تکنولوژی و کارکرد لوح فشرده – سی دی Compact Disc

[M.A.H.S.A]

●CD چیست؟
CD مخفف عبارت Compact Disc یا دیسک فشرده است که حدود ۲۰ سال قبل اختراع شد تا رقیبی برای محیط‌های ضبط مغناطیسی باشد. امروزه CD به عنوان اولین انتخاب برای ضبط موسیقی، ویدیو و دیتا درآمده است. نام اولیه برای CD عبارت بود از CD-ROM که معادل بود با Compact Disc-Read-Only Memory اما حضور تکنولوژی‌های جدیدتر در ساخت CD، نام‌های دیگری مانند CD-R یا CD-RW را به میدان آورد. یک CD قادر به ذخیره‌سازی ۷۴ دقیقه (۸۰ دقیقه) موزیک است.
ظرفیت دیسک‌های فوق بر حسب بایت معادل ۶۶۵۶۰۰ بایت (و در مدل ۸۰ دقیقه‌ای۷۱۶۸۰۰ بایت) است. قطر این دیسک‌ها دوازده سانتیمتر است. CD دارای یک شیار حلزونی (مارپیچ) داده است. دوایر از قسمت داخل دیسک شروع و به سمت بیرون دیسک ختم می‌شوند. با توجه به اینکه شیار مارپیچ از مرکز آغاز می‌گردد، بنابراین قطر یک CD می‌تواند کوچک‌تر از ۱۲ سانتیمتر باشد. اگر داده‌هایی که بر روی یک CD ذخیره می‌گردد را استخراج و جملگی آنها را در یک سطح مسطح قرارد دهیم، پهنائی به اندازه نیم میکرون و طولی به اندازه پنج کیلومتر را شامل خواهند شد!
● تاریخچه سی دی CD
تاریخچه ساخت CDها زیاد طولانی نمی‌باشد. دیسک‌های فشرده ابتدا در سال ۱۹۸۰ مطرح شدند و ایده ساخت آنها ظاهراً از صفحات گرامافون گرفته شده است. دیسک‌های فشرده یکی از منابع ذخیره اطلاعات مانند فلاپی دیسک‌ها می‌باشند با این تفاوت که ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات در دیسک‌های فشرده بسیار بیشتر می‌باشد. دیسک‌های فشرده، منتخب غالب افراد راغب موزیک بود. به دلیل ثبت دیجیتالی آن، محصولات امنیتی در بالاترین سطح کیفی خود هستند و نیز احتمال از بین رفتن آن بسیار کم است.
تکنولوژی‌های مشابه، CD را به عنوان یک واسطه جاذب برای حمل انواع اطلاعات دیجیتالی ساخته‌اند. با اینکه CDهای فشرده به قدر کافی قابل اعتماد نیستند اما کمیت حجیم آن می‌تواند برای ما سریع و مقرون به صرفه باشد. انحصار تولید دیسک‌های فشرده در ابتدا در دست دو شرکت PHILIPS وSONY بود. ولی در آن زمان استاندارد خاصی برای تولید این CDها وجود نداشت و نیز این مشکل نیز وجود داشت که هر کسی می‌خواست از این دیسک‌های فشرده استفاده نماید می‌بایست فقط از دیسک‌ها و دیسک‌خوان‌های مربوط به یکی از این دو شرکت استفاده می‌نمود.
در حال حاظر تمامی CDها با استفاده از یک استاندارد جهانی (ISO) ساخته می‌شوند و در هر جایی می‌توان از این دیسک‌های فشرده استفاده نمود و به راحتی در سرتاسر دنیا این دیسک‌های فشرده در دسترس می‌باشند. به خاطر رشد فوق‌العاده و کامل CDها و تکنولوژی، در حال حاضر CDها تکامل یافته و کامل شده‌اند. استانداردهای اساسی CD و قانون‌های مرتبط به آن در کتاب قرمز (Audio) ، کتاب زرد (CD ROM)، کتاب نارنجی (CD-R) ، کتاب سبز (CD-I) و سایر تکنولوژی‌ها معین و جمع‌آوری شده است. به هر حال هر استاندارد رسمی و غیررسمی از این قوانین معین شده در کتاب‌های صنعتی اصلی تبعیت می‌کنند.
● طرز ساخت لوح فشرده – سی دی CDها
سی دی ها CD از جنس پلاستیک بوده و دارای ضخامتی معادل چهار صدم یک اینچ (۲/۱ میلیمتر) است. بخش اعظم یک CD شامل یک نوع پلاستیک پلی کربنات تزریقی است. در ابتدا قالب ابتدایی یک CD پلی کربنات گداخته شده است. هنگامی که این پلی‌کربنات به نقطه ذوب خود نزدیک می‌شود، پلاستیک فوق نشانه‌گذاری شده و یک شیار حلزونی (مارپیچ) پیوسته از داده، ایجاد می‌گردد. برای انجام این کار از ضربه‌‌های میکروسکوپی استفاده می‌شود. این ضربه‌‌ها پیت‌ها و لند‌ها را به وجود می‌آورند که اطلاعاتی هستند که لیزر آنها را می‌خواند.
بعد از این مرحله، لایه بازتابی تراشه‌ای، برای استفاده در فرآیندی به نام sputtering و یا wet silvering آماده می‌شود. علت درخشان به نظر آمدن یک دیسک نیز همین مرحله است و به این دلیل استفاده می‌شود که لیزر را به پخش‌کننده انتقال دهد، بنابراین بی‌عیب بودن آن بسیار اهمیت دارد. جنس این لایه اصولا از نقره است، اما می‌تواند از موادی مانند طلا یا پلاتین و در موارد تجاری‌تر آلومینیوم ساخته شود و یا حاوی لایه‌های حساس به نور اضافی باشد که وضعیت دیسک‌های با قابلیت ثبت دوباره اینگونه است.
در ادامه یک لایه آکریلیک به منظور حفاظت بر روی سطح آلومینیومی پخش می‌گردد. این پوشش لاکی برای مهر کردن لایه بازتابی و جلوگیری از اکسید شدن آن، وارد عمل می‌شود. این لایه باریک است و طوری عرضه شده است که کوچک بوده و در مقابل خراشیدگی مقاوم نیست. آخرین مرحله کار بر روی یک CD، screen-printed در قسمت بالای آن است و CD آماده بسته‌بندی، عرضه به کاربر و در نهایت رایت می‌شود.
نتیجتاَ هر CD حاوی ۹۹% پلی کربنات و در نهایت ۱% اطلاعات ذخیره شده، تراشه لایه بازتابی و مرحله آخر است. لیزر استفاده شده توسط کاربر، از میان دیسک پلاستیکی عبور می‌کند، به اطلاعات برخورد کرده، سپس به لایه انعکاسی برخورد کرده و بعد به پخش کننده برگشت داده می‌شود. اختلافات جزئی میان انواع دیسک وجود دارد برای مثال دیسک‌های پلی‌استیشن از یک نوع پلی کربنات ارغوانی تیره تشکیل یافته‌اند، اما دقیقاً مانند سایردیسک‌ها عمل می‌کنند. دیسک‌های نگارنده و دوباره نگارنده (Re-Writable)، لایه مهر شده اطلاعات را ندارند در عوض هنگامی که در نور معینی قرار می‌گیرند از لایه‌های حساس به نور استفاده می‌کنند و اطلاعات را در داخل لایه‌ها حکاکی می‌کنند.
● عملکرد یک لوح فشرده – سی دی CD
اطلاعات بر روی یک CD با استفاده از یک درایو قابل نوشتن، ثبت می‌گردند. در صورتی که قصد ایجاد یک CD صوتی و یا یک CD داده را داشته باشید، می‌توان با استفاده از نرم‌افزارهای مربوط به نوشتن بر روی CD، این کار را انجام داد. فرمت ذخیره‌سازی داده‌ها توسط نرم‌افزار مربوطه تعیین خواهد شد. فرآیند فرمت داده‌ها بر روی CD بسیار پیچیده است. به منظور شناخت نحوه ذخیره‌سازی داده‌ها بر روی CD، لازم است که با تمام شرایط ممکن برای رمزگشائی داده‌ها را که مورد نظر طراحان مربوطه است، شناخت مناسبی پیدا شود.
- با توجه به اینکه لیزر با استفاده از Bumps ، داده‌های مارپیچ را دنبال می‌نماید، نمی‌تواند فضای خالی اضافه (Gap) در شیار وجود داشته باشد. به منظور حل مشکل فوق از روش رمزگشائی EFM)eight-fourteen modulation) استفاده می‌شود. در روش فوق هشت بیت به چهارده بیت تبدیل شده و این تضمین توسط EFM داده خواهد شد که برخی از بیت‌ها یک خواهند بود.
- با توجه به اینکه لازم است لیزر بین «آهنگ‌های متفاوت» حرکت نماید (حرکت بر روی شیارها)، داده‌ها نیازمند روشی هستند که با استفاده از آن به صورت موزیک رمزگشائی شده و به درایو اعلام نمایند که موقیت هر کدام کجاست؟ به منظور حل مشکل فوق از روشی با نام Sub code Data استفاده می‌شود. کدهای فوق قادر به رمزگشائی موقعیت نسبی و مطلق لیزر در شیار خواهند بود.
- با توجه به اینکه لیزر ممکن است یک Bumps را نخواند، روشی برای مشخص نمودن خطای مربوط به خواندن یک بیت می‌بایست استفاده گردد. به منظور حل مشکل فوق باید بیت‌های بیشتری اضافه گردد. بدین ترتیب درایو مربوطه امکان تشخیص و تصحیح خطاهای مربوط به تک بیت‌ها را پیدا خواهد کرد.
● انواع CD و فرمت‌های آن
CD نیز مانند هارددیسک که با یکی از فرمت‌های FAT۱۶ ، FAT۳۲ و یا NTFS کار می‌کند، نیاز به فرمت خاصی دارد که بتواند کار کند. اولین فرمت CD ، فرمت CDهای موسیقی، به نام CD-DA یا CD-Digital Audio می‌باشد که موسیقی را به نحو خاصی روی CD می‌نویسد، به این فرمت CD-Audio هم می‌گویند. این فرمت برای هر آهنگ یک تراک (track) روی CD باز می‌کند که طول آن بستگی به طول آهنگ دارد و متغیر می‌باشد.
پس هر آهنگ یک تراک می‌گیرد. CD-Audio روشی عالی برای ذخیره موسیقی است اما چون روشی برای کنترل خطا ندارد، اصلاً به درد ذخیره دیتای کامپیوتری نمی‌خورد. اگر چند بیت از موسیقی هنگام پخش خراب شود، تاثیر زیادی در آنچه می‌شنوید نخواهد داشت. اما چند بیت خراب در یک فایل کامپیوتری exe، به معنای کار نکردن آن است. برای ذخیره دیتا روی CD نیاز به کنترل خطاست. بدین ترتیب فرمت جدیدی برای آن به نام ISO-۹۶۶۰ به میدان آمد.
این فرمت به نام High Sierra هم شناخته می‌شود اما نام معروف‌تر آن که عامه‌پسند هم می‌باشد فرمت CD-ROM است. اکثر CDهای دیتا، از این فرمت استفاده می‌کنند. یک فرمت مخلوط بین صدا و فیلم هم به نام CD-I یا CD-Interactive وجود دارد که هدف آن بوده تا روی یک CD بتوان صدا و قیلم را با هم ذخیره کرد تا بعد با هم پخش شوند و ساخت درایوهایی برای کامپیوتر مورد نظر بوده است که بتواند CDهای انواع CD-I را پخش کند. فرمت دیگر، CD-ROM/XA است که آن هم چیزی مانند CD-I می‌باشد و با وجودی که CDهای کمی از آن پیروی می‌کنند، اما اکثر درایوها آنرا ساپورت می‌نمایند.
CD-ROM که از طرف کارخانه پر می‌شد، امکانی هم به کاربر خانگی نمی‌داد تا CD خود را پر کند. در این مسیر تکنولوژی با ارئه نوع بخصوصی CD به نام WORM که مخفف Write Once Read Many است به کاربران خانگی امکان داد تا CD خود را در منزل پر کنند اما به علت استفاده از دستگاه‌های گران قیمت خیلی زود منسوخ شد. در اواسط دهه ۱۹۹۰ استاندارد CD-R یا CD-Recordable معرفی شد.
بدین ترتیب پای درایوهای ارزان قیمت CD Burners به میان آمد که می‌توانست دیتا را به دیسک‌های مخصوص CD-R اضافه کند. هر درایوCD-ROM هم قادر بود که CD-R را بخواند و تمام درایوهای CD-R نیز می‌توانستند CD-ROMها را بخوانند. CD-Rها در دو نمونه عرضه می‌شود: دیسک ۷۴ دقیقه‌ای که می‌تواند ۶۵۰ مگابایت دیتا نگه دارد و دیسک‌های ۸۰ دقیقه‌ای که می‌تواند ۷۰۰ مگابایت دیتا را نگه دارند.
درایوهای CD-R هم باید نوع دوم یعنی دیسک ۸۰ دقیقه‌ای را ساپورت کنند اما در عمل اینطور نیست. عملکرد دیسک‌های CD-R مانند CD-ROMهای معمولی است ولی به علت مواد شیمیائی خاص براق‌تر است. چون لیزری که در CD-I می‌نویسد از لیزر خواننده ۱۰ بار قوی‌تر است می‌توان به راحتی اختلاف نوری را بین نقاطی که دیتا نوشته شده و نقاطی که دیتا وجود ندارد تشخیص داد. روی CD-R فقط یک بار می‌توان نوشت.
درایوهای قدیمی CD-R در یک بار نوشتن روی آن، تمام فضا را مصرف می‌کرد و امکان نوشتن روی فضای خالی را نمی‌داد. اصطلاحاً در یک Session کار را تمام می‌کرد و گاهی فضای بسیار زیادی از بین می‌رفت. این درایوها به Single-Session Drives معروف بودند. درایوهای جدید Multi Session هستند که به شما امکان می‌دهند تا زمانی که فضای خالی روی دیسک قرار دارد طی مراحل مختلف، دیتا را در آن بنویسید.
البته در این درایوها هم اگر بخواهید می‌توانید در هر مرحله عمل نوشتن را ببندید و دیگر اجازه نوشتن روی دیسک را ندهید. هر چند CD-R بسیار مورد توجه قرار گرفت اما نقطه ضعف بزرگی داشت، شما نمی‌توانید اطلاعات آنرا پاک کرده و آن را مجددا مورد مصرف قرار دهید. بدین ترتیب فرمت CD-RW یا CD-ReWrite ظاهر شد که به قول بعضی‌ها یک فلاپی دیسک ۶۵۰ مگابایتی است. سرعت Write در این CDها نیز متفاوت است و بستگی به حساسیت جنس ورقة آلومینیومی CD دارد.
هر چه این لایه حساس‌تر باشد. سرعت Write بالاتر خواهد بود. هر چند که دیسک‌های اولیه CD-RW در درایوهای معمولی CD-ROM قابل خواندن نبود اما این نقطه ضعف به سرعت برطرف شد. با ظهور درایوهای CD-RW که می‌توانستند روی دیسک‌های CD-R هم بنویسند، عمر درایوهای CD-R به سر آمد.
● درایوهای سی دی CD یا سی دی پلایر CD playerها
مسئولیت یافتن و خواندن اطلاعات ذخیره شده بر روی یک CD بر عهده CD Player یا درایو CD است. یک CD player دارای سه بخش اساسی است:
۱) یک موتور که باعث چرخش دیسک می‌گردد. چرخش موتور فوق با توجه به شیاری است که می‌بایست خوانده شود و بین ۲۰۰ تا ۵۰۰ دور در دقیقه می‌باشد.
۲) یک لیزر و یک سیستم لنز که برآمدگی‌های موجود بر روی CD را خواهند خواند.
۳) یک مکانیزم ردیابی به منظور حرکت لیزر به گونه‌ای که پرتو نور قادر به دنبال نمودن شیار حلزونی باشد.
● فن آوری درایوهای سی دی CD یا سی دی پلایر CD playerها
CD Player یک نمونه مناسب از آخرین فناوری‌های موجود در زمینه کامپیوتر است. در سیستم فوق داده‌‌ها به شکل قابل فهم و به صورت بلاک‌هائی از داده شکل‌دهی شده و برای یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (زمانی که CD صوتی باشد) و یا یک کامپیوتر (زمانی که یک درایو CD-ROM باشد) ارسال خواهد شد.
پس از تابش نور بر روی سطح دیسک (برآمدگی‌ها)، بازتابش آن از طریق یک چشم الکترونیکی کنترل می‌گردد. در صورتی که بازتابش نور دقیقاً بر روی چشم الکترونیکی منطبق گردد، عدد یک تشخیص داده شده و در صورتی که بازتابش نور منطبق بر چشم الکترونیکی نباشد، عدد صفر تشخیص داده خواهد شد. پس از تشخیص فوق (صفر و یا یک) اطلاعات به صورت سیگنال‌های دیجتال شکل‌دهی خواهند شد.
در ادامه سیگنال‌های فوق در اختیار یک تبدیل کننده قرار خواهند گرفت. تبدیل کننده سیگنال‌های دیجیتال را به آنالوگ تبدیل خواهد کرد. اگر CD مورد نظر حاوی اطلاعات صوتی (موزیک) باشد، در ادامه سیگنال‌های آنالوگ در اختیار یک تقویت کننده آنالوگ قرار گرفته و پس از تقویت سیگنال مربوطه امکان شنیدن صوت از طریق بلندگوی کامپیوتر به وجود خواهد آمد. وظیفه اولیه CD player تمرکز لیزر بر روی شیار حاوی برآمدگی‌های ایجاد شده است.
پرتوهای نور از بین لایه پلی‌کربنات عبور و توسط لایه آلومینیم بازتابش خواهند شد. یک چشم الکترونیکی (Opto-electronic) از تغییرات به وجود آمده در نور استنباطات خود را خواهد داشت. با توجه به برآمدگی‌های موجود در سطح دیسک، بازتابش نور منعکس شده تفاوت‌های موجود را مشخص و چشم الکترونیکی تغییرات حاصل از انعکاس را تشخیص خواهد داد. الکترونیک‌های موجود در درایو، تغییرات نور منعکس شده را به منظور خواندن بیت‌ها، تفسیر می‌نماید.
مشکل‌ترین بخش سیستم فوق نگهداری پرتوهای نور در مرکزیت شیارهای داده است. عملیات فوق بر عهده «سیستم ردیاب» است. سیستم فوق مادامی که CD خوانده می‌شود، به صورت پیوسته لیزر را حرکت و آن را از مرکز دیسک دور خواهد کرد. به موازات حرکت خطی فوق، موتور مربوطه (Spindle motor) می‌بایست سرعت CD را کاهش داده تا در هر مقطع زمانی، اطلاعات با یک نسبت ثابت از سطح دیسک خوانده شوند.
اکثر درایوهای CD-RW امروزی با تکنیک Packet writing از فرمت UDF یا Universal Data Format استفاده می‌کنند. این درایوها با سه عدد مشخص می‌شوند مانند ۱۲x۱۰x۳۲ عدد اول معرف سرعت نوشتن CD-R است. عدد دوم سرعت بازنویسی روی CD-RW را نشان می‌دهد و سومین عدد معرف سرعت خواندن است.