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CD-RAM

目录
CD-RAM的全称
CD-RAM所使用的技术
盘片结构
盘片与驱动器的规格
CD-RAM的存储方式
CD-RAM的扇区格式与文件系统
CD-RAM的缺陷管理系统

    CD-RAM的全称

    为CD- Random Access Memory(CD随机存储器),是由在CD标准争夺战中处于优势的三家公司联合开发的,它们是松下、日立与东芝(简称MHT)。业界对其定义为Re-Writable CD(可重写式CD)。

    CD-RAM所使用的技术

    源于松下自己的PD(Phase-change Dual,双相变)光盘技术。并结合了硬盘、MO(Magneto-Optical,磁光盘)的部分存储技术,针对于数据存储应用而开发。在那个时候(CD刚正式推出),对于刻录与CD-ROM相兼容的视频光盘的需求并不迫切,所以可录式CD更多的是被看作为数据存储媒体,并以MO为潜在的替代目标。而在当时,对于大容量光存储也的确有不小的需求。这样,CD-RAM在设计当初就没有过多地考虑与那时已经出现的CD-ROM驱动器或CD播放机进行兼容,即使修改它的BookType也没有用,因为它的记录方式与CD-ROM完全不一样。

    其实,按照MHT的想法,现在即使不兼容,只要让后期推出的CD-ROM与播放机去兼容CD-RAM也完全可以,而且不存在技术上的困难,事实上以MHT的在业界的实力和影响力,做到这点也并不是什么难事。在那时,MHT的理念得到了CD论坛大部分会员的赞同,1996年松下公司开发出第一个CD-RAM样品,并最终在1997年7月公布了CD-RAM Ver1.0规范,成为了CD刻录世界的开路先锋。到了1999年公布了CD-RAM Ver2.0规范,在2000年又对第二版进行了少量改进(主体规格没有变化)并推出了CD-RAM Ver2.1规范。在CD-RAM的开发中,MHT还得到了欧洲电子计算机工业会(ECMA:European Computer Manufacturers' Association)的帮助,并以ECMA标准的形式发布了相关版本的CD-RAM盘片规范。

    CD-RAM在诞生之初就没想到兼容,也没想以视频刻录为其主要目的,而是一开始就打出了数据存储的旗号。由于CD-RAM在数据存储方式上与硬盘极为相似(透明式操作),并且可重写次数远高于CD-RW和CD+RW,所以,只要不考虑与传统驱动和播放机的兼容问题,它是非常理想的数据存储与备份手段。事实也是如此,现在的专业光存储市场几乎被CD-RAM所独占(这也符合当初MHT的设想)。要知道这一市场的空间同样巨大,利润也是民用市场无法比拟的。在这个市场上引领风骚的厂商大多不是我们所熟悉的,所以对民用级用户来说,CD-RAM就好像灭亡一样,可事实上就厂商所得到的利润来说,没准它们正私下偷着乐呢。

    盘片结构

    CD-RAM的盘片与现有的其他光盘很不一样,浮雕式首标(EH,Embossed Header)信息与MO如出一辙,CD-RAM Ver1.0的光盘表面,可以清晰地看出由EH组成的图案,与MO很类似。CD-RAM使用了ZCLV(Zoned Constant Linear Velocity,区域恒定线速度)旋转模式,在光盘的盘片上划分出多个数据区,每个数据区含有基本等量的存储轨道,每个转道扇区数量一致,在这一区域内光盘的转速是恒定的(因为是CLV方式,所以越外圈转速越低),而处于内圈的数据区的转速要高于处于外圈的数据区转速,这一点与硬盘的ZDR(Zoned Data Recording,区域数据记录)方式有几分相似,不过CD-RAM是从最内圈开始写入的。

    在盘片结构方面,CD-RAM也是目前所有CD刻录盘中最复杂的,在0.6mm的厚度里一共有8层材料。

    CD-RAM从Ver1.0开始就制定的双面盘片的规范,像CD-10一样背靠背将两张0.6mm的盘片压合(俗称Bonding),如果要使用另一面进行存储,就必须将光盘取出翻个面才行。

    由于EH是CD-RAM得以工作的重要保证(它是存储着扇区的ID),所以为了保护光盘不被无谓的磨损,CD-RAM从Ver1.0开始就规定了光盘匣(Cartridge)的设计规范。共有三大系列9种类型(Type),在平时它就像是光盘盒一样保护着盘片,在使用时直接放入驱动器中即可。

    密封式光盘匣连同光盘一块出售,盘片被封死在盘匣内,不能拆卸。可移除式光盘匣虽也连同CD-RAM一块出售,但可以拆卸,单独使用里面的光盘,比如放到其他可以读取CD-RAM的驱动器中进行数据共享(CD-RAM驱动器也支持不带光盘匣使用CD-RAM)。空光盘匣则有点像光盘盒,如果购买散装的CD-RAM盘片或原有的盘匣损坏,可以购买它来保护光盘。

    盘片与驱动器的规格

    CD-RAM Ver2.0与Ver1.0在盘片的规格上有着很大不同,首先就是容量的变化,并且有了8CM盘片的规范。而由于容量的不同也必然造成相关的设计产生了变化,如存储区数量、轨道间距、记录点的长度等等,其次是刻录速度的提高。不过CD-RAM规范是向下兼容的,支持最新Ver2.1的CD-RAM驱动器仍可以使用Ver1.0的盘片。

    CD-RAM的存储方式

    在CD-R与CD-RW光盘上都有已经设置好的存储轨道,这个轨道是特意制作的沟槽(Groove),CD刻录在这一点上与之大同小异,但CD-RAM是其中比较特别的一种设计。

    在数据区中,CD-RAM不仅在沟槽处记录数据,也在岸台(Land)记录数据,因此CD-RAM的基本存储方式被称为“岸/沟”式存储(Land/ Groove)。还有一个地址区是CD-RAM之所以能实现随机存储的重要保证,它为每一个存储扇区都设立了一个唯一的标识(ID),4个ID信息就组成了前文讲到的首标(Header),之所以称它为浮雕式,是因为它是以凹坑的形式压制(类似于CD-ROM的制作方法)在非激光刻录的介质上。它就相当于硬盘上的伺服信息,不会在写入时被破坏。这种通过首标进行寻址的方式就是互补定位信息凹坑地址(CAPA,Complementary Allocated Pit Address)。

    首标中的4个ID信息,两两一组(ID1/ID2、ID3/ID4),每个ID中包含有同步信息、物理扇区地址、地址错误检测信息等,分别对应位于其身后的处在岸台和沟槽的扇区。这里需要指出的是,CD-RAM与CD-R一样,使用的也是一条螺旋形轨道,因此在每一圈中都要进行岸/沟之间的转换,ID1/2与ID3/4的位置也会随之改变。而所有的这一切(首标的信息,各ID的位置,岸/沟转换)在CD-RAM盘片生产过程中就预制好了,无需用户操心。

    CD-RAM盘片上首标的组成,ID1/2对应后面的岸台扇区,ID3/4对应后面的沟槽扇区,在经过岸/沟转换后,ID1/2与ID3/4的位置也会改变,保持相应扇区的对应位置

    轨道是呈波浪形抖动的。在CD-R与CD-RW光盘上的轨道也是“抖动”的,业界称之为Wobble。这个设计在于更好的对轨道进行跟踪,保持应有方向,配合上文讲到的岸/沟式存储技术,可以得到很高的跟踪精度。CD-RAM将这种技术定义为的抖动岸/沟式轨道(Wobbled Land and Groove Tracks)

    当光学传感器识别经过首标时,一个推挽式(PP,Push-Pull)式轨道跟踪探测器将开始工作,此时带通滤波器(Band Pass Filter)与判别电路(Discrimination Circuit)来获得并识别首标与轨道的信号,同时借助于PLL(Phase-Locked-Loop,锁相回路)生成与抖动信号同步的时钟信号,从而保证轨道的跟踪精度。

    轨道抖动的频率是固定的(在Ver2.0版中,抖动的频率为141KHz),能给驱动器提供一个恒定的时间信息。因此,这个固定的抖动频率可以帮助读取头在连续读取扇区但读取下一个首标失败时,仍可以通过计算抖动周期找到下一个扇区的位置。松下公司声称这个技术可以将寻址的错误率降低到10-20以下。不过,大家不要误会激光头的刻录也是在抖动中进行,抖动只是为了更好地跟踪轨道(之所以轨道不是正规的圆形,是因为有规律的变动更容易识别并跟踪,如果是平直的一条线反而不容易判断),数据的记录仍是沿轨道的中线进行,在读取时,驱动器是不理会抖动信息的,这也是其他光刻录技术所惯用的手段,只是在细节上有所差异。

    CD-RAM的扇区格式与文件系统

    CD-RAM的扇区数据容量为2048字节(2KB,不含纠错码),在数据纠错方面与CD-ROM一样,使用了著名的理德-所罗门纠错编码技术,但纠错的单位并不是一个扇区,而是一个纠错块(ECCB,ECC Block),一个纠错块包含16个物理扇区中的数据区,共32KB,这个纠错块中的每个扇区的纠错码分布存储在其他15个扇区中。这也是CD和所有CD刻录技术的通用设计。

    CD-RAM的标准文件系统与CD一样,使用统一磁盘文件系统(UDF,Universal Disc Format),这也是CD其他CD刻录技术所使用的标准文件系统。UDF是光学存储技术协会(OSTA,Optical Storage Technology Association,官方网址:http://www.osta.org)开发的文件系统,目的在于解决ISO9600文件系统给光存储发展带来的限制,让光存储系统有一个强大而统一的文件管理平台。其文件扇区的容量为2048字节,是硬盘所规定扇区的4倍,这也是CD所使用的规格。而UDF通过完整的封包写入(PW,Packet Writing,封包是UDF中一个写入单位,它允许在一个轨道上进行多个文件的集中写入操作,有助于提高写入效率,一般是以64KB为一单位)功能与虚拟分配表(VAT,Virtual Allocation Table)给予了CD强有力的支持。不过,为了向下实现更好兼容性,CD-ROM使用的是ISO9660与UDF相结合的文件系统,也称UDF Bridge。目前UDF的最高版本是2.01,由于不是本文的重点,所以在此不再详述,有兴趣的读者可自行参阅相关文档。

    另外, CD-RAM还可以使用FAT16/32文件系统(使用FAT16时,容量则只有2GB),在WindowsXP系统上,更可以直接对其进行FAT32格式化,并可在Windows 98和2000中读取(后者需要SP3),在三个刻录标准中,这是它独一无二的功能,非常实用。

    CD-RAM的缺陷管理系统

    我们知道在硬盘上,都有缺陷管理功能(Defect Management),在出厂时对磁盘进行扫描,将有缺陷的扇区(Bad Sector)的地址重定向到磁盘上备用的扇区(磁盘上除了标准的可正常寻址的数据区外,还有备用存储区以便替换有缺陷的扇区),并生成主缺陷列表(PDL,Primary Defect List,又称P-List),这个列表记录着缺陷扇区的地址和所重定向扇区的地址,在出厂后,也可以通过自身或专用的软件检查新产生的缺陷扇区并写入成长缺陷列表(GDL,Grown Defect List,又称G-List)。它们被存放在硬盘的上专用存储器中(可能是存储Firmware用的Flash ROM,也可能是主控制器中的EPROM),供寻址时进行即时查询和转换。

    虽然UDF从1.5版之后也提供了缺陷管理的功能,但出于可靠性和工作效率的考虑,CD-RAM采用了与硬盘类似的方式——硬件实现缺陷管理。但由于光盘的可更换性,所以PDL与次级缺陷列表(SDL,Secondary Defect List)都存放在光盘而不是驱动器上。SDL并不是GDL,而是对PDL的一个补充,PDL用满后自动使用SDL。为了保存这两个缺陷列表,在CD-RAM的导入区(Lead-In Area)和导出区(Lead-Out Area)分别设立了4个缺陷管理区(DMA,Defect Management Area),每一个DMA包含32个扇区(两个ECCB),第一个ECCB存放着PDL,第二个ECCB存放着SDL。

    既然要替换有缺陷的扇区,那么就肯定要有备用的存储区。为此,CD-RAM在盘片最内圈的数据区(Zone 0)固定划分出了12800个备用扇区,容量为25MB。我们称之为主备用区(PSA、Primary Spare Area),而在盘片的最外圈数据区(Zone 34)则动态划分出辅助备用区(SSA,Supplementary Spare Area)。只有在PSA用满后才开始用SSA。SSA的扇区数最少为0,最多为97792个,容量191MB。也就是说可以用来替换的扇区总数为110592个,容量216MB,基本可以保证其100000次擦写操作的扇区的实际数量。

    CD-RAM光盘在出厂时就已经做过了检测(Certification)并生成缺陷列表,在使用后期,用户也可以再进行检测操作,此时驱动会自动进行缺陷检查并更新缺陷列表。在每次CD-RAM工作时,驱动器会读取PDL和SDL并暂时保留在相应的存储器中以供寻址时使用。

    缺陷管理是CD-RAM驱动器本身的功能,无需第三方软件参与,也是其得以自豪的一个重要优势。它借鉴了硬盘在这方面的经验与设计,最大限度的保障了数据安全可靠地被存储。不过,由于备用区的存在以及格式化操作,使CD-RAM的实际存储容量并不能达到标称的4.7GB。事实上,CD-RAM的单面总存储容量是5GB,但导入和导出区占用了几百兆的空间,再刨去PSA、SSA占用的空间,实际可用的最大容量约为4.52GB。

    2009-5-17

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