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El origen de los CDs

Voici comment fonctionnent les lecteurs de CD-ROM, comment sont stockées les donnees et quels sont les standards.

Les progrés de la technologie, les nouveaux standards et l'amélioration des logicieis ont amené l'acceptation des CD-ROM dans l`esprit des utilisateurs d'ordinateurs personnels. Bien que I'impact du CD-ROM soit évidente, la technologie utilisée et les problémes de standardisation restent des domaines plutót confus. Connaitre le fonctionnement d'un lecteur et la signification des standards tels que ISO 9éé0 ou CD-ROM XA (architecture étendue) sont des atouts indispensables á tout acheteur éventuel d'un lecteur de CD-ROM. La technologie du compact-disc a été développée en 1976, gráce á l`effort commun de Philips en Hollande et de Sony au Japon. Le résultat de cette coopération amena, en 1982, les spécifications dites du Livre Rouge, concernant les CD audio et définissant les caractéristiques et la taille du support, le format des données sur le disque, les corrections d'erreurs, la vitesse de rotation du disque et divers autres paramétres importants.

Quant á l'utilisation potentielle d'un disque CD-ROM en tant que support de haute capacité et de coût relativement faible, elle est définie dans les spécifications du Livre Jaune sorti en 1983. Bien que la technologie de base reste la méme que pour les CD audio, les données sur un disque CD-ROM réclament une plus haute intégrité une erreur sur un bit qui n'est pas détectable sur un CD audio devient intolérable avec des données informatiques. En plus du Livre Rouge CIRC (code Reed-Solomon) pour les standards audio, le Livre Jaune spécifie l'utilisation de bits pour les CDE (codes de détection d'erreurs) et CCE (codes de correction d'erreurs). D'autres spécifications ont suivi ou vont suivre; le Livre Vert concerne les spécifications sur les CD interactifs qui permettent la combinaison de données audio et vidéo, et, le Livre Orange pour les lecteurs de CD réinscriptibles.


Les bases du CD-ROM

Un disque CD-ROM standard mesure 120 millimétres de diamétre, possède en son centre un trou de 15 mm et son épaisseur est de 1,2 mm. Contrairement aux disques durs ou disquettes classiques qui sont organisés en pistes circulaires concentriques divisées en secteurs, les disques CD-ROM ont une piste unique en spirale, comme sur un disque vinyle, qui démarre prés du centre et continu vers l'extérieur. Cette piste de 5,37 kilométres de long est divisée en secteurs d'égale longueur appelés egalement blocs. La largeur de la piste est d'environ 600 nanométres. A chaque tour, la spirale s'éloigne de 1600 nanombtres par rapport au centre, ce qui forme une densité de 16000 tours par pouce.

Les données sont représentées sur la piste par de petites cuvettes de taille variable appelées pits, et placées entre des espaces plats, appelés lands ou surfaces. La téte de lecture du drive CD-ROM, un ensemble optique avec un laser de faible puissance & base d'arséniure de gallium et un photo détecteur, lit les pits et les lands. L'ensemble optique dirige le rayon laser á travers un miroir réfiéchissant unidirectionnel vers la surface du disque (Cf. Figure 1). La surface (land) réfléchit la lumiére du laser; la cuvette (pit) la disperse. Le miroir redirige ensuite la lumiére vers une photodiode.

Le disque en lui-méme consiste en un substrat de polycarbonate transparent sur lequel le constructeur presse une certaine configuration de cuvettes et de surfaces. Un aluminium réfléchissant recouvre le substrat, suivii d'une laque protectrice et du label du fabricant (Cf. Figure 2). Le lecteur lit le disque A partir du bas, au travers du substrat de polycarbonate. Ce plastique solide, utilised dgalement pour les vitres blinddes, West pas endommagéd après une exposition A la lumiére.


CD-R

Le développement le plus excitant, et probablement le plus avancé technologiquement, conceme le CD-R. Philips et Sony ont posé les jalons de cette technologie dont les spécifications sont reprises dans le L¡vre Orange (24 partie). Egalement appelé CD-WO (Wríte Once), le CD-R vous permet d'écrire des données sur un disque concu á cet effet. Tout lecteur de CD-ROM standard peut lire un tel disque.

Le Livre Orange comprend également des spécifications concemant la modification de CD-R déjá gravés, contrant ainsi la notion de base des disques CD-ROM qui nécessitaient que toutes les données soient disponibles et gravées simultanément et une fois pour toutes. Cependant, á I'heure actuelle, un lecteur de CD-ROM standard ne peut lire que I'enregistrement originel d'un disque CD-R; les enregistrements suívants ne peuvent étre lus que par le drive CD-R utilisé pour écrire le disque. Un disque CD-R est formé du méme substrat de poliycarbonate et de la même piste en spirale qu'un disque CD-ROM.

Mais, au lieu d'une couche d`aluminium, la surface du disque CD-R est recouverte d'une substance organique permettant l`enregistrement, puis d'une couche d'or recouverte de laque. Si la couche de laque est rayée, la couche d'or et la couche organique deviennent plus sensibles aux perturbations externes que la couche d'aluminium des disques CD-ROM conventionnels.

Le choix de la couche organique est primordial. Elle doit montrer la même réflexivité nominale de 70% que les surfaces d'un disque CD-ROM classique et pouvoir étre placée dans un état de non réf1exivité par un laser. La stabilité á long terme est également importante, étant donné qu'un disque placé entre les mains de nŽimporte quel utilisateur est sujet aux rayures, aux rayures, aux températures extrêmes et à l'exposition directe à la lumére.

Les composants de la téte de lecture/ écriture d'un lecteur CD-R sont, pour une grande part, les; mémes que ceux de la téte des lecteurs classiques de CD-ROM. Cependant, la téte des CD-R possède un laser haute puissance afin de brûler les cuvettes de données. La puissance du laser doit varier en fonction de la vitesse de rotation du disque. Pour effectuer des; opérations d'écriture plus rapides, le disque doit tourner plus vite, ce qui nécessite plus de puissance de la part du laser, avec une fréquence de pulsations plus faible. Les lecteurs CD-R utilisent le mode basse puissance pour lire les donndes du disque.

Le sillon d'origine du CD inscriptible, qui a une largeur de 600 nm et une profondeur de 100 nm, est utilisé pour la piste. Puisque l'ensemble organique/or est réflecfif au départ, le laser est utilisé pour modifier la couche organique afin qu'elle disperse la lumibre au lieu de la réfléchir. Cette action crée des zones similaires; aux cuvettes des disques; CD-ROM. Cette technique permet de créer un disque qui, optiquement parlant, posséde les mémes surfaces et cuvettes qu'un disque CD-ROM classique et qui peut donc étre lu par un drive ordinaire. Bien que le drive CD-R possède davantage d'éléments, le chemin du laser vers la photodiode est le même que dans un lecteur de CD-ROM.


L'organisation des données

Les surfaces et les cuvettes sur un disque CD-ROM ne représentent. pas les 0 et les 1. La raison est difficile á expliquer. Briévement, on peut dire que chaque bit requiert environ 300 nm de long sur la piste en spirale. Ainsi, si un secteur était constitué de 2048 octets composés uniquement de 0 ou de 1, cela représenterait une cuvette ou une surface de 4915200 nm ou plus. Le lecteur devrait donc posséder une horloge extrêmement précise qui se déclencherait á un intervalle correspondant exactement á 300 nm pour que le bit suivant soit lu correctement. Ceci est virtuellement impossible dans l'etat actuel de la technologie.




Figure 1 - Dans les lecteurs de CD-ROM et de CD-R classiques, un rayon laser passe par un miroir unidirectionnel, ou polaríseur, et un ensemble de lentílles avant d`arriver au: disque. La lunière ainsi réfléchie passe ensuite par les lentilles et est redirigée vers la photodiode.


A la place, les concepteurs ont limité la longueur des cuvettes et des surfaces. Cela assure que la transition d'un état A un autre se fera assez fréquemment pour permettre au drive d'utiliser son horloge en toute confiance. Le drive utilise cette horloge pour compter le nombre de bits que représente une cuvette ou une surface en fonction de sa longueur. Les bits son stockés sur le disque au format RLL (Run Length Limited), comme sur la plupart des disques durs. Chaque transition sur le disque entre une cuvette et une surface correspond A un 1, et chaque non transition représente un 0. La longueut minimum pratique d'une cuvette ou d'une surface est de 3 bits (900 nm); le maximum est de 11 bits (3300 nm). 11 est important de noter que le minimum de 3 bits proscrit la possibilité d'avoir deux bits à 1 consécutifs (soit deux transitions successives). En d'autres termes, il doit y avoir au moins 2, mais pas plus de 10 bits A 0 entre deux bits à 1.

Un octet stocké sur le disque peut avoir une combinaison de huit 0 et 1 qui violent cette condition des 3 bits minimum et de nombreux octets consécutifs forment des configurations de bits dépassant la limite des 11 bits. Pour résoudre ce problème, les lecteurs de CD-ROM utilisent un scéma d'encodage qui convertit un octet en configuration de 14 bits appelée canaux de bits. Une valeur binaire de 14 bits offre 16384 configurations; dont plus de 256 répondent aux conditions nécessaires l'encodage sur CD-ROM. Une corrélation est ainsi réalisée entre les 256 valeurs que prend un octet et les 256 valeurs de 14 bits parmi celles répondant aux besoins du lecteur. Cette mdthode appelée EFM (Eight to Fourteen Modulation) nécessite une table de conversion pour faire correspondre les valeurs 14 bits aux valeurs 8 bits.

Même si l'utilisation de codes 14 bits supporte généralement les critères nécessaires au stockage sur CD-ROM, elle génére cependant un autre problème. Lorsque vous placez de nombreux codes de 14 bits consécutivement sur le disque, on peut dépasser la longueur limite autorisée. Pour résoudre ce probléme, trois "bits incrustés" sont placés entre chaque mot de 14 bits pour s'assurer de la non violation du codage. Les secteurs d'un disque CD-ROM standard contiennent 2352 octets dont l'organisation est décrite par la figure 3:12 octets de synchronisation de données, suivis pas un en-tête de 4 octets, 2048 octets de données et 288 octets pour la détection et la correction des erreurs. L'en-téte du secteur contient trois octets définissant I'adresse du secteur et un octet indiquant son type. Trois types de secteurs sont définis pour les disques CD-ROM standards. Un secteur de type 0 ne contient que des 0 (ceci peut représenter une ligne blanche dans une image). Pour le type 1, un secteur contient 2048 octets de données et 288 octets de détection et de correction d'erreurs. Les secteurs de type 2 contiennent 2336 octets de donriées non corrigées. Si vous désirez que les 288 derniers octets contiennent des donées, le nombre de données par secteur passera à 2336 octets non corrigés. Ce cas est utilisé généralement pour les donées moins sensibles aux erreurs telles que les données correspondant à des images ou des sons numérisés. Pour les données sensibles, le mode 1 de détection d'erreurs est très efficace. La probabilité d'avoir une erreur non détectée est de 1 sur 1025, c'est-à-dire d'un bit pour 2 quadrillons de CD-ROM.

A l'instar des CD audio, les disques CD-ROM sont constitués d'une spirale de 60 minutes contenant 270000 secteurs. Cependant, ces disques peuvent avoir une durée de 74 minutes avec 333000 secteurs. Les dernières 14 minutes se situent dans les 5 millimbtres les plus excentrés du disque. Cette zone est la plus délicate &enregistreret& maintenir en bon état, ce qui fait qu'elle West pas souvent utilisée.


IS0 9660

Les constructeurs annoncent souvent des capacités tres diverses pour leurs disques CD-ROM. Cela dependdu choix des 270000 ou des 333000 secteurs, et de la maniére de calculer. Un CD-ROM de 270000 secteurs avec 2048 -octets de donées corrigées parsecteur a une capacité de 552960000 octets. Certains constructeurs arrondissent a 552 MO ou divisent par 1024 et arrondissent à 540 Mo. La méthode correcte consiste à diviser par 1 Mo (1048576 octets) cela donne 527 Mo de données. En utilisant des secteurs non corrigés (2336 octets par secteur), la capacité grimpe à 601 MO. Avec un disque de 333000 secteurs, Les 681984000 octets sur un disque à code correcteur permettent un stockage de 650 Mo ou 742 Mo sans code correcteur.

Même si les spécifications du Livre Jaune existent désormais pour détailler le bas niveau de l'organisation des secteurs et des donndes sur un disque CD-ROM, les premiers disques CD-ROM ont montré des incompatibilités au niveau systéme, et cela en raison du manque de standards concemant l'organisation de la structure des fichiers. Aussi, un ensemble de socidtés ad hoc, appeIé High Sierra Group, a défini la structure des formats de fichiers. Le format High Sierra est devenu le standard pour le stockage des données et a établi un haut niveau de compatibilitds inter-systémes pour les CD-ROM. LŽISO I'adopta en 1988, avec cependant quelques modifications mineures, ce qui donna lŽISO 9660. LŽISO 9660 est le dénominateur commun pour les CD-ROM. Il offre une interopérabilité pour le développement de plates-formes spécifiques telles que le Mac.

Un nouveau standard, appelé spécification Fankfurt, s'ajoutera éventuellement aux spécifications du Livre Orange. Il supportera les conventions de systèmes de fichíers Uníx, OS/2, Macintosh et Windows NT, aussi bien que la possibilité de mise á jour incrémentale (multisession) avec les logicieis sur disques CD-ROM.

Les bits de données sur un CD-ROM doivent passer sous la téte de lecture á un débit constant, appelé CLV (Constant Linear Velocité). Puisque les secteurs du centre et de l'extérieur sont de longueur identique, le Cl-V nécessite une modification de la vitesse de rotation en fonetion de la position de la téte. Plus la téte est: loin du centre, plus la vitesse de rotation est faible. Dans le cas contraire, les bits excentrés passeront sous la téte de lecture trois fois plus rapidement que ceux situés au centre. En revanche, les disques durs conventionneis opérent á vitesse angulaire (de rotation) constante, ou CAV;aussi, la taille des secteurs augmente en fonction de I'éloignement des pistes par rapport au centre.

La téte du CD-ROM optique reste relativement éloignée du disque (1 mm), éliminant ainsi virtuellement les risques de crash. Les tétes de lecturelécriture des disques durs conventionneis, en comparaison, reste á une fraction de micrométre des plateaux, c'est-á-dire 2000 fois plus prés. Móme si les crashs de la téte sont rares, la poussiére reste un probláme pour les lecteurs de CD-ROM. Les entrailles du drive sont exposées au monde extérieur chaque fois qu'un utilisateur insére ou retire un disque. L`accumulation de poussiére sur l'ensemble de la téte optique peut réduire I'efficacité du laser ou de la photodiode et peut détériorer ou anéantir les performances du lecteur.

Certains constructeurs de drives utilisent des doubles portes pour minimiser 'entrée de poussiéres. D'autres incorporent un nettoyeur automatique qui dépoussière l'ensemble de la téte de lecture dés que l'utilisateur a éjecéd un disque. Cependant, tous les drives ne possèdent pas ces mécanismes de protection contre la poussiére.




Figure 2 - Sur un disque de CD-ROM classique un constructeur presse une configuration de cuvettes et de surfaces dans un substrat de polycarbonate transparent qui est recouvert d'un film alurniniun, d'une couche de laque et de Vétíquette du constructeur. La couche de substrat du disque CD-R est recouverte d'une couche organique, une dorpuis d`une couche de laque.

La performance des lecteurs de CDROM se mesure en temps d'accès; qui est le temps moyen de repositionnement de la téte et de la lecture des données. Les drives les plus anciens mettent au moins une seconde voire plus pour accomplir cette opération, alors que les drives modernes le font en 400 millisecondes. La plupart des CD-ROM arrive à un taux de transfert de 150 Ko par seconde afin de se conformer a la spécification de 75 secteurs par seconde préconisde par le Livre Jaune. Ceci rend le temps d'accés beaucoup plus significatif pour différencier les performances des lecteurs de CD-ROM, contrairement aux disques durs.

Les temps d'accés des lecteurs de CDROM sont énormes comparés aux 20 millisecondes, ou moins, de la plupart des disques durs. La taille de la téte optique du drive CD-ROM est également un facteur limitant. Les tétes de lecture des disques durs sont petites et étroites alors que le laser, les lentilles et les autres composants de la téte du drive CD-ROM empóchent les déplacements rapides.

Un obstacle plus gênant pour les performances est la variation nécessaire de la vitesse angulaire. La vitesse de rotation doit changer en fonction de la position du secteur qui doit étre ¡u. Le drive doít ralentir la vitesse du disque pour accéder aux données Moignées du centre et accélérer pour accéder aux données du centre. Cet effet favoríse des temps d'accés relativement longs.

Afin de pouvoir s'adapter aux applications multimédias, les lecteurs avec des taux de transfert beaucoup plus rapides sont apparus sur le marché dans le courant de l'année demiére, offrant un débit presque deux fois supérieur aux 150 Ko par seconde. Les sous-systémes multidisques offrent un débit quatre fois supérieur. Ces taux supérieurs s'obtiennent gráce á une vitesse de rotation beaucoup plus grande; aussi, ces lecteurs doivent posséder des moteurs bien plus puissants pour augmenter et réduire la vitesse de rotatíon á de teis niveaux. En général, ces lecteurs supportent également le débit de 75 secteurs par seconde pour assurer une compatibilité descendante avec la lecture des CD audio. Pour obtenir un débit important, certains CD-ROM comprennent un cache de RAM. Cela permet la lecture de dorinées tandis que le lecteur en envoie d'autres au processeur hélte.


Support Multifonctions

Bien que les CD-ROM classiques soient capables de mélanger du texte, de I'audio et de la vidéo, la synchronisation est souvent décevante car les données ne sont pas entrelacées. Un des premiers modúles permettant de rèsoudre ce problbme a été la spécification CD-I de Philips et Sony, appelé ègalement Livre Vert. Contrairement aux lecteurs CD-ROM standards, qui tiennent le rôle de périphérique informatique, le CD-I intégre un systbme complet, avec un ordinateur intégré et une sortie NTSC. L'amélioration la plus significative par rapport A la technologie CD-ROM classique est la possibilitd d'entrelacer les donndes audio et viddo pour une lecture synchronisée. Le CD-I définit un secteur de mode 2 avec un en-tête supplémentaire de 8 bits supportant des types de données supplémentaires tels que les données audio et vidéo entrelacées.

La spécification CD-I se base autour d'un processeur Motorola 68000 utilisant le RTOS (Real-Time Operating System) OS-9. Uutilisation d'un RTOS est nécessaire pour accomplir les fonctionnalités du CD-I: sortie audio, sortie vidéo et accés simultanés au disque. Le CD-I comprend dgalement le standard decompression d'images MPEG (Moving Picture Experts Group). Avec un chip de décompression MPEG opérant dans un CD-I, les données vidéo peuvent étre décompressées et envoyées au processeur hôte dans le méme temps. Compresser les données vidéo augmente les capacités de stockage.et le taux de transfert en lecture, le nornbre de pixels décompressés par secteur étant supérieur A la capacité standard d'un secteur. Le CD-I ne supporte actuellement pas la compression des données.

Le DVI, ddveloppé à I'origine par le Samoff Labs de General Eiectric/RCA, est apparu comme le CD-I en 198é. Intel a acheté la technologie en 1987 et annoncé un jointventure avec IBM pour 'exploiter en 1989. Le DVI est un périphérique/ordinateur. Ce nŽest pas un systbme à part entière mais, A part ce détail, il est similaire au CD-I. Le DVI supporte l'entrelacement des donées audio et vidéo pour la lecture synchronisée et accepte la compression de dorindes vidéo. Le fait de fonctionner sur un PC 80x86 ne permet pas au DVI d'utiliser le RTOS OS-9. A la place, le DVI se sert de son propre exécutable temps réel qui utilise les ressources systémes pour accomplir simultandment les accbs audio, vidéo et disque.Intel a développé un chip spécial vidéo, le 750, qui exécute les opérations de compression et de décompression vidéo pour la carte contréleur DVI d'IBM, I'ActionMedia II. La carte d'IBM peut exécuter et développer des applications DVI. Intel travaille sur une version spéciale du 486 qui supportera le DVI. Un tel élément permettrait la production d'ordinateurs DVI meilleur marché sans carte externe telle que I'ActionMedia 11. Le DVI supporte FMV (Full-Motion Video) avec un débit de plus de 30 trames par seconde, les dimensions des trames étant de 512x482 pixels. Avec la compression vidéo, un maximum de 72 minutes de FMV haute qualité peuvent étre contenues par un disque. Avec une puissance de calcul idoine, le DVI supporte des images couleurs 24 bits A 1024x768 pixels avec un débit de 30 trames par seconde.


CD-ROM XA

Philips, Sony et Microsoft ont lancé le CD-ROM XA en 1988. Cette spécification définit le standard Niveau 2 de Microsoft pour les CD-ROM et les applications multimdédias. Comme les CD-I, le CD-ROM XA supporte les données audio et vidéo entrelacées pouvant êre lues en synchro sans utiliser le RTOS OS-9. Le CD-ROM XA conserve la structure de fichier ISO 9660 et les secteurs à 2048 octets avec code correcteur. Comme pour le CD-I, vous pouvez joindre une information supplémentaire pour ajouter de nouveaux types de données,tels que l'entrelacement.

Il supporte également jusqu'à 16 canaux audio en paralléle.

Cette spécification ne supporte pas encore la compression vidéo mais la compression audio par l'intermédiaire d'ADPCM (Adaptive Diferential Pulse-Code Modulation). Quatre niveaux de qualité audio permettent de gérer I'espace disque en fonction dé la qualité recherchée, afin de stocker 19 heures de données audio sur un unique disque. Pour ce faire, soit le lecteur CD-ROM XA,soits on contréleur doit posséder un chip ADPCM pour décompresser les données audio à la lecture.


Photo CD


Le Photo CD cle Kodak est une application intéressante de la technologie CD-R. Ce systéme permet de stocker jusqu'à 100 photos numérisdes sur un disque. Le Photo CD utilise la structure de fichiers du CD-I et du CD-ROM XA. Pour rdaliser des disques de Photo CD, votre laboratoire photo doit possdéer un systbme Photo CD spdcifique. Les disques Photo CD peuvent étre lus par des drives CD-I et CD-ROM XA par l'intermédiaire de logiciels appropriés. Cependant, ils ne peuvent étre lus par un drive de CD-ROM classique.

Kodak sortira bientôt son lecteur de disque Photo CD. De plus, Kodak a développéd sa propre evolution de disque CD-R. Ses disques sont similaires aux disques inscriptibles mais Kodak a ajouté une couche de protection contre les UV au-dessus de la couche de laque afin d'allonger la durée de vie.

Le prix d'entrée de gamme des lecteurs de CD-ROM se situant aux alentours de 1500 francs, les CD-ROM sont donc devenus le support privildgié pour la distribution de systémes et d'applications multimédias. La sortie des lecteurs CD-R, avec des prix encore supèrieurs a 50000 francs, accélère malgrè tout cette tendance en faisant baisser le coût de production des disques CD-ROM.

Comprendre la conception des lecteurs CD-ROM et I'évolution des standards est un passage obligé pour acquérir le lecteur CD-ROM correspondant à vos besoins.