ЗАПИСЬ И ЭМУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДИСКОВ.

План 1. Строение оптического диска. 2. Стандарты и совместимость. 3. Логическая организация данных. Файловые системы. 4. Режимы записи. Ключевые поняти и термины: ОПТИЧЕСКИЙ ДИСК, CD, DVD, BLU-RAY, PIT,

LAND, RECORDABLE DISK, REWRITABLE DISK, ISO 9660, ISO 9660 JOLIET, ISO 9660:1999, UDF, ДОРОЖКА, LEAD-IN, LEAD-OUT, TABLE OF CONTENTS, СЕССИЯ, МУЛЬТИСЕССИЯ, ФИНАЛИЗАЦИЯ, TRACK-AT-ONCE, DISK-AT-ONCE.

Литература

1. Статья «Технология оптической памяти» http://autodor-book.com/publ/complex_hardware/lectures/ tema_10_tekhnologija_opticheskoj_pamjati/2-1-0-36 (в статье содержится видео о производстве дисков) 2. Статья «Оптические накопители» http://we-it.net/index.php/per/110-opticheskie-nositeli-diski-otlichiya-plyusa-i-minusa-dvd-r-i-

dvd-r 3. Статья «Оптический привод» http://www.chaynikam.info/stat_cd.html 4. Статья «Оптические диски в хранении и пользовании» http://mirsovetov.ru/a/hi-tech/computers/cd.html 5. Статья «Структура DVD-дисков и принцип записи» http://stoik.ru/articles.php?cat=3&subcat=1&article=2002_12_99_3 6. Виктор Бахур. Запись CD и DVD: профессиональный подход. – СПб: Питер, 2006. http://www.e-reading.link/bookreader.php/92127/Bahur_-

_Zapis'_CD_i_DVD__professional'nyii_podhod.html 1. Строение оптического диска Оптические (лазерные) диски являются одними из наиболее популярными носителей

информации. В них используется оптический принцип записи и считывания информации с помощью лазерного луча. На лазерных дисках информация записывается и считывается благодаря разной отражающей способности отдельных участков диска.

Первые лазерные диски были созданы в 1980 году компаниями Sony и Philips для записи звука. Эти диски (CD-DA) воспроизводились на бытовых проигрывателях. С тех пор внешний вид и геометрические размеры любых лазерных дисков остаются неизменными. Оптический диск представляет собой поликарбонатную пластину толщиной 1,2 мм, и диаметром 8 см, либо 12 см, в центре которой находится отверстие диаметром 1,5 см. Все диски имеют многослойную структуру, которая отличается у CD, DVD и Blu-ray форматов.

Рисунок. Упрощенная схема оптического диска Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки, которая начинается в

центральной части и идет к периферии. Первоначально существовали лишь диски, тиражируемые промышленным способом, но впоследствии были разработаны технологии, позволяющие записывать лазерные диски на компьютерных оптических приводах.

На заводских, или штампованных, дисках дорожка образована чередованием впадин и выступов, выдавливаемых на поверхности пластины в процессе штамповки диска. На эту поверхность в последствии напыляется тонкий отражающий слой алюминия. Поэтому такие диски называют «аллюминиевыми». Поскольку выступы и впадины отражают лазерный луч по-разному, становится возможным считывание получившегося узора. Впадины называются питами (pit - углубление). Промежутки между питами называются лендом (land - пространство, площадка).

На записываемых -R (Recordable) и перезаписываемых дисках («болванках») -RW

(ReWritable) запись и считывание информации связано с изменением физико-химических характеристик тонкого записываемого слоя.

Данные с диска читаются при помощи лазерного луча, излучаемого полупроводниковым

лазером. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в

регистрации изменения интенсивности отражённого света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то приёмный фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует меньшую интенсивность света. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то приёмный фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует меньшую интенсивность света.

поликарбонатная основа активный (информационный) слой слой, отражающий луч лаковое покрытие

Рисунок. Изображение поверхности оптического диска под микроскопом, на котором видны дорожки с впадинами и площадками.

Рисунок. Считывание информации с диска. Итак, различие между «аллюминиевыми» дисками только для чтения и

перезаписываемыми дисками (-R и -RW) заключается в способе формирования питов. В диске только для чтения питы представляют собой рельефную структуру. В случае -R и -RW пит представляет собой область с большим поглощением света, чем ленд. В результате фотодиод также регистрирует снижение интенсивности отражённого от диска света.

Рассмотрим диски, предназначенные для записи в домашних условиях: -R для

однократной и -RW для многократной записи. В таких дисках используется специальный активный материал, позволяющий производить запись/перезапись информации. Различают диски с органическим (в основном, диски -R-типа) и неорганическим (в основном, -RW-диски) активным материалом.

При записи диска –R активный органический материал нагревается выше определённой температуры, он разрушается и темнеет, изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны.

При записи диска –RW происходит изменением коэффициента отражения неорганического активного материала в результате его перехода из аморфного агрегатного состояния в кристаллическое, и наоборот. Таким образом при записи, на записывающем слое получают чередование тёмных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы.

Физическое качество записи зависит от качества самой болванки и характеристик привода, на котором производилась запись: скорости, точности фокусировки и мощности луча.

Рисунок. Структура CD-RW. Темные точки на регистрирующем (информационном)

слое образуются лазерным лучом. Во всех случаях на верхнюю, дальнюю от лазера поверхность диска наносится ряд

защитных слоев, предохраняющих отражающий слой от повреждений. Хотя защитные слои довольно прочны, с этой стороны диск гораздо уязвимее, чем со стороны подложки. Особенно незащищенными являются перезаписываемые диски, активный слой которых близок по своим свойствам к жидким кристаллам и реагирует даже на незначительное давление или сгибание диска.

Рисунок. Основные слои лазерных дисков.

От центра к периферии диск разбит на несколько концентрических областей, или зон. Диаметр каждой области строго стандартизирован:

Рисунок. Зоны лазерного диска.

Область посадки, или фиксации, не содержит каких-либо данных и ложится на шпиндель привода. неровности и грязь в этой области могут повлиять на балансировку и биения диска при его вращении.

Область калибровки мощности (Power Calibration Area - PCA) присутствует только на записываемых дисках и служит для пробной записи и автоматической регулировки мощности записывающего лазера в зависимости от индивидуальных особенностей диска и привода.

Программируемая область памяти (Program Memory Area — PMA) также существует только на записываемых дисках. В ней предварительно записывается временная таблица оглавления (Table of Content - TOC). При завершении сеанса записи эта информация переписывается на нулевую дорожку.

Нулевая дорожка (Lead-In) содержит оглавление диска или сеанса записи. Оглавление включает в себя начальные адреса и длины всех дорожек, общую длину области данных и информацию о каждом из сеансов записи. Если диск записывается в несколько сеансов, своя нулевая дорожка создается для каждого из сеансов. Стандартный размер нулевой дорожки 4500 секторов, или около 9,2 Мб данных.

Область данных содержит полезные данные. Это основная часть диска. Конечная зона (Lead-Out) служит маркером конца сеанса записи. Если диск записан в

один сеанс, размер конечной зоны составляет 6750 секторов. Если диск записывался в несколько сеансов, для каждого последующего сеанса создается своя конечная зона размером 2250 секторов.

Информация при записи на компакт-диск является многократно избыточной. Это нужно

для коррекции возможных ошибок. Например, хотя считается, что емкость диска CD-ROM составляет около 700 Мбайт, в действительности такой диск несет около 2,5 Гбайт информации.

Спиральная дорожка разделена на секторы, длина одного сектора CD-ROM составляет 17,33 мм, а на стандартном диске помещается до 333 000 секторов. Для диска DVD стандартное количество секторов составляет 2 298 496 (однослойный DVD, DVD-R(W)) или 2 295 104 (однослойный DVD+R(W)). Каждый сектор состоит из 98 блоков, или фреймов (frames). Фрейм содержит 33 байта информации, из которых 24 байта несут полезные данные, 1 байт содержит служебную информацию, а 8 байтов служат для контроля четности и коррекции ошибок. Эти 8 байтов содержат так называемый код Рида-Соломона, вычисляемый на основании 24 полезных байтов. Таким образом, объем сектора составляет 3234 байта, из которых 882 байта являются избыточными. По ним микропрограмма привода способна воссоздать истинные значения остальных 2352 байтов в случае возникновения ошибок. Более того, из оставшихся 2352 байтов 304 байта отведены для синхронизирующих кодов, битов идентификации, кода коррекции ошибок ЕСС и кода обнаружения и исправления ошибок EDC. В результате в одном секторе полезными являются 2048 байтов.

2. Стандарты и совместимость Лазерные носители информации и работающие с ними приводы описаны множеством

стандартов и спецификаций, а также их модификаций, расширений и дополнений. Совместимость «сверху вниз» соблюдается почти всегда: более новые приводы могут работать со всеми более старыми дисками, но не наоборот.

CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) - штампованный диск, самый старый носитель, который должен читаться практически на любом дисководе.

CD-R (Compact Disc-Recordable) — диск однократной записи с записываемым слоем на основе цианина, азокраситеяя или фталоцианина.

CD-RW (Compact Disc-ReWritable) — перезаписываемый диск с записываемым слоем на основе сплавов серебра (Ag), индия (In), сурьмы (Sb) и теллура (Те).

DVD-ROM (Digital Versatile Disc, Digital Video Disc) — штампованный диск, самый первый из поколения дисков DVD.

DVD-R — одна из технологий дисков DVD однократной записи. DVD+R — другая технология дисков DVD однократной записи. DVD-RW — одна из технологий перезаписываемых дисков DVD. DVD+RW — другая технология перезаписываемых дисков DVD. DVD-RAM — третий вариант, отличающийся и организацией дорожек, и, частично,

свойствами записываемого слоя. Внутри каждой из спецификаций DVD существуют одно- и двухслойные диски:

двухслойные диски требуют возможности перефокусировки лазера на каждый из слоев и большего диапазона регулировки мощности луча. Это же касается одно- и двухсторонних дисков—при одинаковой общей толщине отражающий слой (слои) двухстороннего диска оказывается ближе к линзе.

BD (Blu-гау Disc) — новая технология, которая продолжает развиваться. В ней при-меняется синий лазер с меньшей длиной волны, что позволяет вдвое увеличить плотность записи. Внутри стандарта уже выделены спецификации BD-R, BD-RE и BD-ROM. Кроме того, существуют одно- и двухслойные диски, а в разработке находятся четырех- и шестислойные. Каждая из этих спецификаций требует аппаратной поддержки со стороны привода

HD DVD (High-Definition/Density DVD) — в прошлом конкурент спецификации Blu-гау, который также использует коротковолновой лазер. Существуют одно- и двухслойные диски. В настоящее время поддержка этого формата прекращена.

Даже совершенно новый записываемый диск не является абсолютно пустым: на нем уже

есть служебная дорожка с сервометками АТIР (Absolute Time In Pregroove - абсолютное время в служебной дорожке). Эта служебная дорожка нужна для системы позиционирования, которая удерживает луч лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи. Служебная дорожка

содержит также информацию о производителе диска, материале записываемого слоя, длине дорожки для записи и т. д. Служебная дорожка не затрагивается при записи данных на диск. Некоторые системы защиты от копирования используют ее, чтобы отличить оригинал от копии.

Характеристика некоторых оптических дисков (12 см):

CD (Compact Disk) DVD (Digital Video/Versatile Disk) BD (Blu Ray Disk)

Длина волны лазера

780 нм инфракрасный лазер

650 нм красный лазер

405нм сине-фиолетовый лазер

Размер пятна 1,2 мкм 0,54 мкм 0,32 мкм Скорость записи 1х 150 Кбайт/с 1385 Кбайт/с 4,5 Мбайт/с Максимальная скорость записи 56х 22х 12х

Диски для одно-кратной записи CD-R DVD-R

DVD+R BD-R

Перезаписываемые диски CD-RW

DVD-RW 1000 раз DVD+RW 1000 раз DVD-RAM 100 000 раз

BD-RE BD-RE DL

Количество слоев (на одной стороне) 1 1, 2

BD: 1 BD DL: 2 BDXL: 3,4 IH-BD: 1 слой для одноразовой записи (25 Гб) + 1 слой для чтения (25 Гб) (есть диски с 16 и 20)

Емкость

1 слой 700 Мб (иногда 800Мб и 900Мб)

4,7 ГБ 9,4 ГБ (2 стороны) 25 Гб

2 слоя - 8,5 ГБ 17,08 ГБ (2 стороны) 50 Гб

3 слоя - - 100/128 Гб 4 слоя - - 128 ГБ

Рисунок. Различный размер пятна.

Рисунок. «Эволюция» оптических дисков. Различный цвет рабочей поверхности дисков объясняется различным материалом

регистрирующего и отражающего слоев. В качестве регистрирующего слоя –R дисков наиболее распространены органические соединения, известные под условными названиями "цианин" (Cyanine) и "фталоцианин" (Phtalocyanine). Цианин имеет голубой (cyan) цвет (от которого и происходит название материала) и характеризуется средней стойкостью к облучению светом и перепадам температуры. Фталоцианин имеет золотистый цвет и более стоек ко внешним воздействиям.

В качестве отражающих материалов используют золото и серебро, реже - алюминий и сплавы. Соответственно, рабочая поверхность диска с отражающим слоем из бесцветного металла имеет цвет своего регистрирующего слоя, а отражающий слой из золота изменяет цвет цианина с голубого на зеленоватый.

Органический слой дисков CD-RW обычно имеет серо-коричневый цвет.

Рисунок. Двухслойный DVD.

Рисунок. Однослойные и двухслойные диски. 3. Логическая организация данных. Файловые системы. Под логической организацией лазерных дисков понимаются файловые системы,

создаваемые на их дорожках. Для лазерных дисков, в отличие от винчестеров, или полупроводниковых накопителей с их системами FAT и NTFS, используются особенные файловые системы.

ISO9660 (International Organization for Standardization) - стандарт, выпущенный

Международной организацией по стандартизации, стандарт описывает файловую систему для дисков.

Максимальный размер файла: 2 Гб.

1 - Лазерный луч 2 - Этикетка 3 - Поликарбонат 4 - Металлический отражатель 5 - Слой красителя L1 (информационный слой 1) 6 - Разделитель 7 - Полупрозрачный металлический отражатель 8 - Слой красителя L2 (информационный слой 2) 9 - Поликарбонат

Ограничения: Level1 - максимальное количество символов в имени файла: 8.3 (имя.расширение); - имя не может начинаться с точки; - только верхний регистр в названиях файлов и каталогов; - имена файлов не могут иметь более одной точки; - максимальное количество символов в имени каталога: 12; - максимальный уровень вложенных каталогов: 8; - имена файлов и каталогов могут содержать только латинские буквы, цифры и символ

нижнего тире (подчеркивание _). Level2 - максимальное количество символов в имени файла: 30.30; - максимальное количество в имени файла + расширение: 30; - имена файлов и каталогов могут содержать только латинские буквы, цифры, символ

нижнего тире (подчеркивание _), и пробел; - максимальный уровень вложенных каталогов: 8; - максимальное количество символов в имени каталога: 31. Level3 Для 3-го уровня ФС ISO9660 присущи такие же параметры, как и для 2-го, но в отличие

файлы могут быть фрагментированы. ISO9660 Joliet - обновление ФС ISO9660. Максимальный размер файла: 2 Гб. Ограничения: - максимальное количество символов в имени файла/каталога: 62. ISO9660:1999 - обновление ФС ISO9660. Максимальный размер файла: 2 Гб. Ограничения: - максимальное количество символов в имени файла/каталога: 207. UDF (Universal Disk Format) – спецификация формата файловой системы для хранения

файлов на оптических носителях (замена ISO9660). Ограничения: - максимальный теоретический размер файлу: 1 Эксабайт (на практике считается

неограниченным). Диски DVD-Video и DVD-Audio используют файловую систему micro-UDF (под-

множество UDF, ISO 13346). Размер файла должен быть не более 1 Гбайт, а имена файлов могут иметь длину до 255 символов Unicode. Видеофайлы должны лежать в каталоге VIDEO_TS, аудио — AUDIО_TS. В целях защиты от несанкционированного копирования диски DVD-Video и DVD-Audio должны шифроваться системой CSS (Content Scramble System). Спецификация UDF Bridge является комбинацией ISO 9660 и MicroUDF.

4. Режимы записи. В простейшем виде информационная поверхность компакт-диска разделена на три зоны

— входной каталог (Lead in), область данных и выходной каталог (Lead out).

Рисунок. Упрощенная схема информационной структуры оптического диска. Входной каталог содержит оглавление (Table of Contents, TOC), адреса записей, число

заголовков, суммарное время записи, название диска. В выходном каталоге присутствует метка конца диска.

Multisession (Мультисессия) — режим записи, позволяющий в дальнейшем добавлять

(дописывать) информацию на диск. Мультисессионные диски допускается записывать в несколько приемов, пока не будет

заполнено всё пространство на диске. Сессией называется автономная область данных, прожигаемая на болванку в один прием и состоящая из вводного фрагмента lead-in (с содержанием), одной или более дорожками и заключительного фрагмента lead-out.

Таким образом, каждая сессия содержит информацию начала сессии (lead-in), затем данные и информацию о конце сессии (lead-out). При записи в режиме мультисессии, информация о структуре предыдущих записей копируется в новую сессию, для того чтобы все сессии были доступны.

Финализация диска – процесс завершения записи сессий на диске. В случае если диск «закрыт», на диск нельзя дозаписать никакую информацию, даже если на нем имеется свободное пространство.

Для записи CD и CD-RW выделяют 4 основных и целый ряд модификаций: Packet — пакетная запись, позволяющая пользоваться перезаписываемым диском

подобно жесткому диску или flash-накопителю TAO (Track-at-once – одна дорожка за раз). При записи в этом режиме лазер включается и выключается, соответственно, в начале и

конце каждой дорожки. DAO (Disk-at-once - диск за один раз). В этом режиме запись выполняется за один проход без выключения лазера. Лазер

включен, пока не допишется весь диск. Весь диск записывается одной сессией, от начала до конца без перерывов.

SAO (Session-at-once). В данном режиме сначала записываются аудиодорожки, затем данные. Обычно

используется при записи игр, в которых фоновая музыка воспроизводится с диска. Диск может записываться в несколько приемов — сессий, и для каждой сессии создается своя служебная область.

Рисунок. Методы записи, поддерживаемые дисками CD и DVD в программе Nero.

Вопросы и задания 1. Каковы стандартные физические размеры оптических дисков (диаметр, толщина)? 2. Перечислите виды оптических дисков, которые Вы знаете. 3. Из каких слоев состоит диск? 4. Что представляет собой дорожка? 5. Что такое pit, land? 6. Чем отличаются диски -R и -RW в использовании? 7. Опишите принцип считывания информации с диска. 8. Опишите процесс записи информации на диск. 9. Чем отличаются диски -R и -RW по физическому строению? 10. Лазеры с какой длины волны используются при работе с CD, DVD, BD? 11. Какова емкость одного слоя CD, DVD, BD? 12. Объясните, почему диски CD, DVD, BD при одинаковых физических размерах имеют

различную емкость. 13. Какова скорость записи 1х для различных типов дисков? 14. Диски какого формата бывают многослойными? 15. Перечислите наиболее популярные файловые системы, которые используются в

оптических накопителях. 16. Расскажите о правилах именования файлов и каталогов для различных файловых

систем. 17. Назовите числовое значение следующих характеристик файловых систем ISO 9660,

Joliet, ISO 9660:1999 и UDF: максимальный размер файла; максимальная глубина вложения каталогов.

18. Какую структуру имеет завершенная сессия? 19. Что представляет собой мультисессионный диск? 20. Что такое финализация диска? 21. Назовите режимы записи, применяемые для CD и DVD. Охарактеризуйте каждый

режим.