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CD, CD audio e CD-ROM

Aprile 2015
Il Compact Disc è stato inventato da Sony e Philips nel 1981 per costituire un supporto audio compatto di alta qualità con un accesso diretto alle piste digitali. E' stato ufficialmente lanciato nell'ottobre del 1982. Nel 1984, le specifiche del Compact Disc sono state estese (con la pubblicazione dello Yellow Book) per permettergli di memorizzare dei dati digitali.


La geometria del CD


Il CD (Compact Disc) è un disco ottico di 12 cm di diametro e di 1,2 mm di spessore (lo spessore può variare da 1.1 a 1.5 mm) che permette di salvare delle informazioni digitali, cioè corrispondenti a 650 MB di dati informatici (ossia 300 000 pagine dattilografate) oppure fine a 74 minuti di dati audio. Un foro circolare di 15 mm di diametro posto al centro permette di inserirlo sui giradischi.

La composizione del CD


Il CD è costituito da uno substrato in materia plastica (policarbonato) e da una fine pellicola metallica riflettente (oro 24 carati o lega d'argento). Lo strato riflettente è ricoperto da una lacca anti-UV in acrilico che crea un film protettore per i dati. Infine, può essere aggiunto uno strato supplementare per ottenere una superficie stampata.


Lo strato riflettente ha dei piccoli alveoli. Così quando il laser attraversa il substrato di policarbonato, la luce è riflessa sullo strato riflettente, tranne quando il laser passa su un alveolo, cosa che permette di codificare l'informazione.

Questa informazione è salvata su 22188 piste incise in spirale (si tratta in realtà di una sola pista concentrica).


I CD venduti in commercio sono pressati, cioè gli alveoli sono realizzati grazie ad una plastica iniettata in uno stampo contenente il motivo inverso. Successivamente viene colato sul substrato in policarbonato uno strato metallico, a sua volta ricoperto da uno strato protettivo.

I CD vuoti invece (CD-R ) hanno uno strato supplementare (posto tra il substrato e lo strato metallico) composto da un colorante organico (in inglese dye) che può essere inciso (spesso si usa il termine bruciato ) da un laser potente (10 volte più di quello che serve per la lettura). E' quindi lo strato di colorante che permette di assorbire o meno il fascio di luce emesso dal laser.


I coloranti più utilizzati sono :
  • La cianina di colore blu, che diventa verde quando lo strato metallico è d'oro
  • La ftalocianina di colore "verde chiaro", che diventa dorata quando lo strato metallico è d'oro
  • L'AZO, blu scuro


Dato che l'informazione non è più salvata sotto forma di cavità ma da da un segno "colorato", una pre-spirale (in inglese pre-groove) si trova sul supporto vergine per aiutare il masterizzatore a seguire il percorso a spirale, cosa che evita la presenza di una meccanica di precisione sui masterizzatori di CD-R.
D'altra parte, questa spirale ondula secondo una sinusoidale, detta wobble, con un'ampiezza di +/-0.03µm (30nm) e una frequenza di 22,05kHz. Il wobble permette di dare un'informazione al masterizzatore sulla velocità a cui masterizzare. Questa informazione è chiamata ATIP (Absolute Time in PreGroove).

Funzionamento


La testina di lettura è composta da un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) che emette un fascio luminoso e da una cellula fotoelettrica incaricata di captare il raggio riflesso. Il laser utilizzato dai lettori di CD è un laser ad infrarossi (con una lunghezza d'onda di 780 nm) dato che è compatto e poco costoso. Una lente posta vicino al CD focalizza il fascio laser sugli alveoli.

Uno specchio semi-riflettente permette alla luce riflessa di raggiungere la cellula fotoelettrica, come spiegato nel disegno seguente :


Un carrello è incaricato di spostare lo specchio in modo da permettere alla testina di lettura di accedere a tutto il CD-ROM.

Si distinguono generalmente due modi di funzionamento per la lettura di CD :
  • La lettura a velocità lineare costante (sigla CLV ossia constant linear velocity). Si tratta del modo di funzionamento dei primi lettori di CD-ROM, basato sul funzionamento dei lettori di CD audio oppure dei vecchi giradischi. Quando un disco gira, la velocità delle piste poste al centro è minore rispetto a quelle esterne, così è necessario adattare la velocità di lettura (quindi la velocità di rotazione del disco) in funzione della posizione radiale della testina di lettura. Con questa procedura la densità d'informazione è la stessa per tutto il supporto, e vi è quindi un guadagno di capacità. I lettori di CD audio hanno una velocità lineare compresa tra 1.2 e 1.4 m/s.
  • La lettura a velocità di rotazione angolare costante (sigla CAV per constant angular velocity) consiste nell'aggiustare la densità delle informazioni secondo il luogo in cui si trovano per ottenere la stessa capacità di banda ad uguale velocità di rotazione per qualsiasi punto del disco. Questo crea quindi una bassa densità di dati alla periferia del disco e una alta concentrazione nel suo centro.La velocità di lettura del lettore di CD-ROM corrispondeva in origine alla velocità di lettura di un CD audio, cioè una banda di 150 kb/s. Questa velocità è stata in seguito presa come riferimento e siglata 1x. Le generazioni successive di lettori CD-ROM sono state caratterizzate da multipli di questo valore. La tabella seguente fornisce le equivalenze tra i multipli di 1x e la banda :

BandaTempo di risposta
1x150 kb/s400 a 600 ms
2x300 kb/s200 a 400 ms
3x450 kb/s180 a 240 ms
4x600 kb/s150 a 220 ms
6x900 kb/s140 a 200 ms
8x1200 kb/s120 a 180 ms
10x1500 kb/s100 a 160 ms
12x1800 kb/s90 a 150 ms
16x2400 kb/s80 a 120 ms
20x3000 kb/s75 a 100 ms
24x3600 kb/s70 a 90 ms
32x4500 kb/s70 a 90 ms
40x6000 kb/s60 a 80 ms
52x7800 kb/s60 a 80 ms

La codifica delle informazioni


La pista fisica è in effetti costituita da alveoli di profondità di 0,168µm, di larghezza di 0,67µm e di lunghezza variabile. Le piste fisiche sono fra loro da una distanza di circa 1.6µm. Viene chiamato solco (in inglese pit) il fondo dell'alveolo e spaziatura (in inglese land) gli spazi tra gli alveoli.


Il laser utilizzato per leggere i CD ha una lunghezza d'onda di 780 nm nell'aria. Ora essendo l'indice di rifrazione del policarbonato uguale a 1.55, la lunghezza d'onda del laser nel policarbonato vale 780/1.55 = 503nm = 0.5µm.

La profondità dell'alveolo corrisponde quindi ad un quarto della lunghezza d'onda del fascio laser, anche se l'onda, riflettendosi nel solco percorre una metà della lunghezza d'onda in più (un quarto all'andata più un quarto al ritorno) rispetto a quella riflessa sul piatto .

In questo modo, quando il laser passa vicino ad un alveolo, l'onda e il suo riflesso sono sfasati di una mezza lunghezza d'onda e si annullano (interferenze distruttrici), quindi è come se nessuna luce sia stata riflessa. Il passaggio da un solco ad un piatto provoca una caduta di segnale, rappresentante un bit.

E' la lunghezza dell'alveolo che permetta di definire l'informazione. La dimensione di un bit sul CD, sigla "T", è normalizzato e corrisponde alla distanza percorsa dal fascio luminoso in 231.4 nanosecondi, ossi 0.278µm alla velocità standard minima di 1.2 m/s.

Secondo lo standard EFM (Eight-to-Fourteen Modulation), utilizzato per l'immagazzinamento di informazioni su un CD, esso deve sempre avere almeno due bit a zero tra due bit consecutivi a 1 e non può avere più di 10 bit consecutivi a zero tra due bit a 1 per evitare gli errori. Questo perché la lunghezza di un alveolo corrisponde almeno alla lunghezza necessaria per immagazzinare il valore OO1 (3T, cioè 0.833µm) e al massimo alla lunghezza corrispondente al valore 00000000001 (11T, ossia 3.054µm).

Standard


Esistono numerosi standard che descrivono il modo in cui le informazioni devono essere immagazzinate su un CD, secondo l'uso che se ne vuole fare. Questi standard fanno riferimento a dei documenti chiamati books(in italiano libri) ai quali è stato attribuito un colore :
  • Red book (libro rosso chiamato anche RedBook audio): Uscito nel 1980 da Sony e Philips, descrive il formato hardware di un CD e la codifica degli CD audio (siglato a volte con CD-DA per Compact Disc - Digital Audio). Esso definisce una frequenza di campionamento di 44.1 kHz con una risoluzione di 16 bit in stereo per la registrazione di dati audio.
  • Yellow book (libro giallo): uscito nel 1984 per descrivere il formato hardware dei CD di dati (CD-ROM per Compact Disc - Read Only Memory). Esso prevede due modalità :
    • CD-ROM Mode 1, utilizzato per salvare dei dati con una modalità di correzione degli errori (ECC, per Error Correction Code) che permette di evitare la perdita di dati dovuta ad un deterioramento del supporto
    • CD-ROM Mode 2, permette di salvare dei dati grafici, video o audio compressi. Per poter leggere questo tipo di CD-ROM un lettore deve essere compatibile Mode 2.
  • Green book (libro verde): formato hardware dei CD-I (CD Interattivi di Philips)
  • Orange book (libro arancione): formato hardware dei CD scrivibili. Si suddivide in tre parti :
    • Parte I: il formato dei CD-MO (dischi magneto-ottici)
    • Parte II: il formato dei CD-WO (Write Once, ormai siglati CD-R)
    • Parte III: il formato dei CD-RW (CD ReWritable o CD riscrivibili)
  • White book (libro bianco): formato hardware dei CD video (VCD o VideoCD)
  • Blue book (libro blu): formato hardware dei CD extra (CD-XA)

Struttura logica


Un CD-R, che sia audio o CD-ROM, è costituito, secondo l'Orange Book, da tre zone che formano la zona d'informazione (information area) :
  • La zona Lead-in Area (a volte siglata LIA) che contiene solo le informazioni sul contenuto del supporto (queste informazioni sono memorizzate nella TOC, Table of Contents). La zona Lead-in va da un raggio di 23 mm ad uno di 25 mm. Questa dimensione è imposta dal bisogno di poter salvare delle informazioni per un massimo di 99 piste. La zona Lead-in serve al lettore di CD per seguire le traccie in spirale per sincronizzarsi con i dati presenti nella zona programma
  • La zona Programma (Program Area) è la zona che contiene i dati. Essa comincia a partire da un raggio di 25 mm e si estende fino ad un massimo di 58 mm, contenendo fino all'equivalente di 76 minuti di dati. La zona programma può contenere un massimo di 99 piste (o sessioni) di una lunghezza minima di 4 secondi.
  • La zona Lead-Out (a volte siglata LOA) che contiene dei dati nulli (del silenzio per un CD audio) segnale della fine del CD. Essa comincia al raggio 58 mm e deve misurare almeno 0.5 mm di spessore (radialmente). La zona lead-out deve quindi contenere minimo 6750 settori, ossia 90 secondi di silenzio alla velocità minima (1X).



Un CD-R contiene, oltre alle tre zone sopra descritte, una zona chiamata PCA (Power Calibration Area) e una zona PMA (Program Memory Area) costituendo con loro due zone dette SUA (System User Area).

La PCA può essere vista come una zona di test per il laser affinché possa adattare la sua potenza al tipo di supporto. Grazie a questa zona è possibile la commercializzazione di supporti vuoti che usano dei coloranti organici e degli strati riflettenti diversi. Ad ogni calibratura, il masterizzatore annota la prova di test effettuata, fino ad un massimo di 99 test autorizzati per media.

Sistemi di file


Il formato del CD (o più esattamente il sistema di file) descrive il modo in cui i dati sono immagazzinati nella zona programma.
Il primo sistema di file storico per i CD è l'High Sierra Standard.
Il formato ISO 9660 normalizzato nel 1984 dall'ISO (International Standards Organization) riprende l'High Sierra Standard per definire la struttura delle cartelle e dei file su un CD-ROM. Si suddivide in tre livelli :
  • Livello 1 : Un CD-ROM formattato in ISO 9660 Level 1 può contenere solo dei file con un nome in caratteri maiuscoli (A-Z), composto da cifre (0-9) nonché dal carattere "_". L'insieme di questi caratteri è detto d-characters. Le cartelle hanno un nome limitato a 8 d-characters è una profondità di sotto-cartelle limitata a 8 livelli . Inoltre la norma ISO 9660 impone che ogni file sia immagazzinato in modo continuo sul CD-ROM, senza frammentazione. Si tratta del livello più restrittivo. Il rispetto del livello 1 permette così di assicurare che il media sarà leggibile su molte piattaforme.
  • Livello 2 : Il formato ISO 9660 Level 2 impone che ogni file sia immagazzinato come un flusso continuo di byte, ma permette di nominare i file con più flessibilità accettando soprattutto i caratteri @ - ^ ! $ % & ( ) # ~ è una profondità massima di 32 sotto-cartelle.
  • Livello 3 : Il formato ISO 9660 Level 3 non impone nessuna restrizione ai nomi di file o cartelle.



Microsoft ha ugualmente definito il formato Joliet, un'estensione al formato ISO 9660 che permette di utilizzare dei nomi di file lunghi (LFN, long file names) di 64 caratteri compresi gli spazi e dei caratteri accentuati secondo la codifica Unicode.

Il formato ISO 9660 Romeo è un'opzione di nominazione proposta da Adaptec, indipendente quindi dal formato Joliet, che permette di stoccare dei file il cui nome può arrivare fino a 128 caratteri ma che non supporta la codifica Unicode.

Il formato ISO 9660 RockRidge è un'estensione di nominazione al formato ISO 9660 che gli permette di essere compatibile con i sistemi di file UNIX.

Per rimediare le limitazioni di formato ISO 9660(rendendolo inappropriato soprattutto per i DVD-ROM), l'OSTA (Optical Storage Technology Association) ha messo a punto il formato ISO 13346, conosciuto con il nome di UDF (Universal Disk Format).

I metodi di scrittura

  • Monosessione : Questo metodo crea una sola sessione sul disco e non da la possibilità di aggiungere ulteriormente dei dati.
  • Multisessione : Contrariamente al metodo precedente, questo permette di masterizzare un CD più volte, creando una tabella di contenuto (TOC per tabella di contenuti) di 14Mb per ogni sessione
  • Multivolume : E' la masterizzazione Multisessione che considera ogni sessione come un volume separato.
  • Track At Once : Questo metodo permette di disattivare il laser tra due piste, per creare una pausa di 2 secondi tra ogni pista di un CD audio.
  • Disc At Once : Contrariamente al metodo precedente, il Disc At Once scrive sul CD in una volta sola (senza pausa).
  • Packet Writing : Questo metodo permette la masterizzazione per pacchetti.

Caratteristiche tecniche


Un lettore CD-ROM è caratterizzato dai seguenti elementi :
  • Velocità : la velocità è calcolata rispetto alla velocità di un lettore di CD-Audio (150 kb/s). Un lettore su 3000kB/s sarà qualificato a 20X (20 volte più rapido che un lettore 1X).
  • Tempo d'accesso : rappresenta il tempo medio per andare da una parte del CD all'altra.
  • Interfaccia : ATAPI (IDE) o SCSI
Per poter consultare questo documento offline, ne potete scaricare gratuitamente una versione in formato PDF:
Cd-cd-audio-e-cd-rom.pdf

Vedi anche


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