ISO 13346-standarden utformades för att åtgärda de flesta av bristerna i ISO 9660, och en delmängd av den utvecklades till UDF- formatet, som användes för DVD-skivor . Den startbara CD-specifikationen utfärdades i januari 1995, för att få en CD att efterlikna en hårddisk eller diskett , och kallas El Torito .

CD-ROM-format

Data som lagras på CD-ROM-skivor följer standardtekniken för CD-datakodning som beskrivs i Red Book- specifikationen (ursprungligen definierad endast för ljud-CD ). Detta inkluderar korsinterfolierad Reed–Solomon-kodning (CIRC), åtta-till-fjorton-modulering (EFM) och användningen av gropar och landningar för att koda bitarna till CD:ns fysiska yta.

Strukturerna som används för att gruppera data på en CD-ROM härrör också från Red Book . Liksom ljud-CD-skivor (CD-DA), innehåller en CD-ROM- sektor 2 352 byte med användardata, sammansatt av 98 ramar, var och en bestående av 33 byte (24 byte för användardata, 8 byte för felkorrigering och 1 byte för underkod). Till skillnad från ljud-CD-skivor, motsvarar data som lagras i dessa sektorer alla typer av digitala data, inte ljudprover kodade enligt ljud-CD-specifikationen. För att strukturera, adressera och skydda dessa data, definierar CD-ROM-standarden ytterligare två sektormoder, Mode 1 och Mode 2, som beskriver två olika layouter för data i en sektor. Ett spår (en grupp av sektorer) inuti en CD-ROM innehåller bara sektorer i samma läge, men om flera spår finns på en CD-ROM kan varje spår ha sina sektorer i ett annat läge än resten av spåren. De kan också samexistera med ljud-CD-spår, vilket är fallet med CD-skivor med blandat läge .

Sektorstruktur

Både Mode 1- och 2-sektorerna använder de första 16 byten för huvudinformation , men skiljer sig i de återstående 2 336 byten på grund av användningen av felkorrigeringsbytes . Till skillnad från en ljud-CD kan en CD-ROM inte förlita sig på feldöljande genom interpolation ; det krävs en högre tillförlitlighet för den hämtade datan. För att uppnå förbättrad felkorrigering och detektering lägger läge 1, som mest används för digital data, till en 32-bitars cyklisk redundanskontroll (CRC)-kod för feldetektering, och ett tredje lager av Reed–Solomon-felkorrigering med en Reed-Solomon-produkt- som kod (RSPC). Mod 1 innehåller därför 288 byte per sektor för feldetektering och korrigering, vilket lämnar 2 048 byte per sektor tillgängliga för data. Läge 2, som är mer lämpligt för bild- eller videodata (där perfekt tillförlitlighet kan vara lite mindre viktig), innehåller inga ytterligare feldetekterings- eller korrigeringsbytes, och har därför 2 336 tillgängliga databyte per sektor. Observera att båda lägena, liksom ljud-CD-skivor, fortfarande drar nytta av de lägre lagren av felkorrigering på ramnivå.

Innan de lagras på en skiva med de tekniker som beskrivs ovan, krypteras varje CD-ROM-sektor för att förhindra att några problematiska mönster dyker upp. Dessa kodade sektorer följer sedan samma kodningsprocess som beskrivs i Röda boken för att slutligen lagras på en CD.

Följande tabell visar en jämförelse av strukturen för sektorer i CD-DA och CD-ROM:

Formatera ← 2 352 byte sektorstruktur →
CD digitalt ljud: 2 352 (Digitalt ljud)
CD-ROM-läge 1: 12 (synkroniseringsmönster) 3 (adress) 1 (läge, 0x01) 2 048 (Data) 4 (felidentifiering) 8 (Reserverad, noll) 276 (felkorrigering)
CD-ROM-läge 2: 12 (synkroniseringsmönster) 3 (adress) 1 (läge, 0x02) 2 336 (Data)

Nettobytehastigheten för en Mode-1 CD-ROM, baserat på jämförelse med CD-DA-ljudstandarder, är 44 100 Hz × 16 bitar/sampel × 2 kanaler × 2 048 / 2 352 / 8 = 150 KB/s (150 × 2 10 ) . Detta värde, 150 KB/s, definieras som "1× hastighet". Därför, för CD-ROM-skivor av läge 1, läser en 1× CD-ROM-enhet 150/2 = 75 på varandra följande sektorer per sekund.

Speltiden för en vanlig CD är 74 minuter, eller 4 440 sekunder, indelad i 333 000 block eller sektorer . Nettokapaciteten för en Mode-1 CD-ROM är därför 650 MB (650 × 2 20 ). För 80 minuters CD-skivor är kapaciteten 703 MB.

CD-ROM XA förlängning

CD-ROM XA är en förlängning av Yellow Book- standarden för CD-ROM-skivor som kombinerar komprimerad ljud-, video- och datordata, vilket gör att alla kan nås samtidigt. Den var tänkt som en brygga mellan CD-ROM och CD-i ( Green Book ) och publicerades av Sony och Philips , och stöddes av Microsoft , 1991, tillkännagavs först i september 1988. "XA" står för eXtended Architecture.

CD-ROM XA definierar två nya sektorlayouter, kallade Mode 2 Form 1 och Mode 2 Form 2 (som skiljer sig från den ursprungliga Mode 2). XA Mode 2 Form 1 liknar Mode 1-strukturen som beskrivs ovan och kan interfoliera med XA Mode 2 Form 2-sektorer; den används för data. XA Mode 2 Form 2 har 2 324 byte med användardata och liknar standard Mode 2 men med feldetekteringsbytes tillagda (även om ingen felkorrigering). Den kan interfoliera med XA Mode 2 Form 1-sektorer, och den används för ljud-/videodata. Video-CD , Super Video CD , Photo CD , Enhanced Music CD och CD-i använder dessa sektorlägen.

Följande tabell visar en jämförelse av strukturen för sektorer i CD-ROM XA-lägen:

Formatera ← 2 352 byte sektorstruktur →
CD-ROM XA Mode 2, Form 1: 12 (synkroniseringsmönster) 3 (adress) 1 (läge) 8 (underrubrik) 2 048 (Data) 4 (felidentifiering) 276 (felkorrigering)
CD-ROM XA Mode 2, Form 2: 12 (synkroniseringsmönster) 3 (adress) 1 (läge) 8 (underrubrik) 2 324 (Data) 4 (felidentifiering)

Skivbilder

.

På en 74-minuters CD-R är det möjligt att få plats med större skivbilder med råläge, upp till 333 000 × 2 352 = 783 216 000 byte (~747 MB). Detta är den övre gränsen för råbilder skapade på en 74 min eller ≈650 MB Red Book CD. Ökningen på 14,8 % beror på att felkorrigeringsdata förkastas.

Tillverkning

Förpressade CD-ROM-skivor massproduceras genom en stämplingsprocess där en masterskiva av glas skapas och används för att göra "stämplare", som i sin tur används för att tillverka flera kopior av den slutliga skivan med groparna redan närvarande. Inspelningsbara ( CD-R ) och omskrivbara ( CD-RW ) skivor tillverkas med en annan metod, varvid data spelas in på dem med en laser som ändrar egenskaperna hos ett färgämne eller fasövergångsmaterial i en process som ofta kallas för " brinnande ".

Kapacitet

En cd-rom kan enkelt lagra alla ord och bilder i ett pappersuppslagsverk, plus ljud- och videoklipp

CD-ROM-kapacitet uttrycks normalt med binära prefix , subtraherar utrymmet som används för felkorrigeringsdata. En standard 120 mm, 700 MB CD-ROM kan faktiskt innehålla cirka 703 MB data med felkorrigering (eller 847 MB ​​totalt). Som jämförelse kan en DVD-ROM med ett lager innehålla 4,7 GB (4,7 × 10 9 ) felskyddad data, mer än 6 CD-ROM-skivor.

Kapacitet för CD-typer (90 och 99 minuters skivor är inte standard)
Typ Sektorer Data (läge 1) max. storlek Ljud max. storlek Tid
( MB ) Cirka. (1 = 2 20 ) (MB) ( min )
8 cm 94 500 193,536 184.570 222,264 21
283 500 580,608 553.711 666.792 63
650 MB 333 000 681.984 650,391 783,216 74
700 MB 360 000 737.280 703.125 846.720 80
800 MB 405 000 829,440 791.016 952.560 90
900 MB 445 500 912.384 870,117 1 047,816 99
Obs: megabyte (MB) och minut (min) värden är exakta; (1 = 2 20 ) värden är ungefärliga.

CD-ROM-enheter

En vy av en CD-ROM-enhets demonterade lasersystem
Laserns rörelse möjliggör läsning i vilken position som helst på CD-skivan
Lasersystemet för en CD-ROM-enhet

CD-ROM-skivor läses med CD-ROM-enheter. En CD-ROM-enhet kan anslutas till datorn via ett IDE ( ATA ), SCSI , SATA , FireWire eller USB- gränssnitt eller ett proprietärt gränssnitt, såsom Panasonic CD-gränssnitt , LMSI/Philips, Sony och Mitsumi-standarder. Praktiskt taget alla moderna CD-ROM-enheter kan även spela ljud-CD-skivor (liksom video-CD-skivor och andra datastandarder) när de används med rätt programvara.

Laser och optik

CD-ROM-enheter använder en nära- infraröd 780 nm laserdiod . Laserstrålen riktas mot skivan via en opto-elektronisk spårningsmodul, som sedan känner av om strålen har reflekterats eller spridits.

Överföringshastigheter

Ursprunglig hastighet

CD-ROM-enheter är klassade med en hastighetsfaktor i förhållande till musik-CD-skivor. Om en CD-ROM läses med samma rotationshastighet som en ljud-CD är dataöverföringshastigheten 150 KB/s, vanligen kallad "1×" (med konstant linjär hastighet, kort "CLV" ). Vid denna datahastighet rör sig spåret under laserpunkten med cirka 1,2 m/s. För att bibehålla denna linjära hastighet när det optiska huvudet rör sig till olika positioner, varieras vinkelhastigheten från cirka 500 rpm vid den inre kanten till 200 rpm vid den yttre kanten. Hastigheten 1× för CD-ROM (150 KB/s) skiljer sig från 1× hastighetsklassificeringen för DVD-skivor (1,32 MB/s).

Hastighetsförhöjningar

Genom att öka hastigheten med vilken skivan snurras kan data överföras med högre hastigheter. Till exempel snurrar en CD-ROM-enhet som kan läsa med 8× hastighet skivan med 1600 till 4000 rpm, vilket ger en linjär hastighet på 9,6 m/s och en överföringshastighet på 1200 KB/s. Över 12× hastighet läser de flesta enheter med konstant vinkelhastighet (CAV, konstant rpm) så att motorn inte ändras från en hastighet till en annan när huvudet söker sig från plats till plats på skivan. I CAV-läge anger "×"-talet överföringshastigheten vid skivans ytterkant, där den är ett maximum. 20× ansågs vara den maximala hastigheten på grund av mekaniska begränsningar tills Samsung Electronics introducerade SCR-3230, en 32x CD-ROM-enhet som använder ett kullagersystem för att balansera den snurrande skivan i enheten för att minska vibrationer och buller. Från och med 2004 är den snabbaste överföringshastigheten som vanligtvis finns cirka 52× eller 10 400 rpm och 7,62 MB/s. Högre spinnhastigheter begränsas av styrkan hos polykarbonatplasten som skivorna är gjorda av. Vid 52× är den linjära hastigheten för den yttersta delen av skivan cirka 65 m/s. Förbättringar kan dock fortfarande uppnås med hjälp av flera laserpickuper, vilket demonstreras av Kenwood TrueX 72× som använder sju laserstrålar och en rotationshastighet på cirka 10×.

Den första 12× enheten släpptes i slutet av 1996. Över 12× hastighet finns det problem med vibrationer och värme. CAV-drivenheter ger hastigheter upp till 30× vid skivans ytterkant med samma rotationshastighet som standard ( konstant linjär hastighet , CLV) 12×, eller 32× med en liten ökning. På grund av CAV:s natur (linjär hastighet vid den inre kanten är fortfarande bara 12×, ökar jämnt däremellan) är den faktiska genomströmningsökningen mindre än 30/12; faktiskt, ungefär 20× i genomsnitt för en helt full skiva, och ännu mindre för en delvis fylld.

Fysiska begränsningar

Problem med vibrationer, på grund av begränsningar för uppnåbar symmetri och styrka i massproducerade media, gör att CD-ROM-enhetens hastigheter inte har ökat kraftigt sedan slutet av 1990-talet. Över 10 år senare varierar vanligen tillgängliga enheter mellan 24× (slimline och bärbara enheter, 10× centrifugeringshastighet) och 52× (vanligtvis CD- och läsbara enheter, 21× centrifugeringshastighet), alla använder CAV för att uppnå sina påstådda " max" hastigheter, med 32× till 48× vanligast. Trots det kan dessa hastigheter orsaka dålig läsning (diskfelkorrigering har blivit mycket sofistikerad som svar) och till och med splittring av dåligt tillverkade eller fysiskt skadade media, med små sprickor som snabbt växer till katastrofala brott när de belastas centripetalt vid 10 000–13 000 rpm (dvs. 40 –52× CAV). Höga rotationshastigheter producerar också oönskat ljud från skivvibrationer, rusande luft och själva spindelmotorn. De flesta enheter från 2000-talet tillåter forcerade låghastighetslägen (genom användning av små verktygsprogram) för säkerhetens skull, noggrann avläsning eller tystnad, och kommer automatiskt att falla tillbaka om många sekventiella läsfel och återförsök påträffas.

Lösningar

Andra metoder för att förbättra läshastighet var trialled såsom användning av multipla optiska strålar, vilket ökar genomströmningen upp till 72 × med en 10 × centrifugeringshastighet, men tillsammans med andra tekniker som 90 ~ 99 minuters inspelningsbara media, GigaRec och dubbel täthet kompaktskiva ( Lila Book standard) inspelare, deras användbarhet omintetgjordes av introduktionen av DVD-ROM- enheter för konsumenter som kan ha konsekventa 36× motsvarande CD-ROM-hastigheter (4× DVD) eller högre. Dessutom, med en 700 MB CD-ROM som är fullt läsbar på mindre än 2½ minuter vid 52× CAV, är ökningar i faktisk dataöverföringshastighet alltmer inflytande på den totala effektiva enhetens hastighet när de tas i beaktande med andra faktorer som laddning/avlastning, mediaigenkänning, snurra upp/ner och slumpmässiga söktider, vilket ger mycket minskad avkastning på utvecklingsinvesteringar. En liknande stratifieringseffekt har sedan dess setts i DVD-utveckling där maximal hastighet har stabiliserats på 16× CAV (med undantagsfall mellan 18× och 22×) och kapacitet på 4,3 och 8,5 GB (enkelt och dubbla lager), med högre hastighet och kapacitet behöver istället tillgodoses av Blu-ray-enheter.

Hastighetsbetyg

CD-inspelningsbara enheter säljs ofta med tre olika hastighetsklassificeringar, en hastighet för skrivning en gång, en för omskrivningsoperationer och en för skrivskyddad operation. Hastigheterna är vanligtvis listade i den ordningen; dvs en 12×/10×/32× CD-enhet kan, om CPU och media tillåter, skriva till CD-R-skivor med 12× hastighet (1,76 MB/s), skriva till CD-RW-skivor med 10× hastighet (1,46 MB/ s), och läser från CD-skivor med 32× hastighet (4,69 MB/s).

Hastighetstabell

Vanliga dataöverföringshastigheter för CD-ROM-enheter
Överföringshastighet KB/s Mbit/s MB/s RPM (yttre till innerkant)
150 1,2288 0,146 200–530
300 2,4576 0,293 400–1 060
600 4,9152 0,586 800–2 120
1 200 9,8304 1.17 1 600–4 240
10× 1 500 12.288 1,46 2 000–5 300
12× 1 800 14,7456 1,76 2 400–6 360
20× 1 200–3 000 upp till 24.576 upp till 2,93 4 000 ( CAV )
24× 1 440–3 600 upp till 29.491 upp till 3,51 4 800 ( CAV )
32× 1 920–4 800 upp till 39,3216 upp till 4,69 6 400 ( CAV )
36× 2 160–5 400 upp till 44,2368 upp till 5,27 7 200 ( CAV )
40× 2 400–6 000 upp till 49.152 upp till 5,86 8 000 ( CAV )
48× 2 880–7 200 upp till 58.9824 upp till 7.03 9 600 ( CAV )
52× 3 120–7 800 upp till 63.8976 upp till 7,62 10 400 ( CAV )
56× 3 360–8 400 upp till 68,8128 upp till 8.20 11 200 ( CAV )
72× 6 750–10 800 upp till 88.4736 upp till 10,5 2 700 (flerstråle)

Programvarudistributörer, och i synnerhet distributörer av datorspel, använder sig ofta av olika kopieringsskyddssystem för att förhindra att programvara körs från alla media förutom original-cd-romskivorna. Detta skiljer sig något från ljud-CD- skydd genom att det vanligtvis är implementerat i både media och själva mjukvaran. Själva CD-ROM-skivan kan innehålla "svaga" sektorer för att göra kopiering av skivan svårare, och ytterligare data som kan vara svåra eller omöjliga att kopiera till en CD-R eller skivavbildning, men som programvaran kontrollerar för varje gång den körs för att säkerställa att en originalskiva och inte en obehörig kopia finns i datorns CD-ROM-enhet.

Tillverkare av CD-brännare ( CD-R eller CD-RW ) uppmuntras av musikindustrin att se till att varje enhet de producerar har en unik identifierare, som kommer att kodas av enheten på varje skiva som den spelar in: RID eller Recorder Identification Koda. Detta är en motsvarighet till Source Identification Code (SID), en kod på åtta tecken som börjar med " IFPI " som vanligtvis stämplas på skivor som produceras av CD-inspelningsanläggningar.

Se även

Anteckningar

Referenser