Компакт-диски (CD-ROM - compact disk read only memory) давно уже стали привычным предметом компьютерного обихода. На них записана музыка, игрушки, тексты, программы - все, что угодно. Однако задумайтесь, что же вы знаете об их устройстве. Казалось бы - простая пластмассовая пластинка, радужно поблескивающая на свету. Однако все не так уж просто. Сам я всерьез заинтересовался этим вопросом, когда отнес на обмен поцарапанный диск, а в ответ от продавца услышал, что это, мол, я сам насыпал крошек в CD-ROM и его поцарапал. А он (продавец) ни в чем не виноват и вообще я ничего в компактах не понимаю. Так что перед походом на рынок советую подковаться в премудростях CD-ROM, чтобы потом не было обидно.

Итак, компакт-диск вмещает огромное количество информации (больше 640 Мб), имея при этом небольшие размеры (диаметр 120 мм, толщина 1,2 мм) и очень большое время жизни (по утверждениям некоторых фирм хороший диск протянет больше ста лет). Максимальный объем диска соответствует 74 минутам 16-ти битной стереозаписи с частотой дискретизации 44,1 килогерца. Почему была выбрана именно такая длина? На этот счет существует следующая история. В свое время Акиро Морита - исполнительный директор фирмы Sony - решил, что компакт-диски будут слушать исключительно любители классической музыки. Когда среди японцев провели опрос, оказалось, что самым популярным произведением была 9-я соната Бетховена. А ее длина как раз около 72 минут. Так родился первый стандарт на компакт-диски (тогда еще только аудио) - "красная книга". Случилось же это в 1980 году. Однако в компьютерном мире быстро поняли, что компакты могут стать уникальным хранилищем любой информации, а не одной только музыки. После чего в 1983 году был принят стандарт "желтая книга" - для цифровых компактов. Однако этот стандарт оказался не очень "стандартным", так как диски разных производителей были несовместимы друг с другом. Вся эта неразбериха в конечном итоге привела к принятию спецификаций (ISO 9660 или High Sierra - в 1985 году) на цифровые диски, практически покончивших с проблемой несовместимости. Сразу хочу успокоить читателя: современный CD-ROM drive поддерживает все эти стандарты и еще несколько (CD-ROM/XA, CD-I - "зеленая книга", Kodak Photo CD). Кстати, все эти "книги" были разработаны совместно Sony и Philips, а "разноцветные" названия им дали за цвет обложек описаний.

Как же устроен компакт-диск? Думаю, все это видели (а если нет, то посмотрите на рисунок 1).

Основа (3) - обычный диск из прозрачной пластмассы (она называется поликарбонатом). На нее напылен слой металла (2) (в большинстве случаев алюминия) толщиной 50-100 нанометров (нанометр - 10-9 метра). Сверху металл покрыт лаком (1) (слой примерно в 10-30 микрон), на котором напечатано название диска. Для чего нужен лак? Чтобы защитить металлическую пленку от окисления. Ведь окислившись, она перестанет отражать свет - и диск можно выбрасывать. Поэтому не рекомендую писать на компактах маркером - краска может разъесть защитный слой.

Информация на диске представлена в виде последовательности "ямок" (pit) и "горок" (land). Луч лазера по-разному отражается от них, и в результате мы получаем цепочку нулей и единиц - двоичное представление информации (на самом деле это не совсем правильно, но об этом позже). Лазер, как показано на рисунке, светит со стороны пластмассы. Весь этот рельеф штампуется на диск с матрицы (почти как у первопечатников), а уже потом на него напыляют металл. Ямки и горки образуют одну спиральную дорожку; как на грампластинке, только намного длиннее (около 5 километров). Ширина такой дорожки определяется шириной ямок и составляет 0.5 микрона. Длина ямок варьируется от 0.8 до 3.6 микрон. Расстояние между соседними оборотами дорожки (их тоже называют дорожками) - 1.6 микрона. Вся поверхность диска, не являющаяся ямкой, будет одной большой горкой.

Компакт-диски имеют еще одну любопытную особенность - считывание с них производится при постоянной линейной скорости (это сделано для того, чтобы вместить на диск больше информации). Этот термин значит, что поверхность диска все время должна двигаться под считывающей головкой с одинаковой скоростью. Для сравнения: обычные дискеты читаются с постоянной угловой скоростью (то есть скорость их вращения в дисководе во время считывания не изменяется). Поэтому на дискете на внутренних и на внешних дорожках записано одинаковое количество информации. У компакта все наоборот: внешние дорожки несут данных почти в два раза больше, чем внутренние. Все это хорошо, однако есть одно но: чтобы поддерживать постоянную линейную скорость (около 1.2 м/с для 1x CD-ROM), сервомотор должен постоянно менять число оборотов (от 500 на краю до 250 об/мин в центре). Именно этим объясняется достаточно большое (сотни миллисекунд) время поиска у CD-ROM drive'ов. Однако, как уже говорилось, постоянная линейная скорость позволяет достичь весьма большой плотности информации на компакт-диске (порядка 1 килобайта на сантиметр длины дорожки и примерно 600 дорожек на миллиметр радиуса). При всем том, мелкие повреждения поверхности не приводят к потере информации, что говорит об очень высокой надежности.

А теперь самое интересное: принцип работы CD-ROM drive'а (посмотрите на рисунок 2).

Как вы наверняка знаете, чтение данных производится с помощью лазера, но не простого, а инфракрасного (длина волны - 780 нм). Но как она производится - это вопрос посложнее. Лазер светит на диск и его свет отражается от металлического слоя. После этого он попадает на фотодиодный приемник, который преобразует свет в напряжение: чем лучше освещенность, тем оно выше. Так мы получаем нужную нам последовательность нулей и единиц. Тут надо отметить, что широко распространенное мнение о том, что ямки на диске соответствуют нулям, а горки - единицам (или наоборот) неверно. На самом деле единица кодируется как переход от ямки к горке или от горки к ямке. Это делается следующим образом: длина волны лазера в поликарбонате (пластмассовой основе диска с показателем преломления 1,55) примерно 500 нм. Глубина ямки около 25 нм. Вспомните оптику: если две когерентные волны приходят в противофазе, то они интерферируют и ослабляются. Глубина ямки как раз равна четверти длины волны, значит свет, отразившийся от ямки, ослабит свет, отразившийся от горки. В результате яркость лазерного луча резко упадет - значит здесь логическая единица. Если же луч отражается нормально (не важно, от горки или от ямки), то получаем ноль. Такой способ записи требует специальной кодировки, но о ней мы поговорим позже.

Чтобы лазерный луч мог правильно передать информацию, записанную на диске, он должен быть точно сфокусирован на металлическом слое. Фокусное расстояние объектива в считывающей головке постоянное (несколько миллиметров), значит, надо все время следить за шириной промежутка между объективом и диском. Эта проблема решена весьма оригинально. Видите на рисунке цилиндрическую линзу и четыре фотодиода (A, B, C, D). Если объектив находится к диску ближе, чем надо, то отраженное пятно лазерного света будет эллиптическим, значит на диодах A и C напряжение будет больше. Если объектив дальше, то лучше будут освещены диоды B и D. И только когда луч сфокусирован точно, пятно будет идеально круглым. Кстати, диаметр луча на поверхности диска составляет 800 микрон (такому пятну не страшны мелкие царапины и загрязнения), а на поверхности металла он "ужимается" до 1,7 микрон (этого вполне достаточно, чтобы различить отдельные ямки).

Два боковых диода предназначены для отслеживания дорожки (посмотрите на рисунок 3): когда основной луч находится на ней, они отражаются от промежутка между дорожками. Эти лучи улавливают фотодиоды E и F. Кстати, о царапинах: вы наверняка знаете, что круговые царапины на компакте намного опаснее радиальных. Между тем и те, и другие не очень сильно влияют на качество считывающего (основного) луча. Однако радиальные могут сбить с толку систему, отслеживающую дорожку, и компакт может даже зациклиться, как старая грампластинка.

Это в основном все, что касается техники считывания информации. Однако если бы этим дело и ограничилось, то вам никогда бы не удалось правильно считать даже самую маленькую программу. Все дело в том, что ошибки при считывании присутствуют всегда, причем их не так уж мало (100 ошибок в секунду считается нормой) - так что необходимо как-то закодировать информацию: вот об этом-то мы и поговорим в следующий раз.

Константин АФАНАСЬЕВ