Сколько байт в cd диске
Обновлено: 01.07.2024
Хотелось бы продолжить тему з аписи данных на CD и DVD . Однако, прежде, чем рассказывать о том, как можно переписать лицензионные диски, все-таки стоит сделать краткий обзор того, какие бывают диски для записи цифровых данных, видео и аудио.
Какие бывают форматы
Обзор дисков ограничим двумя форматами – CD и DVD. Для большинства пользователей разница между CD и DVD дисками заключается только в одном – на DVD влезает больший объем данных. И следует помнить о том, что для чтения и записи CD и DVD используются разные устройства. Если с помощью DVD-привода записать CD-диск еще можно, то CD-привод DVD-диск даже читать не станет.
Немного цифр о весе и объеме
На CD-диск можно записать до 700 мегабайт (мб) информации, а на DVD-диск – до 4,7 гигабайт (гб). Один гигабайт – это 1024 мегабайта. То есть объем DVD-диска почти в 7 раз превышает объем CD. Существуют также CD-диски на 800 мб и DVD-диски на 8,5 гб (двухслойные) . Бывают еще мини-диски – они меньше как по размерам, так и по объему записываемой информации. Мини бывают и CD (210 мб), и DVD (1,4 гб).
Что такое объем данных – понятие для компьютерщиков очевидное, чего не скажешь про обычных пользователей. «Влезает больше данных» означает, что на диск помещается больший объем информации. То есть книга на 1000 страниц будет «весить» намного меньше, одна песня и уж тем более, чем фильм на 2 часа. Сравните: на один и тот же DVD диск может влезть целая центральная библиотека или один фильм в приличном качестве. Все зависит от того, какого именно типа данные вам нужно записать, от «веса» конкретных файлов.
Сколько раз можно перезаписывать диски
Бывают диски для однократной записи (CD-R и DVD-R) и перезаписываемые диски (CD-RW и DVD-RW). На первые информация записывается раз и навсегда, со вторых ее можно стереть и записать новую. RW-диск можно перезаписывать до 50 раз, если аккуратно с ним обращаться – не ронять, не хватать руками записываемую поверхность, не допускать появления царапин. Вообще-то так нужно обращаться с любым диском: носитель информации – штука хрупкая.
Что обычно записывают на диски
Многие ошибочно полагают, что DVD-диск – это обязательно диск с фильмом. На самом деле DVD-диск может содержать данные любого формата – музыкальные файлы, фотографии, текстовые документы и т.д. Просто фильм в хорошем качестве и с нормальным разрешением меньше 700 мб весить ну никак не может, соответственно, на CD-диски их и не записывают.
Примерно то-же можно сказать и о CD дисках. CD диск это не обязательно аудио диск, на котором помещается всего лишь 20-25 песен, но это может быть и MP3 диск, содержащий порядка от 100 до 200 записей (в зависимости от качества сжатия). Ну и также как и на DVD, на CD можно записывать документы, видеоролики, программы, игры. Да любые файлы!
Подведем итоги
Итак, если вы собираетесь записать на диск порядка сотни песен в формате MP3, то не надо спрашивать в магазине диск MP3. Для такого количества вам достаточно будет CD диска, для больше количества – DVD диск. Только вы должны быть уверены, что у вас есть DVD-привод.
Если же вы собираетесь переписать DVD видео, то покупайте в магазине болванку DVD!
Головка (Head) - электромагнит, скользящий над поверхностью диска, для каждой поверхности используется своя головка. Нумерация начинается с 0.
Продольная (верхний рисунок) и перпендикулярная (нижний рисунок) запись информации на диске
Примерно с 2005 года идет переход с продольной на перпендикулярную запись информации на диске, что обеспечивает большую плотность записи данных.
С 2011-2013 планируется переход на "тепловую магнитную запись", место записи будет предварительно нагреваться лазером, что уменьшит размер домена и повысит надежность хранения. Предположительная максимальная емкость от 30 до 50 ТБ.
Дорожка (Track) - концентрическая окружность, которое может прочитать головка в одной позиции. Нумерация дорожек начинается с внешней (первая имеет номер - 0).
Цилиндр (Cylinder) - совокупность всех дорожек с одинаковым номером на всех дисках, т.к. дисков может быть много и на каждом диске запись может быть с двух сторон.
Маркер - от него начинается нумерация дорожек, есть на каждом диске.
Сектор - на сектора разбивается каждая дорожка, сектор содержит минимальный блок информации. Нумерация секторов начинается от маркера.
Дорожки, цилиндры, сектора, головки
Геометрия жесткого диска - набор параметров диска, количество головок, количество цилиндров и количество секторов.
У современных жестких дисков контроллер встроен в само устройство, и берет на себя большую часть работы, которую не видит ОС.
Например, скрывают физическую геометрию диска, предоставляя виртуальную геометрии.
Физическая и виртуальная геометрия диска
На внешних дорожках число секторов делают больше, а на внутренних меньше. На реальных дисках таких зон может быть несколько десятков.
1.1.2 RAID (Redundant Array of Independent Disk - массив независимых дисков с избыточностью)
Для увеличения производительности или надежности операций ввода-вывода с диском был разработан стандарт для распараллеливания или дублирования этих операций
Основные шесть уровней RAID:
RAID 0 - чередующий набор, соединение нескольких дисков в один большой логический диск, но логический диск разбит так, что запись и чтение происходит сразу с несколько дисков. Например, записываем блок 1, 2, 3, 4, 5, каждый блок будет записываться на свой диск.
Преимущества
- удобство одного диска
- увеличивает скорость записи и чтения
Недостатки
- уменьшает надежность (в случае выхода одного диска, массив будет разрушен), избыточность не предусмотрена.
RAID 1 - зеркальный набор, параллельная запись и чтение на несколько дисков с дублированием (избыточность).
Преимущества
- дублирование записей
- увеличивает скорость чтения (но не записи)
Недостатки
- требует в два раза больше дисковых накопителей
RAID 2 - работает на уровне слов и даже байт. Например, берется полбайта (4 бита) и прибавляется 3 бита четности (1, 2, 4 - рассчитанные по Хэммингу), образуется 7-битовое слово. В случае семи дисков слово записывается побитно на каждый диск. Так как слово пишется сразу на все диски, они должны быть синхронизированы.
Преимущества
- надежность
- увеличивает скорость записи и чтения (при потоке, но при отдельных запросах не увеличивает)
Недостатки
- нужна синхронизация дисков.
RAID 3 - упрощенная версия RAID 2, для каждого слова считается только один бит четности.
Преимущества
- надежность
- увеличивает скорость записи и чтения (при потоке, но при отдельных запросах не увеличивает)
Недостатки
- нужна синхронизация дисков.
RAID 4 - аналогичен уровню RAID 0, но с добавлением диска четности. Если любой из дисков выйдет из строя, его можно восстановить с помощью диска четности.
Преимущества
- надежность
- не нужна синхронизация дисков
Недостатки
- не дает увеличения производительности, узким местом становится диск четности при постоянных пересчетах контрольных сумм.
RAID 5 - аналогичен уровню RAID 4, но биты четности равномерно распределены по дискам.
На практике, как правило, используют RAID 0, 1 и 5.
Системы RAID уровней от 0 до 5.
1.1.3 Компакт-диски
Фото устройства для работы с дисками
Устройство в работе
Демонстрация работы CD-drive
Запись на CD-ROM диски производятся с помощью штамповки.
CD-ROM под электронным микроскопом.
Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм
Сначала CD-диски использовались только для записи звука, стандарт которого был описан ISO 10149 ("Красная книга").
Пит - единица записи информации (впадина при штамповке, темное пятно, прожженное в слое краски в CD-R, область фазового перехода)
Запись на CD-ROM производится спирально
В 1984 году была опубликована "Желтая книга", в которой описан следующий стандарт.
Для записи данных было необходимо повысить надежность, для этого каждый байт (8 бит) стали кодировать в 14 разрядное число (по размеру почти дублирование записи, но за счет кодирования эффективность может быть, как при тройной записи), чтобы можно было восстановить потерянные биты.
Логическое расположение данных на CD-ROM для режима 1
Первые 12-ть байт заголовка содержат 00FFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00, чтобы считывающее устройство могло распознать начало сектора.
Следующие три байта содержат номер сектора.
Последний байт содержит код режима
ECC (Error Correction Code) - код исправления ошибок.
В режиме 2 поле данных объединено с полем ECC в 2336-байтное поле данных. Этот режим можно использовать, если не требуется коррекция ошибок, например, видео и аудио запись.
Коррекция ошибок осуществляется на трех уровнях:
Поэтому 7203 байта содержат только 2048 байта полезной нагрузки, около 28%.
В 1986 году была выпущена "Зеленая книга", к стандарту была добавлена графика, и возможность совмещения в одном секторе аудио, видео и данных.
Файловая система для CD-ROM называется High Sierra , которая оформлена в стандарт ISO 9660.
Файловая система имеет три уровня:
1 уровень - файлы имеют имена формата, схожего с MS-DOS - 8 символов имя файла плюс до трех символов расширения, файлы должны быть непрерывными. Глубина вложенности каталогов ограничена восемью. Этот уровень понимают почти все операционные системы.
2 уровень - имена файлов могут быть до 31 символов, файлы должны быть непрерывными.
3 уровень - позволяет использовать сегментированные файлы.
Для этого стандарта существуют расширения:
Rock Ridge - позволяет использовать длинные файлы, а также UID, GID и символические ссылки.
1.1.3.1 Компакт-диски с возможностью записи CD-R
Запись на CD-R диски производятся с помощью локального прожигания нанесенного слоя красителя.
В 1989 году была выпущена "Оранжевая книга", это документ определяет формат CD-R, а также новый формат CD-ROM XA , который позволяет посекторно дописывать информацию на CD-R.
CD-R-дорожка - последовательно записанные за один раз секторы. Для каждой такой дорожки создается свой VTOC (Volume Table of Contents - таблица содержания тома), в котором перечисляются записанные файлы.
Каждая запись производится за одну непрерывную операцию, поэтому если у вас будет слишком загружен компьютер (мало памяти или медленный диск), то вы можете испортить диск, т.к. данные не будут поспевать поступать на CD-ROM.
1.1.3.2 Многократно перезаписываемые компакт-диски CD-RW
Запись на CD-RW диски производятся локального перевода слоя из кристаллического в аморфное состояние.
Используются лазеры с тремя уровнями разной мощности.
Эти диски можно отформатировать (UDF), использовать их в место дискет и дисков.
1.1.3.3 Универсальный цифровой диск DVD (Digital Versatile Disk)
Были сделаны следующие изменения:
Размер пита уменьшили в два раза (с 0.8 мкм до 0.4мкм)
Более тугая спираль (0.74 мкм между дорожками, вместо 1.6 у компакт-дисков)
Уменьшение длины волны лазера (650 нм вместо 780 нм)
Это позволило увеличить объем с 650 Мбайт до 4.7 Гбайт.
Определены четыре следующих формата:
Односторонний, одноуровневый (4.7 Гбайт)
Односторонний, двухуровневый (8.5 Гбайт), размеры пита второго уровня приходится делать больше, иначе не будут считаны, т.к. первый полуотражающий слой половину потока отразит и частично рассеет.
Двухсторонний, одноуровневый (9.4 Гбайт)
Двухсторонний, двухуровневый (17 Гбайт)
1.1.3.4 Универсальный цифровой диск Blu-ray (blue ray — синий)
Были сделаны следующие изменения:
Размер пита уменьшили
Более тугая спираль ( 0,32 мкм между дорожками, вместо 0.72 у DVD)
Уменьшение длины волны лазера (405 нм вместо 650 нм в DVD), «синего» (технически сине-фиолетового) лазера, отсюда и название
Определены следующие формата:
однослойный диск 23,3/25/27 или 33 Гб
двухслойный диск 46,6/50/54 или 66 Гб
четырёх слойный 100 Гб
восьми слойный 200 Гб
1.1.4 Твердотельные накопители (Flash, SSD, . )
Устройство ячейки памяти:
Используются полевые транзисторы с плавающим затвором.
Устройство ячейки памяти
Считывание информации:
Если ток через npn-переход идет, то "считывается 0".
Ток идет за счет туннельного эффекта, который возникает под действием управляющего затвора, на который подается "+".
Если ток через npn-переход не идет, то "считывается 1".
Ток не идет за счет "экранирования" управляющего затвора плавающим затвором, на котором накоплен "-".
Запись информации:
"Запись" делается накоплением электронов в плавающем затворе, за счет повышенного напряжения на управляющем затворе и стоке.
Затирание информации:
"Затирание" делается "изъятием" электронов из плавающего затворе, за счет положительного напряжения на истоке и отрицательного на управляющем затворе, но стоке 0В.
1.2 Форматирование дисков (программная часть)
1.2.1 Низкоуровневое форматирование
Низкоуровневое форматирование - разбивка диска на сектора, производится производителями дисков.
Каждый сектор состоит из:
Заголовка (Prefix portion) - по которому определяется начало (последовательность определенных битов) сектора и его номер, и номер цилиндра.
Область данных (как правило, 512 байт, планируют перейти на 4 Кб (к 2010г.))
На диске могут быть запасные сектора, которые могут быть использованы для замены секторов с дефектами (а они почти всегда есть). За счет этого обеспечивается одинаковая емкость на выходе.
При низкоуровневом форматировании часть полезного объема уменьшается, примерно до 80%.
Перекос цилиндров
Перекос цилиндров - сдвиг 0-го сектора каждой последующей дорожки, относительно предыдущей. служит для увеличения скорости. Головка тратит, какое то время на смену дорожки, и если 0-й сектор будет начинаться в том же месте, что и предыдущий, то головка уже проскочит его, и будет ждать целый круг.
Перекос цилиндров делают разным в зависимости скоростей вращения и перемещения головок.
Перекос головок - приходится применять, т.к. на переключение с головки на головку тратится время..
Чередование секторов
Если, например, один сектор прочитан, а для второго нет в буфере места, пока данные копируются из буфера в память, второй сектор уже проскочит головку.
Чтобы этого не случилось, применяют чередование секторов.
Если копирование очень медленное, может применяться двукратное чередование, или больше.
1.2.2 Разделы диска
После низкоуровневого форматирования диск разбивается на разделы, эти разделы воспринимаются ОС как отдельные диски.
Для чего можно использовать разделы:
Отделить системные файлы от пользовательских (например, своп-файлы)
Более эффективно использовать пространство (например, для администрирования).
На разные разделы можно установить разные ОС.
Основные разделы диска:
Первичный (Primary partition) - некоторые ОС могут загружаться только с первичного раздела. (В MBR под таблицу разделов выделено 64 байта. Каждая запись занимает 16 байт. Таким образом, всего на жестком диске может быть создано не более 4 разделов. Раньше это считалось достаточным.)
Расширенный (Extended partition) - непосредственно данные не содержит, служит для создания логических дисков (создается, что бы обойти ограничение в 4-ре раздела).
Логический (Logical partition) - может быть любое количество.
Информация о разделах записывается в 0-м секторе 0-го цилиндра, головка 0. И называется таблицей разделов.
Таблица разделов (Partition Table) - содержит информацию о разделах, номер начальных секторов и размеры разделов. На Pentium-компьютерах в таблице есть место только для четырех записей, т.е. может быть только 4 раздела (к логическим это не относится, их может быть не ограниченное количество).
Этот сектор называется главной загрузочной записью.
Т.к. MBR может работать только с разделами до 2.2 ТБ (2.2 ? 1012 байт), насмену приходит GPT.
Активный раздел - раздел, с которого загружается ОС, может быть и логическим. В одном сеансе загрузки может быть только один активный раздел.
Пример структуры разделов
В Windows разделы будут называться (для пользователей) устройствами C:, D:, E: и т.д.
1.2.3 Высокоуровневое форматирование
Высокоуровневое форматирование (создание файловой системы) - проводится для каждого раздела в отдельности, и выполняет следующее:
Создает загрузочный сектор (Boot Sector)
Создает список свободных блоков (для UNIX) или таблицу (ы) размещения файлов (для FAT или NTFS)
Создает корневой каталог
Создает, пустую файловую систему
Указывает, какая файловая система
Помечает дефектные кластеры
Кластеры и блоки - единица хранения информации в файловых системах, файлы записываются на диск, разбитыми на блоки ли кластеры.
При загрузке системы, происходит следующее:
BIOS считывает главную загрузочную запись, и передает ей управление
Загрузочная программа определяет, какой раздел активный
Из этого раздела считывается и запускается загрузочный сектор
Программа загрузочного сектора находит в корневом каталоге определенный файл (загрузочный файл)
Этот файл загружается в память и запускается (ОС начинает загрузку)
1.3 Алгоритмы планирования перемещения головок
Факторы, влияющие на время считывания или записи на диск:
Время поиска (время перемещения головки на нужный цилиндр)
Время переключения головок
Задержка вращения (время, требуемое для поворота нужного сектора под головку)
Время передачи данных
Для большинства дисков самое большое, это время поиска. Поэтому, оптимизируя время поиска можно существенно повысить быстродействие.
Алгоритмы могут быть реализованы в контроллере, в драйверах, в самой ОС.
1.3.1 Алгоритм "первый пришел - первым обслужен" FCFS (First Come, First Served)
Рассмотрим пример. Пусть у нас на диске из 28 цилиндров (от 0 до 27) есть следующая очередь запросов:
и головки в начальный момент находятся на 1 цилиндре. Тогда положение головок будет меняться следующим образом:
Как видно алгоритм не очень эффективный, но простой в реализации.
1.3.2 Алгоритм короткое время поиска первым (или ближайший цилиндр первым) SSF (Shortest Seek First)
Для предыдущего примера алгоритм даст следующую последовательность положений головок:
Как видим, этот алгоритм более эффективен. Но у него есть не достаток, если будут поступать постоянно новые запросы, то головка будет всегда находиться в локальном месте, вероятнее всего в средней части диска, а крайние цилиндры могут быть не обслужены никогда.
1.3.3 Алгоритмы сканирования (SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOK)
SCAN – головки постоянно перемещаются от одного края диска до его другого края, по ходу дела обслуживая все встречающиеся запросы. Просто, но не всегда эффективно.
LOOK - если мы знаем, что обслужили последний попутный запрос в направлении движения головок, то мы можем не доходить до края диска, а сразу изменить направление движения на обратное
C-SCAN - циклическое сканирование. Когда головка достигает одного из краев диска, она без чтения попутных запросов перемещается на 0-й цилиндр, откуда вновь начинает свое движение.
C-LOOK - по аналогии с предыдущим.
1.4 Обработка ошибок
Т.к. создать диск без дефектов сложно, а вовремя использования появляются новые дефекты.
Поэтому системе приходится контролировать и исправлять ошибки.
Ошибки могут быть обнаружены на трех уровнях:
На уровне дефектного сектора ECC (используются запасные, делает сам производитель)
Дефектные блоки или кластеры могут обрабатываться контроллером или самой ОС.
Блоки и кластеры не должны содержать дефектные сектора, поэтому система должна уметь помечать дефектные сектора.
Информация может храниться не только на жестком диске компьютера, но и на других альтернативных носителях: CD, DVD, Blu-ray или USB-накопителях. В отличие от последних, на которые информацию можно сохранить методом копирования, для работы с компакт-дисками необходимы специальные программы, позволяющие осуществлять запись CD, DVD, Blu-ray дисков. Помимо этого данные программы позволяют создавать образы дисков (их точные копии), копировать информацию с диска на диск, создавать виртуальные приводы (CD-ROM).
CD & DVD
Формат DVD+R и DVD-R
Основное отличие «плюсовых» дисков от «минусовых» заключается в материалах отражающего слоя, применяемых при производстве. На диск DVD+RW можно осуществлять запись поверх существующей информации, исключая утомительное предварительное стирание всего содержимого, а DVD-RW вначале необходимо целиком стереть. Помимо этого, во время использования перезаписываемых «плюсовых» дисков количество ошибок уменьшается, а корректность записи увеличивается, в результате чего сбойный сектор можно с легкостью перезаписать, а не стирать и не записывать весь диск заново.
Ёмкости и номенклатура DVD
| Обозначение | Число сторон | Число слоёв | Диаметр | Ёмкость | |
|---|---|---|---|---|---|
| (см) | (ГБ) | ||||
| DVD-R | SS SL (1.0) | 1 | 1 | 12 | 3.95 |
| DVD-R(W) | SS SL (2.0) | 1 | 1 | 12 | 4.70 |
| DVD-R(W) | DS SL | 2 | 2 | 12 | 9.40 |
| DVD-R(W) | DS DL | 2 | 4 | 12 | 17.08 |
| DVD-R(W) | SS SL | 1 | 1 | 8 | 1.46 |
| DVD-R(W) | SS DL | 1 | 2 | 8 | 2.66 |
| DVD-R(W) | DS SL | 2 | 2 | 8 | 2.92 |
| DVD-R(W) | DS DL | 2 | 4 | 8 | 5.32 |
| DVD+R(W) | SS SL | 1 | 1 | 12 | 4.70 |
| DVD+R(W) | DS SL | 2 | 2 | 12 | 9.40 |
| DVD-RAM | SS SL | 1 | 1 | 8 | 1.46 |
| DVD-RAM | DS SL | 2 | 2 | 8 | 2.65 |
| DVD-RAM | SS SL (1.0) | 1 | 1 | 12 | 2.58 |
| DVD-RAM | SS SL (2.0) | 1 | 1 | 12 | 4.70 |
| DVD-RAM | DS SL (1.0) | 2 | 2 | 12 | 5.16 |
| DVD-RAM | DS SL (2.0) | 2 | 2 | 12 | 9.40 |
Blu-ray Disc
Ёмкость Blu-ray носителя варьируется от 23,3 до 33ГБ для однослойного диска и от 46,6 до 66ГБ для двухслойного. На данный момент доступны диски BD-R (одноразовая запись) и BD-RE (многоразовая запись), в разработке находится формат BD-ROM. В дополнение к стандартным дискам размером 120 мм, выпущены варианты дисков размером 80 мм для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Планируется, что их объём будет достигать 15 ГБ для двухслойного варианта.
Специалисты Саутгемптонского университета разработали новый метод 5D-записи данных на оптические диски из кварцевого стекла. С помощью «взрывных» микроимпульсов лазера инженерам удалось повысить плотность записи до 500 ТБ на диск, а скорость — как минимум до 225 килобайт в секунду, что приближает кварцевые накопители к практическому использованию. Об этом инженеры сообщили в журнале Optica.
Лазерные импульсы при записи диска создают в нём объёмные микрокристаллы различной формы. Длина, ширина и высота каждого микрокристалла, а также сила и поляризация импульса света, который возвращается от него при считывании, дают «пять измерений», в которых можно закодировать данные.
Схема кодирования данных в микрокристаллах 5D-диска
Эту технологию предложили японские учёные в 2010 году, и в последующие годы свои реализации «пятимерных» накопителей создавали Microsoft, Hitachi, а также Саутгемптонский университет. Но у всех этих образцов был общий недостаток — очень низкая скорость записи, которая составляла примерно 12 килобит в секунду. На запись данных объёмом с DVD (4,7 ГБ) требовалось больше месяца, что делало «пятимерные» диски неудобными в использовании.
Новый метод позволяет увеличить скорость записи в 150 раз до 225 килобайт в секунду, а при использовании лазера с частотой импульсов 40 мегагерц — до нескольких мегабайт в секунду. По мнению авторов изобретения, это позволит расширить использование 5D-накопителей. Также им удалось повысить плотность записи: на диск диаметром 127 миллиметров и толщиной четыре миллиметра (это сравнимо с размерами обычного компакт-диска) можно уместить 500 терабайт данных.
Главное достоинство оптических накопителей из кварцевого стекла — их крайне высокая надёжность. Они выдерживают температуры до тысячи градусов, и даже при 190 °C могут хранить данные в течение 14 миллиардов лет — это больше возраста Вселенной, которая появилась 13,8 миллиардов лет назад.
Сейчас кварцевые «пятимерные» диски использует фонд Arch Mission Foundation, чтобы сохранить на них достижения человеческой культуры на миллиарды лет вперёд. В 2018 году фонд разместил один из таких накопителей в автомобиле Tesla Roadster, который Илон Маск запустил в космос. Участники фонда планируют вывести по одному диску на орбиту каждой планеты и каждого крупного астероида Солнечной системы, создав таким образом космическую «резервную копию» знаний человечества.
Кварцевые «пятимерные» диски с повышенной скоростью записи могут быть полезны библиотекам, музеям, архивным службам, государственным организациям, частным компаниям и вообще всем заинтересованным в долгом и надёжном хранении важных данных. Однако записывающее устройство для 5D-накопителей может обойтись в несколько десятков тысяч долларов.
Читайте также: