CD, CD audio e CD-ROM

Agosto 2015
O Compacto Disco foi inventado por Sony e Philips em 1981 como um suporte áudio compacto de elevada qualidade que permite um acesso directo às pistas numéricas. Foi lançado oficialmente em Outubro de 1982. Em 1984, as especificações do Compacto Disco foram aumentadas (com a edição do Yellow Book) para permitir o armazenamento de dados numéricos.

A geometria do CD

O CD (Compacto Disco) é um disco óptico de 12 cm de diâmetro e 1.2 mm de espessura (a espessura pode variar entre 1.1 e 1.5 mm) que permite armazenar informações numéricas, ou seja que correspondem a 650 Mo de dados informáticos (ou 300.000 páginas dactilografadas) ou até 74 minutos de dados áudio. Um buraco circular de 15 mm de diâmetro no meio permite centrá-lo na placa de leitura.

A composição do CD

O CD é constituído por um substrato plástico (policarbonato) e uma fina película metálica reflectora (ouro de 24 carates ou mistura de prata). A camada reflectora está coberta por uma laca antiUV acrílica que cria um filme protcetor para os dados. Por último, uma camada suplementar pode ser acrescentada para obter uma face superior impressa.

couches de matériaux d



A camada reflectora possui pequenos alvéolos. Assim, quando o laser atravessa o substrato de policarbonato, a luz reflecte-se na camada reflectora, excepto quando o laser passa num alvéolo, é o que permite codificar a informação.

Esta informação é armazenada nas 22188 pistas gravadas em espirais (na realidade, trata-se apenas de uma pista concêntrica).

piste d




Os CD comprados no comércio são impressos, o que quer dizer que os alvéolos são realizados graças a plástico injectado num molde que contém o motivo oposto. Uma camada metálica é vazada seguidamente sobre o substrato de policarbonato, e esta camada metálica está ela própria sob uma camada protectora.

Os CD virgens, em contrapartida, (CR) possuem uma camada suplementar (situada entre o substrato e a camada metálica) composta por um corante orgânico (em inglês dye) que pode ser marcado (o termo "queimar" é frequentemente utilizado) por um laser de forte potência (10 vezes a necessária para a leitura). É por conseguinte a camada de corante que permite absorver ou não o feixe de luz emitido pelo laser.

couches de matériaux d



Os corantes mais frequentemente utilizados são:

  • A cianina de cor azul, dando uma cor verde quando a camada metálica é de ouro
  • O pthalocyanine de cor “verde claro”, dando uma cor dourada quando a camada metálica é de ouro
  • O AZO, de cor azul escuro




Já que a informação mais não é armazenada sob a forma de cavidade mas por uma marca “colorée”, uma préespiral (em inglês pre-groove) está presente no apoio virgem a fim de ajudar o gravador a seguir o caminho em espiral, que evita a presença de uma mecânica de precisão sobre os gravadores de CR.
Por outro lado, esta espiral ondule de acordo com uma sinusoidaa, chamada wobble, possuindo uma amplitude de +/-0.03µm (30nm) e uma frequência de 22,05kHz. O wobble permite dar uma informação ao gravador sobre a velocidade à qual deve gravar. Esta informação é chamada ATIP (Absolute Time in PreGroove).

Funcionamento

A cabeça de leitura é composta de um laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) que emite um feixe luminoso e uma célula fotoeléctrica encarregada captar o raio pensativo. O laser utilizado pelos leitores de CD é um laser infravermelho (que possui um comprimento de onda de 780 nm) porque é compato e pouco dispendioso. Uma lentilha situada perto do CD focaliza o feixe laser sobre os alvéolos.

Um espelho semi que reflecte permite a luz reflectida atingir a célula fotoeléctrica, como explicado sobre o desenho seguinte :

fonctionnement d




Um carro é encarregado deslocar o espelho de forma a permitir a cabeça de leitura aceder à integralidade do CD-ROM.

Distingue-se geralmente dois modos de funcionamento para a leitura de CD :

  • A leitura à velocidade linear constante (notado CLV seja constant linear velocity). Trata-se do modo de funcionamento dos primeiros leitores de CD-ROM, baseado no funcionamento dos leitores de CD audio ou mesmo velhos os gira-discos. Quando um disco gira, a velocidade das pistas situadas ao centro é mais importante que a das pistas situadas sobre o exterior, assim é necessário adaptar a velocidade de leitura (por conseguinte a velocidade de rotação do disco) em função da posição radial da cabeça de leitura. Com este método a densidade de informação é a mesma sobre todo o apoio, há por conseguinte um lucro de capacidade. Os leitores de CD audio possuem uma velocidade linear compreendida entre 1.2 e 1.4 m/s.
  • A leitura à velocidade de rotação angular constante (notado CAV para constant angular velocity) consiste a ajustar a densidade das informações de acordo com a lugar onde encontram-se a fim de obter o mesmo débito à velocidade de rotação igual em qualquer ponto do disco. Aquilo cria por conseguinte uma fraca densidade de dados à periferia do disco e uma forte densidade no seu centro.

A velocidade de leitura do leitor de CD-ROM correspondia à origem à velocidade de leitura de um CD audio, ou seja um débito de 150 ko/s. Esta velocidade foi tomada seguidamente como referência e notada 1x. As gerações seguintes de leitores de CD-ROM foram caraterizadas por múltiplos deeste valor. O quadro seguinte dá as equivalências entre os múltiplos de 1x e o débito:

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

A codificação das informações

A pista física com efeito é constituída de alvéolos de uma profundidade de 0,168µm, de uma amplitude de 0,67µm e de comprimento variável. As pistas físicas são afastadas entre elas de uma distância cerca de de 1.6µm. Nomeia-se partes côncavas (em inglês pit) o fundo do alvéolo e nomeia-se prato (em inglês land) os espaços entre os alvéolos.

surface d




O laser utilizado para ler os CD tem um comprimento de onda de 780 nm no ar. Ora o índice réfraction do policarbonato igual à 1.55, o comprimento de onda do laser no policarbonato vale 780/1.55 = 503nm = 0.5µm.

A profundidade do alvéolo corresponde por conseguinte um quarto do comprimento de onda do feixe laser, de modo que a onda que reflecte-se na parte côncava percorra uma metade de comprimento de onda mais (um quarto ir-o mais um quarto ao regresso) que a que reflecte-se sobre o prato.

Desta maneira, quando o laser passa a nível de um alvéolo, a onda e a sua reflexão são déphasées demi-longueur de onda e anulam-se (interferências destrutivas), todo passa-se então como se nenhuma luz era pensativa. A passagem de uma parte côncava um prato provoca uma queda de sinal, representando uma bit.

É o comprimento do alvéolo que permite definir a informação. A dimensão de uma bit sobre o CD, notada “T”, é normalizada e correspondida à distância percorrida pelo feixe luminoso em 231.4 nanossegundos, ou seja 0.278µm à velocidade standard mínima de 1.2 m/s.

De acordo com o padrão EFM (Eight-to-Fourteen Modulation), utilizado para o armazenamento de informação sobre um CD, deve haver no mínimo duas bits à 0 entre duas bits consecutivas à 1 e não pode não ter mais de 10 bits consecutivas à zero entre duas bits à 1 para evitar os erros. É por isso que o comprimento de um alvéolo (ou de um prato) corresponde no mínimo ao comprimento necessário para armazenar o valor OO1 (3T, ou seja 0.833µm) e no máximo ao comprimento que corresponde ao valor 00000000001 (11T, seja 3.054µm).

 

Alvéoles

Padrões

Estes padrões são remetidos em documentos chamados books (em português livros) aos quais uma cor foi afetada :

  • Red book (livro vermelho chamado também RedBook audio): Desenvolvido em 1980 por Sony e Philips, descreve o formato físico de um CD e a codificação dos CD audio (notados às vezes CD-DA para Compato Disco - Digital Audio). Define assim uma frequência de amostragem de 44.1 kHz e uma resolução de 16 bits stéréo para o registo dos dados audio.
  • Yellow book (livro amarelo): foi posto ao ponto em 1984 a fim de descrever o formato físico dos CD de dados (CD-ROM para Compato Disco - Read Only Memory). Compreende dois modos :
    • CD-ROM Modo 1, utilizado para armazenar dados com um modo de correção de erros (ECC, para Error Correction Code) que permitem evitar as perdas de dados devidas à uma deterioração do apoio
    • CD-ROM Modo 2, permitindo armazenar dados gráficos, vídeos ou audio comprimidos. Para poder ler este tipo de CD-ROM um leitor deve ser compatível Modo 2.
  • Green book (livro verde): formato físico do CDI (CD Interativo de Philips)
  • Orange book (livro cor de laranja): formato físico dos CD inscriptibles. Declina-se em três partes:
    • Parte I : o formato do CD-MO (discos magnéto-optiques)
    • Parte II: o formato dos CD-WO (Write Once, doravante notados CD-R)
    • Partie III: o formato dos CD-RW (CD ReWritable ou CD réinscriptibles)
  • White book (livro branco): formato físico dos CD vídeos (VCD ou VideoCD)
  • Blue book (livro azul) : formato físico dos CD extra (CD-XA)

Estrutura lógica


Um CR, que seja audio ou CD-ROM, é constituído, de acordo com a Orange Book, de três zonas que constituem a zona de informação (informação area):

  • A zona Lead-in Area (às vezes notado LIA) que contem unicamente informações que descrevem o conteúdo do apoio (estas informações são armazenadas no ,TOC, Table of Contents). A zona Lead-in estende-se do raio 23 mm ao raio 25 Srs. Esta dimensão é imposta pela necessidade de poder armazenar informações relativas un maximum de 99 a pistas. A zona Lead-in serve ao leitor de CD seguir as partes côncavas em espiral a fim de synchroniser com os dados presentes na zona programa
  • A zona Programa (Program Area) é a zona que contem os dados. Começa a partir de um raio de 25 mm, estende-se até um raio de 58mm e pode conter o equivalente de 76 minutos de dados. A zona programa pode conter un maximum de 99 pistas (ou sessões) de um comprimento mínimo de 4 segundos.
  • A zona Lead-Out (às vezes notado LOA) que contem dados nulos (do silêncio para um CD audio) marca o fim do CD. Começa ao raio 58 mm e deve medir pelo menos O.5 mm de espessura (radialmente). A zona lead-out deve assim conter no mínimo 6750 setores, ou seja 90 segundos de silêncio à velocidade mínima (1X).



zones lead-in et lead-out du CD




Um CR contem, além das três zonas descritas acima, uma zona chamada PCA (Power Calibration Area) e uma zona PMA (Program Memory Area) que constitui entre as duas uma zona chamado SUA (System User Area).

O PCA pode ser visto como uma zona de teste para o laser a fim de permitir-lhe adaptar a sua potência ao tipo de apoio. É graças à esta zona que é a possível comercialização de apoios virgens que utilizam corantes orgânicos e camadas reflexivas diferentes. À cada calibração, o gravador nota que efetuou um ensaio. Un maximum de 99 ensaios por meios de comunicação social é autorizados.

Sistemas de ficheiros

O formato de CD (ou mais exactamente o sistema de ficheiros) une-se a descrever a maneira segundo a qual os dados são armazenados na zona programa.

O primeiro sistema de ficheiros histórico para os CD é o High Sierra Standard.

O formato ISO 9660 normalizado em 1984 pela ISO (International Standards Organization) retoma o High Sierra Standard a fim de definir a estrutura dos directórios e os ficheiros sobre um CD-ROM. Declina-se em três níveis:

  • Nível 1: Um CD-ROM formorto em ISO 9660 Level 1 pode conter apenas ficheiros cujo nome está maiúscula (TER- A-Z), podendo conter números (0-9) bem como o caráter “_”. O conjunto destes caráteres é chamado d-characters. Os directórios têm um nome limitado à 8 d-characters e uma profundidade limitada à 8 níveis de subdirectorias. Mais da norma ISO 9660 impõe que cada ficheiro seja armazenado de maneira contínua sobre o CD-ROM, sem fragmentação. Trata-se do nível mais restritivo. O respeito do nível 1 permite assim assegurar-se que os meios de comunicação social serão legíveis sobre um grande número planas formas.
  • Nível 2: O formato ISO 9660 Level 2 impõe que cada ficheiro seja armazenado como um fluxo contínuo de bytes, mas permitido nommage de ficheiros mais flexível aceitando nomeadamente os caráteres @ - ^! $ % & () # ~ e uma profundidade de 32 subdirectorias máximas.
  • Nível 3: O formato ISO 9660 Level 3 não impõe nenhuma restrição de nomes de ficheiros ou de directórios.



Microsoft definiu igualmente o formato Joliet, uma extensão ao formato ISO 9660 que permite utilizar nomes de ficheiros longos (LFN,long file names) de 64 caráteres que compreendem espaços e caráteres acentuados de acordo com a codificação Unicode.

O formato ISO 9660 Romeo é uma opção nommage proposta por Adaptec, independente por conseguinte do formato Joliet, permitindo armazenar ficheiros cujo nome pode ir até à 128 caráteres mas que não suportam a codificação Unicode.

O formato ISO 9660 RockRidge é uma extensão nommage ao formato ISO 9660 que permite-lhe ser compatível com os sistemas de ficheiros UNIX.

A fim de paliar as limitações do formato ISO 9660 (que torna-o nomeadamente impróprio para os DVD-ROM), l'OSTA (Optical Storage Technology Association) pôs ao ponto o formato ISO 13346, conhecido sob o nome de UDF (Universal Disk Format).

Os métodos de escrita

  • Monosessão : Este método cria só uma sessão sobre o disco e não dá a possibilidade de acrescentar dados ulteriormente.
  • Multisessão : Contrariamente ao método precedente, este método permite gravar um CD em várias vezes, criando uma mesa das matérias TOC para table of contents) de 14Mo para cada uma das sessões
  • Multivolume : É a gravura Multisession que considera cada sessão como um volume separado.
  • Track At Once : Este método permite desativar o laser entre duas pistas, a fim de criar uma pausa de 2 segundos entre cada pista de um CD audio.
  • Disc At Once : Contrariamente ao método precedente, o Disc At Once escreve sobre o CD num só um tráfico (sem pausa).
  • Packet Writing : Este método permite a gravura por pacotes.

Caraterísticas técnicas

Um leitor CD-ROM é caraterizado pelos elementos seguintes:

  • Velocidade : a velocidade é calculada em relação à velocidade de um leitor de Cd-Audio (150 Ko/s). Um leitor que vai à 3000Ko/s será qualificado de 20X (20 vezes mais rápido que um leitor 1X).
  • Tempo de acesso : representa o tempo médio para ir de uma parte do CD à outra.
  • Conversão : ATAPI (IDE) OU SCSI;
Para uma leitura offline, é possível baixar gratuitamente este artigo no formato PDF:
Cd-cd-audio-e-cd-rom .pdf

Veja também


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