CD ROM - CD-ROM

En CD-ROM ( / ˌ s jeg d jeg r ɒ m / , compact disc Read Only Memory ) er et forpresset optisk CD som inneholder data . Datamaskiner kan lese - men ikke skrive eller slette - CD-ROM-er, dvs. det er en type skrivebeskyttet minne .

Historie

I løpet av 1990-tallet ble CD-ROM-er populært brukt til å distribuere programvare og data for datamaskiner og femte generasjons videospillkonsoller . Noen CD-er, kalt forbedrede CD-er , inneholder både datadata og lyd med sistnevnte som kan spilles av på en CD-spiller , mens data (som programvare eller digital video) bare kan brukes på en datamaskin (som ISO 9660- format PC CD- ROM).

Det tidligste teoretiske arbeidet med optisk platelagring ble gjort av uavhengige forskere i USA inkludert David Paul Gregg (1958) og James Russel (1965–1975). Spesielt ble Greggs patenter brukt som grunnlag for LaserDisc- spesifikasjonen som ble utviklet i samarbeid mellom MCA og Philips etter at MCA kjøpte Greggs patenter, samt selskapet han grunnla, Gauss Electrophysics. LaserDisc-en var den umiddelbare forløperen til CD-en, med den primære forskjellen at LaserDisc-en kodet informasjon gjennom en analog prosess, mens CD-en brukte digital koding.

Nøkkelarbeid for å digitalisere den optiske platen ble utført av Toshi Doi og Kees Schouhamer Immink i løpet av 1979–1980, som jobbet på en arbeidsgruppe for Sony og Phillips. Resultatet ble Compact Disc Digital Audio (CD-DA), definert i 1980. CD-ROM-en ble senere designet som en utvidelse av CD-DA, og tilpasset dette formatet til å holde alle former for digitale data, med en innledende lagringskapasitet på 553 MB . Sony og Philips skapte den tekniske standarden som definerer formatet til en CD-ROM i 1983, i det som ble kalt den gule boken . En av et sett med fargeinnbundne bøker som inneholder de tekniske spesifikasjonene for alle CD-formater, den gule boken spesifiserer et format for plater med en maksimal kapasitet på 650 MB. CD-ROM-en ble annonsert i 1984 og introdusert av Denon og Sony på den første japanske COMDEX-datamessen i 1985.

CD ROM
CD-ROM.png
En tradisjonell CD-ROM
Media type Optisk plate
Koding Diverse
Kapasitet 194 MB (8 cm), 650–900 MB (12 cm)
Les  mekanisme 600–780 nm laserdiode, 150 KB/s (1×; 150 × 2 10 ), 10 800 KB/s (72×)
Skriv  mekanisme Presset form
Standard ISO/IEC 10149
Bruk Datalagring

CD-ROM begynte å bli brukt i hjemmevideospillkonsoller som startet med PC Engine CD-ROM² (TurboGrafx-CD) i 1988, mens CD-ROM-stasjoner også hadde blitt tilgjengelig for hjemmedatamaskiner på slutten av 1980-tallet. I begynnelsen av 1990 ble rundt 300 000 CD-ROM-spillere solgt i Japan, mens 125 000 CD-ROM-plater ble produsert månedlig i USA. I 1990 demonstrerte Data East et arkadesystemkort som støtter CD-ROM, lik 1980-tallet laserdisc-videospill, men med digitale data, noe som gir mer fleksibilitet enn eldre laserdisc-spill.

CD-ROM-plater

Media

En CD-ROM i skuffen på en delvis åpen DVD-ROM-stasjon.

CD-ROM-er er identiske i utseende med lyd-CDer , og data lagres og hentes på en veldig lik måte (bare forskjellig fra lyd-CDer i standardene som brukes til å lagre dataene). Plater er laget av en 1,2 mm tykk plate av polykarbonat plast , med et tynt lag av aluminium for å lage en reflekterende overflate. Den vanligste størrelsen på CD-ROM er 120 mm i diameter, men den mindre Mini CD- standarden med en diameter på 80 mm, samt formede CD-plater i en rekke ikke-standardstørrelser og former (f.eks. media i visittkortstørrelse ), er også tilgjengelig.

Data lagres på platen som en serie mikroskopiske fordypninger kalt "groper", med ikke-innrykkede mellomrom mellom dem kalt "land". En laser skinner på den reflekterende overflaten av platen for å lese mønsteret av groper og land. På grunn av at Dybden av fordypningene er omtrent en fjerdedel til en sjettedel av bølgelengden til laserlyset som brukes til å lese platen, den reflekterte strålen 's fase er forskjøvet i forhold til den inngående stråle, forårsaker destruktiv interferens og å redusere det reflekterte strålens intensitet. Dette konverteres til binære data.

Standard

Flere formater brukes for data lagret på CD-er, kjent som Rainbow Books . Den gule boken , utgitt i 1988, definerer spesifikasjonene for CD-ROM-er, standardisert i 1989 som ISO / IEC 10149/ ECMA- 130-standarden. CD-ROM-standarden bygger på toppen av den originale Red Book CD-DA- standarden for CD-lyd. Andre standarder, for eksempel White Book for video-CDer , definerer formater ytterligere basert på CD-ROM-spesifikasjonene. Selve Yellow Book er ikke fritt tilgjengelig, men standardene med tilhørende innhold kan lastes ned gratis fra ISO eller ECMA.

Det er flere standarder som definerer hvordan datafiler skal struktureres på en CD-ROM. ISO 9660 definerer standard filsystem for en CD-ROM. ISO 13490 er en forbedring av denne standarden som legger til støtte for ikke-sekvensiell skriving én gang og re-skrivbare plater som CD-R og CD-RW , samt flere økter . ISO 13346-standarden ble designet for å adressere de fleste av manglene ved ISO 9660, og en undergruppe av den utviklet seg til UDF- formatet, som ble tatt i bruk for DVDer . Den oppstartbare CD-spesifikasjonen ble utgitt i januar 1995, for å få en CD til å emulere en harddisk eller diskett , og kalles El Torito .

CD-ROM-format

Data lagret på CD-ROM følger standard CD-datakodingsteknikker beskrevet i Red Book- spesifikasjonen (opprinnelig kun definert for lyd-CD ). Dette inkluderer cross-interleaved Reed-Solomon-koding (CIRC), åtte-til-fjorten-modulasjon (EFM), og bruk av groper og land for å kode bitene inn i den fysiske overflaten av CD-en.

Strukturene som brukes til å gruppere data på en CD-ROM er også avledet fra den røde boken . I likhet med lyd-CDer (CD-DA), inneholder en CD-ROM- sektor 2352 byte med brukerdata, sammensatt av 98 rammer, hver bestående av 33 byte (24 byte for brukerdata, 8 byte for feilretting og 1 byte for underkode). I motsetning til lyd-CDer, tilsvarer dataene som er lagret i disse sektorene alle typer digitale data, ikke lydprøver kodet i henhold til lyd-CD-spesifikasjonen. For å strukturere, adressere og beskytte disse dataene, definerer CD-ROM-standarden ytterligere to sektormoduser, Modus 1 og Modus 2, som beskriver to forskjellige oppsett for dataene inne i en sektor. Et spor (en gruppe av sektorer) inne i en CD-ROM inneholder bare sektorer i samme modus, men hvis flere spor er til stede på en CD-ROM, kan hvert spor ha sine sektorer i en annen modus enn resten av sporene. De kan også eksistere side om side med lyd-CD-spor, som er tilfellet med CD-er med blandet modus .

Sektorstruktur

Både modus 1 og 2 sektorer bruker de første 16 bytene for overskriftsinformasjon , men skiller seg i de resterende 2336 bytene på grunn av bruken av feilrettingsbyte . I motsetning til en lyd-CD, kan ikke en CD-ROM stole på at feil skjules ved interpolering ; det kreves en høyere pålitelighet av de hentede dataene. For å oppnå forbedret feilretting og deteksjon, legger modus 1, mest brukt for digitale data, til en 32-bits syklisk redundanssjekk (CRC)-kode for feildeteksjon, og et tredje lag med Reed-Solomon feilretting ved bruk av et Reed-Solomon-produkt- som kode (RSPC). Modus 1 inneholder derfor 288 byte per sektor for feildeteksjon og korrigering, og etterlater 2048 byte per sektor tilgjengelig for data. Modus 2, som er mer passende for bilde- eller videodata (hvor perfekt pålitelighet kan være litt mindre viktig), inneholder ingen ekstra feildeteksjons- eller korrigeringsbyte, og har derfor 2336 tilgjengelige databyte per sektor. Merk at begge modusene, som lyd-CDer, fortsatt drar nytte av de lavere lagene med feilretting på rammenivå.

Før den lagres på en plate med teknikkene beskrevet ovenfor, blir hver CD-ROM-sektor kryptert for å forhindre at noen problematiske mønstre dukker opp. Disse krypterte sektorene følger deretter den samme kodingsprosessen som er beskrevet i den røde boken for til slutt å bli lagret på en CD.

Følgende tabell viser en sammenligning av strukturen til sektorer i CD-DA og CD-ROMer:

Format ← 2.352 byte sektorstruktur →
CD digital lyd: 2352 (Digital lyd)
CD-ROM-modus 1: 12 (synkroniseringsmønster) 3 (adresse) 1 (modus, 0x01) 2 048 (data) 4 (feilregistrering) 8 (Reservert, null) 276 (Feilretting)
CD-ROM-modus 2: 12 (synkroniseringsmønster) 3 (adresse) 1 (modus, 0x02) 2336 (data)

Nettobytehastigheten til en Mode-1 CD-ROM, basert på sammenligning med CD-DA lydstandarder, er 44 100 Hz × 16 bits/sample × 2 kanaler × 2 048 / 2 352 / 8 = 150 KB/s (150 × 2 10 ). Denne verdien, 150 KB/s, er definert som "1× hastighet". Derfor, for Mode 1 CD-ROMer, leser en 1× CD-ROM-stasjon 150/2 = 75 påfølgende sektorer per sekund.

Spilletiden til en standard CD er 74 minutter, eller 4440 sekunder, inkludert i 333 000 blokker eller sektorer . Derfor er nettokapasiteten til en Mode-1 CD-ROM 650 MB (650 × 2 20 ). For 80 minutters CDer er kapasiteten 703 MB.

CD-ROM XA-utvidelse

CD-ROM XA er en utvidelse av Yellow Book- standarden for CD-ROM-er som kombinerer komprimert lyd-, video- og datadata, slik at alle kan nås samtidig. Den var ment som en bro mellom CD-ROM og CD-i ( Green Book ) og ble utgitt av Sony og Philips , og støttet av Microsoft , i 1991, først annonsert i september 1988. "XA" står for eXtended Architecture.

CD-ROM XA definerer to nye sektoroppsett, kalt Mode 2 Form 1 og Mode 2 Form 2 (som er forskjellige fra den originale Mode 2). XA Mode 2 Form 1 ligner på Mode 1 strukturen beskrevet ovenfor, og kan interleve med XA Mode 2 Form 2 sektorer; den brukes til data. XA Mode 2 Form 2 har 2324 byte med brukerdata, og ligner på standard Mode 2, men med feildeteksjonsbyte lagt til (men ingen feilretting). Den kan interleave med XA Mode 2 Form 1-sektorer, og den brukes til lyd-/videodata. Video CDer , Super Video CDer , Foto CDer , Enhanced Music CDer og CD-i bruker disse sektormodusene.

Følgende tabell viser en sammenligning av strukturen til sektorer i CD-ROM XA-moduser:

Format ← 2.352 byte sektorstruktur →
CD-ROM XA Mode 2, Form 1: 12 (synkroniseringsmønster) 3 (adresse) 1 (Modus) 8 (underoverskrift) 2 048 (data) 4 (feilregistrering) 276 (Feilretting)
CD-ROM XA Mode 2, Form 2: 12 (synkroniseringsmønster) 3 (adresse) 1 (Modus) 8 (underoverskrift) 2324 (data) 4 (feilregistrering)

Diskbilder

Når et platebilde av en CD-ROM opprettes, kan dette gjøres i enten "rå"-modus (ekstrahere 2.352 byte per sektor, uavhengig av den interne strukturen), eller kun hente sektorens nyttige data (2.048/2.336/2.352/ 2 324 byte avhengig av CD-ROM-modus). Filstørrelsen på et platebilde som er opprettet i råmodus er alltid et multiplum av 2352 byte (størrelsen på en blokk). Platebildeformater som lagrer rå CD-ROM-sektorer inkluderer CCD/IMG , CUE/BIN og MDS/MDF . Størrelsen på et platebilde opprettet fra dataene i sektorene vil avhenge av typen sektorer den bruker. For eksempel, hvis et CD-ROM-modus 1-bilde lages ved å trekke ut dataene til hver sektor, vil størrelsen være et multiplum av 2048; dette er vanligvis tilfellet for ISO-platebilder .

På en 74-minutters CD-R er det mulig å få plass til større platebilder ved å bruke råmodus, opptil 333 000 × 2 352 = 783 216 000 byte (~747 MB). Dette er den øvre grensen for råbilder laget på en 74 min eller ≈650 MB Red Book CD. Økningen på 14,8 % skyldes at feilrettingsdata forkastes.

Produksjon

Forhåndspressede CD-ROM-er masseproduseres ved en stemplingsprosess der en glassmaster-plate lages og brukes til å lage "stemplere", som igjen brukes til å produsere flere kopier av den endelige platen med gropene allerede til stede. Skrivbare ( CD-R ) og overskrivbare ( CD-RW ) plater produseres med en annen metode, hvor dataene registreres på dem med en laser som endrer egenskapene til et fargestoff eller faseovergangsmateriale i en prosess som ofte refereres til som " brenner ".

Kapasitet

En CD-ROM kan enkelt lagre hele papirleksikonets ord og bilder, pluss lyd- og videoklipp

CD-ROM-kapasiteter uttrykkes normalt med binære prefikser , og trekker fra plassen som brukes for feilrettingsdata. En standard 120 mm, 700 MB CD-ROM kan faktisk inneholde omtrent 703 MB data med feilretting (eller 847 MB ​​totalt). Til sammenligning kan en enkeltlags DVD-ROM inneholde 4,7 GB (4,7 × 10 9 ) feilbeskyttede data, mer enn 6 CD-ROM-er.

Kapasitet for CD-typer (90 og 99 minutters plater er ikke standard)
Type Sektorer Data (modus 1) maks. størrelse Lyd maks. størrelse Tid
( MB ) Ca. (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
Merk: megabyte (MB) og minutt (min) verdier er nøyaktige; (1 = 2 20 ) verdier er omtrentlige.

CD-ROM-stasjoner

En visning av en CD-ROM-stasjons demonterte lasersystem
Bevegelsen til laseren muliggjør lesing i alle posisjoner på CD-en
Lasersystemet til en CD-ROM-stasjon

CD-ROM-plater leses ved hjelp av CD-ROM-stasjoner. En CD-ROM-stasjon kan kobles til datamaskinen via et IDE ( ATA ), SCSI , SATA , FireWire eller USB- grensesnitt eller et proprietært grensesnitt, for eksempel Panasonic CD-grensesnitt , LMSI/Philips, Sony og Mitsumi-standarder. Så godt som alle moderne CD-ROM-stasjoner kan også spille av lyd-CDer (samt Video CDer og andre datastandarder) når de brukes med riktig programvare.

Laser og optikk

CD-ROM-stasjoner bruker en nær- infrarød 780 nm laserdiode . Laserstrålen rettes inn på platen via en opto-elektronisk sporingsmodul, som deretter registrerer om strålen har blitt reflektert eller spredt.

Overføringspriser

Opprinnelig hastighet

CD-ROM-stasjoner er vurdert med en hastighetsfaktor i forhold til musikk-CDer. Hvis en CD-ROM leses med samme rotasjonshastighet som en lyd-CD , er dataoverføringshastigheten 150 KB/s, vanligvis kalt "1×" (med konstant lineær hastighet, kort "CLV" ). Ved denne datahastigheten beveger sporet seg under laserpunktet med omtrent 1,2 m/s. For å opprettholde denne lineære hastigheten når det optiske hodet beveger seg til forskjellige posisjoner, varieres vinkelhastigheten fra ca. 500 rpm ved den indre kanten til 200 rpm ved den ytre kanten. 1× hastighetsvurderingen for CD-ROM (150 KB/s) er forskjellig fra 1× hastighetsvurderingen for DVDer (1,32 MB/s).

Hastighetsfremgang

Ved å øke hastigheten platen spinnes med, kan data overføres med større hastigheter. For eksempel snurrer en CD-ROM-stasjon som kan lese med 8× hastighet platen med 1600 til 4000 rpm, noe som gir en lineær hastighet på 9,6 m/s og en overføringshastighet på 1200 KB/s. Over 12× hastighet leser de fleste stasjoner med konstant vinkelhastighet (CAV, konstant rpm) slik at motoren ikke er laget for å skifte fra en hastighet til en annen når hodet søker fra sted til sted på platen. I CAV-modus angir "×"-tallet overføringshastigheten i ytterkanten av platen, der den er et maksimum. 20× ble antatt å være maksimal hastighet på grunn av mekaniske begrensninger inntil Samsung Electronics introduserte SCR-3230, en 32x CD-ROM-stasjon som bruker et kulelagersystem for å balansere den roterende skiven i stasjonen for å redusere vibrasjoner og støy. Fra og med 2004 er den raskeste overføringshastigheten som vanligvis er tilgjengelig omtrent 52× eller 10 400 rpm og 7,62 MB/s. Høyere spinnhastigheter begrenses av styrken til polykarbonatplasten som skivene er laget av. Ved 52× er den lineære hastigheten til den ytterste delen av skiven rundt 65 m/s. Imidlertid kan forbedringer fortsatt oppnås ved å bruke flere laser pickuper som demonstrert av Kenwood TrueX 72× som bruker syv laserstråler og en rotasjonshastighet på omtrent 10×.

Den første 12×-stasjonen ble utgitt sent i 1996. Over 12× hastighet er det problemer med vibrasjoner og varme. CAV-drev gir hastigheter opp til 30× i ytterkanten av skiven med samme rotasjonshastighet som en standard ( konstant lineær hastighet , CLV) 12×, eller 32× med en liten økning. På grunn av CAV-typen (lineær hastighet ved den indre kanten er fortsatt bare 12×, øker jevnt mellom) er den faktiske gjennomstrømningsøkningen mindre enn 30/12; faktisk omtrent 20× gjennomsnitt for en helt full plate, og enda mindre for en delvis fylt.

Fysiske begrensninger

Problemer med vibrasjoner, på grunn av begrensninger for oppnåelig symmetri og styrke i masseproduserte medier, betyr at CD-ROM-stasjonens hastigheter ikke har økt voldsomt siden slutten av 1990-tallet. Over 10 år senere varierer vanlig tilgjengelige stasjoner mellom 24× (slanke og bærbare enheter, 10× spinnhastighet) og 52× (typisk CD- og skrivebeskyttede enheter, 21× spinnhastighet), alle bruker CAV for å oppnå den påståtte " maks" hastigheter, med 32× til 48× mest vanlig. Likevel kan disse hastighetene forårsake dårlig lesing (drivfeilkorreksjon har blitt veldig sofistikert som respons) og til og med knusing av dårlig laget eller fysisk skadet media, med små sprekker som raskt vokser til katastrofale brudd når sentripetalt belastes ved 10 000–13 000 rpm (dvs. 40 –52× CAV). Høye rotasjonshastigheter produserer også uønsket støy fra skivevibrasjoner, susende luft og selve spindelmotoren. De fleste stasjoner fra det 21. århundre tillater tvungne lavhastighetsmoduser (ved bruk av små hjelpeprogrammer) av hensyn til sikkerheten, nøyaktig lesing eller stillhet, og vil automatisk falle tilbake hvis det oppstår mange sekvensielle lesefeil og gjenforsøk.

Løsninger

Andre metoder for å forbedre lesehastigheten ble utprøvd som å bruke flere optiske stråler, øke gjennomstrømningen opp til 72× med en 10× spinnhastighet, men sammen med andre teknologier som 90~99 minutters opptaksmedier, GigaRec og dobbel tetthet CD ( Lilla Book standard) opptakere, ble verktøyet deres ugyldig ved introduksjonen av DVD-ROM- stasjoner for forbrukere som var i stand til konsekvente 36× tilsvarende CD-ROM-hastigheter (4× DVD) eller høyere. I tillegg, med en 700 MB CD-ROM som er fullt lesbar på under 2½ minutter ved 52× CAV, er økninger i faktisk dataoverføringshastighet avtagende innflytelse på den totale effektive kjørehastigheten når det tas i betraktning med andre faktorer som lasting/lossing, mediagjenkjenning, spinn opp/ned og tilfeldige søketider, noe som gir mye redusert avkastning på utviklingsinvesteringer. En lignende stratifiseringseffekt har siden blitt sett i DVD-utvikling der maksimal hastighet har stabilisert seg på 16× CAV (med unntakstilfeller mellom 18× og 22×) og kapasitet på 4,3 og 8,5 GB (enkelt- og dobbeltlag), med høyere hastighet og kapasitet må i stedet dekkes av Blu-ray-stasjoner.

Hastighetskarakterer

CD-opptakbare stasjoner selges ofte med tre forskjellige hastighetsklassifiseringer, én hastighet for operasjoner som skrives én gang, én for omskrivingsoperasjoner og én for skrivebeskyttede operasjoner. Hastighetene er vanligvis oppført i den rekkefølgen; dvs. en 12×/10×/32× CD-stasjon kan, hvis CPU og media tillater det, skrive til CD-R-plater med 12× hastighet (1,76 MB/s), skrive til CD-RW-plater med 10× hastighet (1,46 MB/ s), og lese fra CDer med 32× hastighet (4,69 MB/s).

Hastighetstabell

Vanlige dataoverføringshastigheter for CD-ROM-stasjoner
Overføringshastighet KB/s Mbit/s MB/s RPM (ytre til indre kant)
150 1,2288 0,146 200–530
300 2,4576 0,293 400–1 060
600 4,9152 0,586 800–2120
1200 9,8304 1.17 1600–4240
10× 1500 12.288 1,46 2000–5300
12× 1800 14.7456 1,76 2.400–6.360
20× 1200–3000 opp til 24.576 opp til 2,93 4000 ( CAV )
24× 1 440–3 600 opp til 29.491 opp til 3,51 4800 ( CAV )
32× 1 920–4 800 opptil 39,3216 opp til 4,69 6400 ( CAV )
36× 2.160–5.400 opp til 44.2368 opp til 5,27 7200 ( CAV )
40× 2.400–6.000 opp til 49.152 opp til 5,86 8 000 ( CAV )
48× 2 880–7 200 opptil 58.9824 til 7.03 9600 ( CAV )
52× 3 120–7 800 opp til 63.8976 opp til 7,62 10 400 ( CAV )
56× 3 360–8 400 opptil 68.8128 opp til 8.20 11 200 ( CAV )
72× 6 750–10 800 opp til 88.4736 opptil 10,5 2700 (flerstråle)

Problemer med opphavsrett

Programvaredistributører, og spesielt distributører av dataspill, bruker ofte forskjellige kopibeskyttelsesordninger for å forhindre at programvare kjører fra andre medier enn de originale CD-ROMene. Dette skiller seg noe fra lyd-CD- beskyttelse ved at det vanligvis er implementert i både media og selve programvaren. Selve CD-ROM-en kan inneholde "svake" sektorer for å gjøre kopiering vanskeligere, og tilleggsdata som kan være vanskelig eller umulig å kopiere til en CD-R eller platebilde, men som programvaren sjekker for hver gang den kjøres for å sikre at en original plate og ikke en uautorisert kopi finnes i datamaskinens CD-ROM-stasjon.

Produsenter av CD-brennere ( CD-R eller CD-RW ) oppfordres av musikkindustrien til å sikre at hver stasjon de produserer har en unik identifikator, som vil bli kodet av stasjonen på hver plate som den tar opp: RID eller opptakeridentifikasjon Kode. Dette er et motstykke til Source Identification Code (SID), en kode på åtte tegn som begynner med " IFPI " som vanligvis er stemplet på plater produsert av CD-innspillingsanlegg.

Se også

Notater

Referanser