Часть первая. Основные исторические моменты и базовые понятия

Целью данного небольшого цикла материалов является освещение технологии CD, которая является одной из доминирующих на современном рынке носителей информации, как компьютерной, так и звуковой, и видео. Мы увидим, как все создавалось, иногда для объяснения некоторых стандартов возьмем в руки калькулятор. Главная цель этого цикла - как можно доступнее объяснить тенденции, стандарты и технологии, с которыми мы встречаемся повседневно. Итак, поехали...

Экскурс в историю - CD-DA

На самом деле оптические диски практически являются ровесниками персональных компьютеров. И у них даже есть свои родители - виниловые пластинки. Годом прихода оптических дисков в современные технологии считается 1982-й. Именно тогда две крупнейших компании Philips и Sony занялись новыми разработками. Исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита, прославившийся также авторством знаменитого плейера Walkman, считал, что такие диски должны быть предназначены для прослушивания классической музыки. И стандартом продолжительности звучания взяли время звучания 9-й симфонии Бетховена, которое равняется примерно 73 минутам. Это очень интересный факт, повлиявший на создание современного компакт-диска. Мне это напоминает еще один интересный момент, когда в средневековье авторы театральных пьес рассчитывали время относительно времени горения одной свечи, которыми, как известно, тогда все освещалось. Вот и здесь на наше изобретение повлиял Бетховен. Было решено сделать стандартным время звучания, равное 74 минутам 33 секундам. Так родился стандарт "Красная книга" (Red book). Причем, как Вы понимаете, предшественником ему был стандарт обычной виниловой пластинки длительностью в 45 минут, обладающий худшим качеством звука и не сравнимыми с CD рабочими характеристиками носителя. Наравне с Sony в формировании стандарта "Красной книги" принимала участие и фирма Philips. Были введены жесткие требования к размерам, качеству звука, методу кодирования данных и использование единой спиральной дорожки. Эта дорожка состоит из углублений и промежутков между ними, соответственно, pits и lands. Граница между pits и lands обозначает единицу, а длина pits или lands - ноль. Именно в таком виде и представляются данные на CD.

Как представлены данные на CD-DA

Структурно весь диск можно разделить на три основные части: lead-in (вводная зона, хранящая всю информацию о структуре и принадлежности диска), PMA (Program Memory Area - непосредственно сами данные) и lead-out (выводная зона, состоящая практически из одних "нулей" и по сути являющаяся индикатором конца диска).

Вся информация записывается на CD-DA в виде дорожек, разделенных зазорами (pre-gap), равными 2 секундам. Таких дорожек может быть 99, и каждая из них может быть разбита на 99 фрагментов. Понятие дорожек несколько вторично, но хорошо подходит для простейшего описания структуры диска.

На самом деле информация на диске представлена в виде блоков-сегментов, которые имеют стандартный размер (2352 байта) и стандартную скорость их чтения - 75 блоков в секунду. То есть, если мы говорим о зазоре длиной в две секунды, то подразумеваем 150 "пустых" блоков-сегментов. Сами же дорожки состоят из наполненных информацией блоков.

Блок-сегмент, в свою очередь, состоит из 98 микрокадров, каждый из которых имеет размер в 24 байта (192 бита). 24 байта может содержать описание значений шести дискретных отсчетов правого и левого каналов. И приведенное значение 2352 байта можно получить простым умножением 98 на 24. Так что, говоря о таком размере сегмента, мы говорим только о чисто звуковой информации.

Давайте поговорим поподробнее о микрокадрах, тогда все станет более понятным. Тут имеет смысл вспомнить о частоте дискретизации, разрядности и импульсно-кодовой модуляции. По стандарту, определенному в "Красной книге", частота дискретизации звука на CD-DA должна быть равна 44.1 КГц (22050 Гц на каждый канал) при разрядности 16 бит. Если мы в каждый микрокадр помещаем по шесть дискретных значений и эти микрокадры считываются со скоростью 7350 штук/сек (число 7350 можно получить также умножением приведенных ранее цифр: 98 на 75), то простым умножением 7350 на 6 получаем 44100 считываемых значений в секунду. То есть получаем искомую частоту дискретизации.

Продолжение экскурса в историю - CD-ROM

Итак, давайте возьмем в руки калькулятор и посмотрим, сколько блоков-сегментов должно войти в длительность 74 минуты. Получим это по формуле 74х60 (переводим в секунды)х75(скорость чтения блоков). Итого получаем 333000. Именно столько блоков-сегментов может содержать компакт-диск, опираясь на технологические стандарты, предусмотренные для устройств чтения.

Philips и Sony разработали новую спецификацию для хранения цифровых данных на CD-носителях. Стандарт стал называться "Желтой книгой", а сами носители - CD-ROM (Read Only Memory). Блок-сегмент, равный 2352 байтам, преобразовался. То есть по стандарту были предусмотрены типы Mode 1, предназначенный для хранения цифровых компьютерных данных, и Mode 2 - сжатых графических, текстовых и звуковых данных. Блок-сектор типа Mode 1 хранит в себе информацию по коррекции и исправлению ошибок EDC/ECC (Error Detection Code/Error Correction Code) и является самым распространенным. На коррекцию и исправление ошибок в каждом секторе отводится 288 байт. В результате на информацию остается 2064 байта, 12 из которых выделяются на синхронизацию и 4 байта - для заголовка сектора. Получаем искомые 2048 байт, предназначенные непосредственно для хранения информации.

Если каждый блок позволяет хранить в себе 2048 байт информации, то несложно вычислить вместимость компакт-диска. Для этого берем найденное число блоков, умножаем на количество информации и переводим в мегабайты - 650,39 Мб, если считать правильно, и 681,984, если считать неправильно, забыв о том, что в килобайте 1024 байта, а в мегабайте 1024 килобайта. Почему я заострил внимание на этой ошибке? Думаю, что многие часто встречали матрицы на 680 Мб, которые, по сути, таковыми не являются. Итак, было посчитано, что 74 минуты аудио - это 650 Мб объема, хранящего цифровые данные.

Если говорить о типе Mode 2, то в нем не предусмотрена коррекция ошибок, и сегмент может вместить 2336 байт. Коррекция не предусмотрена, поскольку разработчики разумно посчитали, что метод коррекции ошибок будет заложен в сами данные или реализуется на уровне CIRC. Сам стандарт - редкий, хотя на его основе были разработаны несколько других, например, XA.

Если основной минимальной единицей в формате CD-DA является дорожка, то в CD-ROM - сегмент.

Mixed Mode Disk

В принципе, после прихода двух стандартов, описанных "Красной" и "Желтой" книгами, стояла одна существенная проблема: носители были строго привязаны к типам накопителей. То есть совмещение аудио и цифровых данных было в то время не реализовано. Появились диски смешанных форматов, хранящие в себе данные как CD-ROM, так и CD-DA. Причем первые данные (CD-ROM) записывались в начале диска. Это не совсем удобно, поскольку аудионакопители пытаются прочитать первую дорожку, чем могут навредить аудиоаппаратуре, а CD-ROM-накопители не могут одновременно читать программу и воспроизводить аудио.

High Sierra и ISO-9660

Именно так (High Sierra) назывались отель и казино одного из городков в Калифорнии, где в ноябре 1985 года представители ведущих производителей CD-ROM собрались для того, чтобы обсудить проблему совместимости и общего типа структурирования файловой системы для всех носителей. То есть требовался стандарт для файловой системы, структуры записи и чтения и т.п. Был составлен документ, который являлся спецификацией (название спецификации - HSG), определяющей логические и файловые форматы компакт-дисков. Документ носил рекомендательный характер, и хотя впоследствии многое определил для технологической отрасли в целом, цвета книги для него так и не нашлось. Предложение формата HSG-спецификации во многом базировалось на представлении структуры флоппи-диска, содержащего нулевой трек или системную дорожку, в которой хранятся данные о типе носителя и его файловой структуре с директориями, поддиректориями и файлами. CD организован немного по-другому. То есть все данные такого типа хранятся в служебной и системной областях. В первой хранится информация, необходимая для синхронизации между носителем и накопителем. Во второй - файловая структура, причем указываются прямые адреса файлов в поддиректориях, что сокращает время поиска.

Через три года (1988) был принят международный стандарт ISO-9660, основные положения которого были очень схожи с HSG-представлением. Этот стандарт описывает файловую систему CD-ROM и имеет три уровня. Первый уровень выглядит примерно так:

- имена файлов могут содержать до 8 символов;

- в названиях файлов используются символы только верхнего регистра, цифры и символ "_";

- в именах файлов не допускаются специальные символы - "-,~,=,+";

- имена каталогов не могут иметь расширений;

- файлы не могут быть фрагментированы.

Второй и третий уровень ISO-9660 только облегчают и расширяют возможности первого. В частности, на втором уровне сняты ограничения по именам файлов и каталогов (например, разрешено уже создавать имена длиной в 32 символа), на третьем уже разрешается фрагментировать файлы. Стоить отметить, что ISO-9660 первого уровня стандартизирует в основном форматы файловых систем MS-DOS и HFS (Apple Macintosh). Второй уровень в данных системах уже не читаемый.

Для Apple Macintosh существует отдельно стандарт формата файловой системы HFS (Hierarchical File System). У данной платформы компьютеров своя особая иерархия файловой системы, из-за чего данный стандарт является востребованным. На один диск можно записать несколько форматов файловых систем одновременно.

Windows-стандарты - Joliet и Romeo

Стандарт формата ISO-9660 очень неудобен и громоздок и, прежде всего, разграничивает операционные системы. Но Вы знаете, что файловые системы MS-DOS и Windows - совместимы. Практически все сталкивались с тем, что длинные имена Windows укорачиваются в режиме MS-DOS, появляется символ "~" и число. В данном случае мы имеем дело со спецификацией Joliet. Сам стандарт Joliet позволяет использовать имена, состоящие из 64 символов, причем осуществлена поддержка создания в MS-DOS альтернативных имен. Также допускается сохранение имен в стандарте Unicode. То есть осуществлена многоязыковая поддержка. Диски, записанные по такому стандарту, являются абсолютно читабельными в системах Windows 9.x/NT, хотя есть ограничения на более ранние версии NT. То есть Joliet является самым универсальным стандартом.

Многие могут часто сталкиваться с еще одним стандартом, имеющим соответствующее романтическое название - Romeo. Данный стандарт позволяет пользоваться именами длиной в 128 символов, но при этом не создает альтернативных DOS-имен и не поддерживает Unicode. Применим данный стандарт только в операционных системах Windows 9.x/NT.

Продолжение экскурса в историю - CD-I,

CD-I-Ready, CD-I Bridge, CD-ROM-XA

В 1988 году была предложена новая спецификация CD-I (Interactive), разработанная для портативных устройств, подключаемых к домашним телеприемникам. То есть данные диски могли использоваться и без компьютера. Хранили они в себе информацию, включающую аудио и видео. Спецификация описана в "Зеленой книге" (Green Book). Разновидность CD-I-Ready была создана для получения совместимости между стандартными аудиопроигрывателями и CD-I-устройствами. То есть, по сути, это было объединение "Красной книги", описывающей аудио, и "Зеленой книги", описывающей мультимедиа-диски.

Примерно в то же время, 1988-1990, создавался стандарт расширенной архитектуры CD - CD-XA (eXtended Architec-ture). Создавался совместно Philips, Microsoft и Sony и описан в "Зеленой книге". Предназначен он был для совмещения стандартов CD-I и CD-ROM. Как мы и говорили, тип Mode 2, описанный в "Желтой книге", широко нигде не применялся, хотя позволял хранить аудио- и графические данные в сжатом виде и тем самым лег в основу технологии XA. Для хранения данных используются два типа секторов (описаны в "Зеленой книге"): Form 1 для компьютерных данных - с коррекцией ошибок (место в сегменте для данных - 2048 байт), Form 2 для мультимедийных данных - без коррекции ошибок (место в сегменте для данных - 2324 байт). Самой главной особенностью стандарта является возможность чередования различных типов секторов с данными на одной дорожке. На базе XA можно также производить и запись смешанных данных, например, после Form1 записать одну или несколько дорожек CD-I или CD-DA. Для возможности записи формата CD-I в XA-диски, а также для возможности воспроизведения формата CD-I на обычном компьютере была предусмотрена спецификация CD-I Bridge (Мост).

Отдельно хочется отметить возможность использования сжатой аудиоинформации в CD-ROM/XA. Когда мы говорили о CD-DA, то вспоминали об ИКМ (импульсно-кодовая модуляция), или же, по-английски, PCM (Pulse Code Modulation), при которой каждая дискретная точка описывается определенным количеством значений. После PCM была придумана новая технология DPCM (Differential PCM), по которой не нужно описывать каждую точку, а достаточно указать разностные значения по сравнению с предыдущей. После этого возникла еще одна технология ADPCM (Adaptive Differential PCM), в которую были включены коэффициенты масштабируемости, так как, Вы сами понимаете, есть максимальные значения и минимальные. Последняя технология позволила, сохраняя качество, растянуть рамки возможного времени воспроизведения аудио от 74 минут до нескольких часов.

Чередование различного типа данных в спецификации XA позволило значительно сократить доступ к ним, улучшить параметры одновременного чтения видео, аудио и так далее.

Мультисессия

Технологические циклы записи, или назовем их сеансами, до определенного времени могли быть только однократными. То есть запись на компакт-диск могла происходить только в один сеанс (single session). После чего дописать информацию становилось невозможным. Согласитесь, что это не очень удобно, хотя бы по сравнению с дискетами или ленточными накопителями. Первыми об этой проблеме задумались в фирме Kodak. Был специально разработан новый стандарт Photo CD. Они предложили систему многосеансовой записи CD, но это требовало специальных устройств, так как приводы CD-ROM могли читать тогда только одну сессию - первую. И, естественно, произошла привязка стандартов Photo CD и CD-ROM/XA. Таким образом, появились многосеансовые диски CD-ROM/XA, которые можно было дозаписывать и читать в стандартных устройствах CD-ROM. Сессии начинаются с lead-in и заканчиваются lead-out.

1991-й - CD-R, CD-E, CD-RW

Спецификация, разработанная в 1991 году, была выпущена в виде "Оранжевых книг" (Orange Books). Их две. Первая стандартизирует магнито-оптические накопители, которые могут стирать, перезаписывать информацию. Вторая книга посвящена накопителям с однократной записью, которые могут только дозаписывать. То есть во второй книге речь идет о CD-R (Recordable). К ним относятся уже известные нам стандарты PhotoCD и CD-ROM/XA. Постепенно современные технологии стали позволять перезапись дисков. Мы говорим о CD-RW (Rewritable) или же CD-E (Erasable), что, по сути, является одним и тем же. Эти носители и накопители скорее всего подпадают под первую из "Оранжевых книг".

Video CD - его требовала индустрия развлечений

В 1993 году вышла "Белая книга" (White Book), в которой был стандартизирован новый продукт - Video CD, разработанный совместно JVC, Matsushita, Sony и Philips. В основу данного стандарта легла видеосистема Karaoke, разработанная JVC. Новый формат позволяет хранить 72 минуты видео со стереозвуком. Формат сжатия знаком многим - MPEG (Motion Picture Experts Group). Первая дорожка записывается в формате CD-ROM/XA, потом идет блок данных, содержащий сжатое видео. Основываясь на приобретениях, полученных с помощью стандарта "Белой Книги", эксперты впоследствии внесли существенные изменения в "Зеленую книгу".

Enhanced CD - его требовало время... и шоу-бизнес

Когда мы говорили о стандарте CD-ROM/XA, то не сказали об одной существенной проблеме. Какой? Как всегда - совместимости... на этот раз с CD-плейерами. Первым идет дорожка с данными, а потом уже с аудио, что плейерами или не воспринимается, или воспринимается неадекватно. Стандарт Enhanced CD позволяет аудио-треки прописать в первой сессии, а компьютерные данные - во второй. Стандарт появился в 1994 году и, помимо данного, имеет и другие названия, такие как CD Plus, Extra CD.

Проблемы совмещения форматов

Как Вы поняли, форматов и стандартов очень много. Причем зачастую разработчики пытались уйти от чисто компьютерного использования CD и расширить его сферу влияния на другие устройства. То есть на CD-проигрыватели, CD-I-устройства, PhotoCD-устройства. Потом постепенно возвращались к тому, что на компьютере сие также должно быть читаемым. Помимо этого работа шла над совместимостью платформ. Даже CD-ROM-накопители сменились в поколениях и возможностях чтения. Наверняка каждый из вас встречал файл под именем mscdex.exe, поставляемый с каждым CD-ROM-устройством. Многим будет интересно узнать расшифровку такого названия - Microsoft CD extensions. Этот файл ответственен за преобразования форматов.

Продолжение следует...

Кристофер. http://www.chris808.tut.by/