CD-ROM

Płyta kompaktowa

CD-ROM (akronim ang. Compact Disc Read Only Memory) – płyta kompaktowa zawierająca dane dostępne, ale nie modyfikowalne, w komputerze w formie pamięci masowej. Standard zapisu dowolnych danych binarnych został opracowany przez Sony i Philips w 1985 w tzw. Żółtej Księdze (ang. Yellow Book), będącej pierwszym rozszerzeniem standardu CD opisanego w Czerwonej Księdze (ang. Red Book).

Płyty CD-ROM są popularnym nośnikiem w dystrybucji oprogramowania, włączając w to gry komputerowe i aplikacje multimedialne, chociaż mogą zawierać dowolne dane (w ilości zależnej od pojemności nośnika). Istnieje możliwość umieszczenia na płycie łącznie danych komputerowych i dźwięku, który można odtwarzać w zwykłym odtwarzaczu CD, podczas gdy dane (np. oprogramowanie lub pliki filmowe) są osiągalne tylko na komputerze (np. ISO 9660 dla PC). Płyty takie określa się mianem CD-Extra.

W czasie wprowadzania technologii CD-ROM, nośniki te miały większą pojemność niż powszechnie stosowane ówczesne twarde dyski. Obecnie pojemność twardych dysków znacznie przewyższa pojemność CD, DVD czy Blu-ray, mimo to pewne eksperymentalne nośniki optyczne jak np. HVD mają większe pojemności i szybsze transfery danych niż dzisiejsze (2013) twarde dyski.

Nośnik

Płyty CD-ROM pod względem wyglądu są identyczne z płytami kompaktowymi, a zapisane dane są odczytywane w bardzo podobny sposób (jedyną różnicą są standardy używane przy przechowywaniu danych). Płyty są wykonane z poliwęglanowych plastikowych krążków o grubości 1,2 mm, z cienką warstwą aluminium tworzącą warstwę odbijającą światło. Najbardziej powszechnym rozmiarem płyt jest 120 mm średnicy oraz rzadziej spotykany 80 mm średnicy tzw. Mini CD. Możliwe są też inne wymiary i kształty (np. nośniki w kształcie i wymiarze wizytówki).

Dane są zapisywane jako ciąg mikroskopijnych wgłębień. Wzór wgłębień i pól jest odczytywany za pomocą lasera oświetlającego powierzchnię odblaskową („pola” to przerwy między „wgłębieniami”). Ponieważ głębokość wgłębień waha się w granicach od ${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}$ do ${\displaystyle {\tfrac {1}{6}}}$ długości fali światła laserowego stosowanego do odczytu informacji z płyty, faza fali światła odbitego ulega przesunięciu i, w wyniku interferencji, wygasza jasność promienia odbitego. Ten wzór zmieniającej się intensywności wiązki odbitej jest konwertowany na dane cyfrowe.

Standard

Istnieje wiele formatów przechowywania danych na płytach kompaktowych, są one zdefiniowane w tzw. Tęczowych Księgach(ang.) (ang. Rainbow Books). Podstawowe informacje są zawarte w Czerwonej Księdze (ang. Red Book), Żółtej Księdze (ang. Yellow Book) i Białej Księdze (ang. White Book). Dokładną specyfikację standardu ISO/IEC 10149/ECMA-130, która zawiera dokładny opis zjawisk fizycznych i warstwy fizycznej CD-ROM, włączając w to zmodyfikowane kodowanie korekcyjne Reeda-Solomona (CIRC)^[1] i modulację danych EFM, można uzyskać w ISO^[2] lub ECMA^[3]

Standardowy system plików CD-ROM jest zdefiniowany przez ISO 9660, chociaż ma być zastąpiony przez ISO 13490 (który wspiera także CD-R i wielosesyjność). Natomiast UDF rozszerza ISO 13346 (który był zaprojektowany dla wsparcia zapisywania nieliniowego zarówno płyt jednokrotnego zapisu, jak i kasowalnych), aby wspierać nośniki tylko do odczytu oraz zapisywalne, początkowo zaadaptowany dla potrzeb DVD. Powstała także specyfikacja El Torito, dzięki której płyta kompaktowa emuluje dyskietki lub dysk startowy komputera.

Napędy CD-ROM są klasyfikowane współczynnikiem prędkości w stosunku do płyt muzycznych (1× oznacza prędkość transmisji rzędu 150 KiB/s). Napędy o współczynniku 12× stały się powszechne począwszy od 1997 roku. Przy prędkościach przekraczających 12× pojawiają się problemy z wibracjami i ciepłem. Napędy stosujące stałą prędkość kątową (CAV – ang. Constant Angular Velocity) pozwalają na prędkości transmisji do 30× na zewnętrznej krawędzi płyty. Jednakże niejako z natury, prędkość przy wewnętrznej krawędzi wynosi tylko 12×, i rośnie liniowo wraz ze zbliżaniem się do krawędzi zewnętrznej.

Dane

Sektor danych na płycie kompaktowej zawiera 2352 bajty podzielone na 98 ramek po 24 bajty każda. W odróżnieniu od płyt muzycznych, CD-ROM nie może polegać na ukrywaniu błędów metodą interpolacji, a w związku z tym wymaga większej wiarygodności pobieranych danych. W celu lepszego wykrywania błędów i ich korekcji na płytach CD-ROM zastosowano trzecią warstwę kodowania korekcyjnego Reeda-Solomona^[4]. CD-ROM w trybie 1, wyposażony w trzy warstwy korekcji błędów, zawiera 2048 bajtów danych netto z 2352 dostępnych na sektor. W trybie 2, najczęściej stosowany do zapisu materiału video (VCD), na dane przeznaczone jest 2336 bajtów na sektor. Prędkość transmisji danych netto w trybie 1 w porównaniu do płyt muzycznych wynosi is 44100 Hz × 16 bits/sample × 2 channels × 2048 / 2352 / 8 = 153,6 kB/s = 150 KiB/s. Czas odtwarzania to 74 minuty, czyli 4440 sekund, co daje pojemność netto w trybie 1 równą 682 MB = 650 MiB.

Przy prędkości 1× napęd CD odczytuje 75 kolejnych sektorów na sekundę.

Zawartość typowej płyty kompaktowej

• Typowo 74 minuty = 333 000 bloków lub sektorów.
• Każdy sektor to 2352 bajty zawierające:
  • 2048 bajtów danych w trybie 1
  • 2336 bajtów danych w trybie 2 (PSX/VCD)
  • 2352 bajty danych dźwiękowych.
• Różnice między rozmiarem sektora a ilością danych wynikają z wprowadzenia danych nagłówkowych i kodowania korekcyjnego, których jest więcej dla danych komputerowych, mniej dla materiału wideo i brak dla danych dźwiękowych. Należy jednak zauważyć, że wszystkie formy danych korzystają ponadto z korekcji błędów niższego poziomu.
• Przygotowując obraz płyty kompaktowej stosowanym rozmiarem sektora są zawsze 2352 bajty
• Całkowity rozmiar obrazu płyty jest wielokrotnością sektora^[5].
• Wzór dla nagłówka sektora płyty kompaktowej w trybie 1 to 0x00ffffffffffffffffffff00^[3]

Produkcja

Płyty CD-ROM są produkowane masowo metodą tłoczenia. W oparciu o oryginalną szklaną płytę są tworzone specjalne matryce do tłoczenia, które „odciskają” ostateczny wzór wgłębień i pól na ostatecznych płytach. Płyty „nagrywalne” są tworzone w zupełnie inny sposób, gdyż dane są zapisywane promieniem lasera, który zmienia właściwości barwnika lub przemiany fazowej materiału w procesie potocznie zwanym „wypalaniem”.

Pojemność

Pojemności płyt CD-ROM są zwyczajowo wyrażane z przedrostkiem dwójkowym po odjęciu obszaru, który jest zajęty przez dane niezbędne do korekcji błędów. Typowy nośnik 120 mm o pojemności 700 MB może właściwie przechować 737 MB (703 MiB) danych z korekcją błędów (lub 847 MB wszystkich). Dla porównania jednowarstwowa płyta DVD może pomieścić 4,7 GB danych chronionych sumami kontrolnymi, to więcej niż 6 płyt CD-ROM.

Napęd

Do odczytu płyt CD-ROM wymagany jest napęd CD-ROM. Napędy do odczytu płyt CD-ROM są połączone z komputerem przez IDE(ATA), SCSI, SATA, FireWire lub USB. Praktycznie wszystkie współczesne napędy CD-ROM są w stanie odczytywać płyty muzyczne (jak również Video CD i inne standardy danych), czasami jednak wymagane jest do tego odpowiednie oprogramowanie.

Laser i optyka

Napędy CD-ROM wykorzystują laser półprzewodnikowy emitujący światło w bliskiej podczerwieni o długości fali 780 nm. Promień lasera jest kierowany na płytę za pomocą optyczno-elektronicznego modułu śledzącego, który wykrywa odbicie lub rozproszenie promienia.

Prędkość transmisji

Jeśli napęd CD-ROM odczytuje dane, stosując tę samą prędkość obrotową co odtwarzacz płyt muzycznych, to prędkość transmisji danych wynosi 150 KiB/s, powszechnie określaną jako „1×”. Przy tej prędkości prędkość przesuwu sektorów względem promienia laserowego wynosi 1,2 m/s. Aby utrzymać tę liniową prędkość po zmianie pozycji głowicy, prędkość obrotowa płyty jest zmieniana od 500 obr./min przy wewnętrznej krawędzi płyty, do 200 obr./min przy zewnętrznej krawędzi.

Przez zwiększanie prędkości przy której dysk się obraca, dane mogą być odczytywane z większą prędkością. Na przykład napęd CD-ROM obracający płytą z prędkością 8×, tj. od 1600 do 4000 obr./min, osiąga prędkość przesuwu sektora 9,6 m/s i prędkość transmisji rzędu 1200 KiB/s. Przy prędkościach powyżej 12× większość napędów odczytuje płyty stosując stałą prędkość obrotową (CAV ang. Constant Angular Velocity), niezależnie od pozycji głowicy. W tym trybie współczynnik „×” należy rozumieć jako prędkość maksymalna osiągalna przy zewnętrznej krawędzi płyty. Współczynnik 20× wydawał się być nieprzekraczalną granicą z powodów mechanicznych do czasu aż Samsung Electronics wprowadził na rynek napęd SCR-3230 działający z prędkością 32×, którą osiągnął dzięki zastosowaniu systemu łożysk kulkowych do zrównoważenia wirującej płyty, zmniejszając wibracje i hałas. W 2004 najszybsze powszechnie spotykane prędkości transmisji osiągnęły wartość 52×, tj. 10 400 obr./min i 7,62 MiB/s. Dalsze zwiększanie prędkości obrotowej zostało ograniczone przez wytrzymałość plastiku poliwęglanowego, z którego płyty są wykonywane. Przy prędkości obrotowej 52×, prędkość liniowa sektorów względem głowicy przy zewnętrznej krawędzi płyty wynosi około 65 m/s. Mimo to dalsze zwiększanie prędkości odczytu jest wciąż możliwe, stosując wiele przetworników laserowych, co zademonstrował Kenwood TrueX 72×, w którym zastosowano siedem laserów przy prędkości obrotowej około 10×.

Napędy CD z opcją nagrywania są często opisywane trzema prędkościami transmisji:

• prędkość zapisu płyty do jednokrotnego zapisu
• prędkość zapisu płyty do wielokrotnego zapisu
• prędkość odczytu.

Przykład: napęd 12×/10×/32× oznacza, że zapis na płytę CD-R odbywa się z prędkością 12× (1,76 MiB/s), zapis na płytę CD-RW z prędkością 10× (1,46 MiB/s), a odczyt z prędkością 32× (4,69 MiB/s), przy założeniu, że zarówno procesor, jak i nośnik nie narzucą swoich ograniczeń.

Należy odróżnić współczynnik prędkości 1× dla CD-ROM (150 KiB/s) od współczynnika 1× dla DVD (1,32 MiB/s).

Kwestie praw autorskich

Wystąpiły próby ze strony przemysłu muzycznego, aby uczynić płyty muzyczne (CDDA, Czerwona Księga) nieodtwarzalnymi na komputerach wyposażonych w napędy CD-ROM, aby zapobiec kopiowaniu nagrań muzycznych. Osiągano to przez zamierzone wprowadzanie błędów na płycie, które większość samodzielnych odtwarzaczy CD potrafiła skompensować, lecz mogły one dezorientować napędy CD-ROM. Od października 2001, z powodu nacisku ze strony praw konsumenta, płyty muzyczne muszą być opatrzone w tekst ostrzegawczy, jeśli płyta nie spełnia wszystkich standardów opisanych w oficjalnej specyfikacji dotyczącej muzycznych płyt kompaktowych, celem poinformowania nabywców, które płyty nie pozwalają w pełni na dozwolony użytek ich zawartości.

W 2005 Sony BMG Music Entertainment został skrytykowany, gdy okazało się, że mechanizm zabezpieczający przed kopiowaniem (XCP – ang. Extended Copy Protection) zastosowany na niektórych płytach muzycznych automatycznie i potajemnie instalował na komputerach oprogramowanie zapobiegające kopiowaniu. Takie płyty nie można prawnie uznać za CD czy też płyty kompaktowe, ponieważ nie spełniają one standardów opisanych w Czerwonej Księdze dotyczącej płyt muzycznych.

Dystrybutorzy oprogramowania, a w szczególności gier komputerowych, często korzystają z różnych metod zabezpieczających przed kopiowaniem, aby zapobiec uruchamianiu programów z nośników innych niż oryginalne. Te metody tym różnią się od zabezpieczeń stosowanych na płytach muzycznych, że zwykle są zaimplementowane z dwóch stron, tj. na nośniku i w oprogramowaniu. Płyta CD-ROM może zawierać „słaby” sektor, który powoduje trudności przy skopiowaniu, oraz dodatkowe dane, trudne lub niemożliwe do skopiowania na CD-R lub do obrazu płyty, natomiast oprogramowanie zawsze sprawdza ich istnienie, weryfikując jednocześnie oryginalność płyty w napędzie CD-ROM.

Przemysł muzyczny zachęca wytwórców nagrywarek CD, aby każdy napęd, który wyprodukują, miał swój unikatowy identyfikator, który będzie zakodowany na każdej płycie utworzonej przez ten napęd tzw. RID^[6] (ang. Recorder Identification Code.)

Przypisy

Zobacz też

• DVD-Audio
• PD