唯讀光碟

唯讀光碟（CD-ROM），即被寫入數據之後只可以讀取而無法再次寫入的光碟。所有的唯讀光碟都是用一張母盤壓制而成，然後封裝到聚碳酸酯的保護外殼裡。記錄在母盤上的數據呈螺旋狀，由中心向外散開，磁碟表面有許許多多微小的坑，那就是記錄的數字信息。

唯讀光碟，一種能夠存儲大量數據的外部存儲媒體。直徑約4.5英寸，1/8英寸厚，能容納約660兆位元組的數據。

基本介紹

• 中文名：唯讀光碟
• 外文名：Compact Disc Read-Only Memory
• 英文縮寫：CD-ROM
• 容納：約660兆位元組的數據

光碟結構

組成

CD-ROM是一種唯讀光存儲介質，能在直徑120mm（4.72英寸）、1.2mm（0.047英寸）厚的單面盤上保存74～80分鐘的高保真音頻，或682MB（74分鐘）/737MB（80分鐘）的數據信息。CD-ROM與普通常見的CD光碟外形相同，但CD-ROM存儲的是數據而不是音頻。PC里的CD-ROM驅動器讀取數據和CD播放器方式相似，主要區別在於CD-ROM驅動器電路中引進了檢查糾錯機制，保障讀取數據時不發生錯誤。

CD-ROM使用了與CD-DA相同規格的盤和光學技術，以及相同的原版盤製作和壓制方法。這兩種盤的主要差別是盤上的數據結構，以及數據定址和糾錯能力。下面介紹CD-ROM盤及其物理數據結構。

標準的CD-ROM碟片直徑為120毫米（4.72英寸），中心裝卡孔為15毫米，厚度為1.2毫米，重量約為14~18克。CD-ROM碟片的徑向截面共有三層：

（1）聚碳酸酯（Polycarbonate）做的透明襯底；（2）鋁反射層；（3）漆保護層；

CD-ROM盤是單面盤，不做成雙面盤的原因，不是技術上做不到，而是做一片雙面盤的成本比做兩片單面盤的成本之和還要高。因此，CD-ROM盤有一面專門用來印製商標，而另一面用來存儲數據。雷射束必須穿過透明襯底才能到達凹坑，讀出數據，因此，碟片中存放數據的那一面，表面上的任何污損都會影響數據的讀出性能。

編碼

為了在物理介質上存儲數據，必須把數據轉換成適於在介質上存儲的物理表達形式。習慣上，把數據轉換後得到的各種代碼稱為通道碼。之所以叫通道碼，是因為這些代碼要經過通信通道。通道碼並不是什麼新概念，磁帶、磁碟、網路都使用通道碼。可以說，所有高密度數字存儲器都使用0和1表示的通道碼。如軟磁碟，它就使用了改進的調頻制（MFM ，Modified Frequency Modulation）編碼，通過MFM編碼把數據變成通道碼。

CD-ROM和CD-DA一樣，把一個8位數據轉換成14位的通道碼，稱為8－14調製編碼，記為EFM(Eight-to-Fourteen Modulation）。根據通道碼可以確定光碟凹坑和非凹坑的長度。

數據

由於CD-ROM產生的技術背景是CD-DA，加上其螺旋形線型光道結構、以恆定線速度（CLV）轉動、容量大等諸多因素，導致CD-ROM的數據結構比硬磁碟和軟磁碟的數據結構複雜得多。

CD-ROM盤區劃分為三個區，即導入區（Lead-in Area）、用戶數據區（User Data Area和導出區（Lead-out Area）。這三個區都含有物理光道。所謂物理光道是指360°一圈的連續螺旋形光道。這三個區中的所有物理光道組成的區稱為信息區（Information Area）。在信息區，有些光道含有信息，有些光道不含信息。含有信息的光道稱為信息光道（Information Track）。每條信息光道可以是物理光道的一部分，或是一條完整的物理光道，也可以是由許多物理光道組成。

信息光道可以存放數字數據、音響信息、圖像信息等。含有用戶數字數據的信息光道稱為數字光道，記為DDT(Digital Date Track）；含有音響信息的光道稱為音響光道，記為ADT(Audio Track）。一片CD-ROM盤，既可以只有數字數據光道，也可以既有數字數據光道，又有音響光道。

在導入區、用戶數據區和導出區這三個區中，都有信息光道。不過導入區只有一條信息光道，稱為導入光道（Lead-in Track）；導出區也只有一條信息光道，稱為導出光道（Lead-out Track）。

用戶數據記錄在用戶數據區中的信息光道上。所有含有數字數據的信息光道都要用扇區來構造，而一些物理光道則可以用來把信息區中的信息光道連線起來。

紙的發明極大地促進了人類文明的進步，它記載了人類文明的發展史，造就了一批新興的工業。從信息存儲的角度看，CD-ROM完全可以看成一種新型的紙。一張小小的塑膠圓盤，其直徑不過12厘米（5英寸），重量不過20克，而存儲容量卻高達600多兆位元組。如果單純存放文字，一張CD-ROM相當於15萬張16開的紙，足以容納數百部大部頭的著作。CD-ROM在記錄信息原理上卻與紙大相逕庭，CD-ROM盤上信息的寫入和讀出都是通過雷射來實現的。雷射通過聚焦後，可獲得直徑約為1微米（μm）的光束。

技術原理

CD-ROM光碟由碳酸脂做成，中心帶有直徑15mm的孔洞。在盤基上澆鑄了一個螺旋狀的物理磁軌，從光碟的內部一直螺旋到最外圈，磁軌內部排列著一個個蝕刻的“凹陷”，由這些“凹坑”和“平地”構成了存儲的數據信息。由於讀光碟的雷射會穿過塑膠層，因此需要在其上面覆蓋一層金屬反射層（通常為鋁合金）使它可以反射光，然後再在鋁合金層上覆蓋一層丙烯酸的保護層。

需要注意的是CD-ROM光碟的表面變髒和劃傷時都會降低其可讀性。儘管光碟是從下方讀取的，儘量避免使用原子筆之類的硬制筆在光碟正面寫字，容易劃傷保護層下的數據層。

讀取方式

讀CD-ROM上的數據時，是利用雷射束掃描光碟，根據雷射在小坑上的反射變化得到數字信息。CD-ROM驅動器的速率以“X倍速”表示，其速率的標準有2倍速，4倍速，8倍速等，目前可達到50倍速。隨著技術的發展，已出現了數字多功能磁碟（DVD），它的存儲容量更大，現已達到9.4千兆位元組，還有更高的，而且圖像清晰度更好，高保真效果也更好。

CD-ROM 為計算機所使用的光碟規格，其讀取光碟片的設備就稱為光碟機，儲存在光碟片上的數據是以雷射光讀取的，而非磁性方式讀取，所以光碟的保存可長達數十年。計算機所使用的光碟片格式與普通家中雷射唱盤所播放的音樂光碟（CD）格式相同，一片光碟片的數據容量高達650MB (74 min），約為450片的1.44MB軟碟片之多。一般軟碟片是可擦寫的，但光碟片只能讀取數據，而不能寫入數據 （如果有CD-R可燒錄式光碟機及CD-R空白片加上燒寫軟體，則可以在光碟片上寫入數據）。目前大多數的計算機都將CD-ROM列為標準配備，而 CD-ROM的轉速從1倍、2倍.....24倍、32倍，到現今最快的40倍...，速度的世代交替非常快，另計算機系統所使用的光碟片也稱為CD-Title。

CD-ROM讀取速度是指光存儲產品在讀取CD-ROM光碟時，所能達到最大光碟機倍速。因為是針對CD-ROM光碟，因此該速度是以CD-ROM倍速來標稱，不是採用DVD-ROM的倍速標稱。目前CD-ROM所能達到的最大CD讀取速度是56倍速；DVD-ROM讀取CD-ROM速度方面要略低一點，達到52倍速的產品還比較少，大部分為48倍速；COMBO產品基本都達到了52倍速。

對於50倍速的CD-ROM驅動器理論上的數據傳輸率應為：150×50=7500K位元組/秒。其實光碟機讀盤的速度快慢差別並非十分重要。這是因為在高倍速光碟機的時代，各種光碟機在讀盤速度上都有長足進步，已經不再是計算機系統中拖後腿的部件。而且，目前高倍速光碟機的標稱值只是在理想情況下讀外圈的最高速度，實際套用中多數時間達不到這個理想狀態，一般也就是24速的樣子。因此不管是36速、40速還是50速的光碟機，實際使用起來主觀感覺差別不是很大。當然，高速的光碟機可能更有優勢，但它也有CPU占用率高、噪聲大、振動大、耗電量大、發熱量大等副作用。某些品牌的光碟機，高速的品種反而不如低速的品種好，因此在選購光碟機時我們不必強求光碟機的速度。如果實在囊中羞澀的話，建議大家還是選擇較低倍速的光碟機，因為其價格便宜，而且性能也不會太差。但是只有在高速光碟機（24速以上CD-ROM）才能讀出CD-RW光碟的數據，在選購光碟機時應當注意。

錯誤檢測

雷射盤同磁碟、磁帶一類的數據記錄媒體一樣，受到盤的製作材料的性能、生產技術水平、驅動器以及使用人員水平等的限制，從盤上讀出的數據很難完全正確。據有關研究機構測試和統計，一片未使用過的唯讀光碟，其原始誤碼率約為3×10－4；有傷痕的盤約為5×10－3。

針對這種情況，雷射盤存儲採用了功能強大各種檢測碼

（1）CRC碼（cyclic Redundancy Code）檢測讀出數據是否有錯。CRC碼有很強的檢錯功能，但沒有開發它的糾錯功能，因此只用它來檢錯。

（2) 錯誤校正碼或稱為糾錯碼ECC(Error Correction Code）　採用里德-索洛蒙碼，簡稱為RS碼，進行糾錯。RS碼被認為是性能很好的糾錯碼。

（3) 交差里德-索洛蒙碼CIRC(Cross Interleaved Reed-Solomon Code）　這個碼可以理解為在用RS編解碼前後，對數據進行插值和交叉處理。

複製方法

綜述

CD-ROM的複製並不神秘，可以簡單地分為五個環節：（1）預製主片；（2）制主片；（3）電鑄；（4）複製；（5）印刷； （6）包裝。

由於CD-R系統的出現，這一過程實際上可以簡化為將CD-ROM節目的程式和數據刻錄成CD-R盤的過程。這個過程包括如下幾個步驟：

（1）預製：將CD-ROM節目的程式和數據，利用預製作軟體，在硬碟上按CD-ROM ISO9660格式模擬生成映像檔案。該映像檔案模擬真實的CD-R盤的檔案和目錄結構。

（2）最佳化、測試：通過CD-R製作系統軟體，存取CD-ROM映像檔案，就像存取已經放在CD-ROM碟片上一樣。這時對CD-ROM節目的程式和數據進行測試和最佳化，儘量使最頻繁存取的檔案放在CD-ROM“碟片”的最前端。

（3）刻錄：將已經生成好的CD-ROM映像檔案，利用刻錄軟體刻錄到CD-R碟片上去。值得注意的是，CD-R的刻錄過程中不允許中斷，一量發生中斷，碟片就有可能報廢。一般CD-R軟體支持多種CD格式。在刻錄時，可以選擇你所需要的格式，這也包括CD-I和CD-XA，及允許多個檔案系統共處於一個CD-ROM的混合格式（例如ISO和HFS）。在預製主片的過程中，通常要進行逐位元組的核查，以確保數據毫無差錯地轉換到新的格式。

制主片

這一過程實際上是我們將經過處理後的寫在CD-R盤上的數據，記錄在玻璃盤上的過程。因為任何CD-ROM盤的質量最高只能達到生產該盤所用的主片的質量，所以制主片這一過程被認為是在整個生產過程中最關鍵的一步。在制主片過程中所制出的CD凹點，是所有製造形成物中最小的――每一個只有煙霧的顆粒大小，這就意味著最微小的雜質也會損壞大量數據。所以製造主片及CD-ROM的生產過程中，一個關鍵條件就是空氣中微粒數量要得到嚴格控制，以保證潔淨的工作環境。

儘管現在有多種製作CD主片的方法，但最常用的是感光性樹脂系統。這種方法是將感光性樹脂（一種光敏化學物質，與沖洗黑白照片用的感光乳劑相似）用於一個經特殊處理的玻璃基片上，以制出一個玻璃主片。

感光性樹脂通常都是由一個旋轉塗膜系統以大約1/8微米――比人的頭髮細640倍的厚度塗上去的。計算機將格式化後的輸入媒體上的信息，轉化為雷射束記錄儀上一系列"開"和"關"的脈衝，通過這一雷射編碼過程將數據記錄到感光樹脂塗層上。

在一個螺旋形軌道上，雷射束記錄儀使部位感光性樹脂在藍光下曝光，這樣就生成了光碟的具體內容。玻璃母盤也要用化學顯像藥水來進行顯影。感光性樹脂上曝光的部分被腐蝕掉以後，就在抗蝕性的表面上形成了上億個微小的凹點。

經過顯影之後，要在感光性樹脂表面蒸敷上一層金屬膜（通常是銀），以便其後玻璃主片電鑄時有一個導電的表面。

電鑄

電鑄的最終目的是產生用於複製CD的金屬模子。在製作玻璃主片的這一過程中，由於有一層銀膜而導電的主片，浸浴在含有鎳離子的電解質溶液里。通過一個電路使其通電後，帶有光碟映像的玻璃主片上的曝光區域不斷吸引鎳離子。鎳層不斷加厚，並與曝光後的感光樹脂表面上腐蝕出的凹點和台面（凹點之間的部分）的輪廓一致。

最終結果是形成一個厚且堅固的鎳片，其金屬表面上留下了與光碟完全相反的印膜。這一片原始的金屬片被稱為金屬主片或是“父片”（Father）。之所以稱其為“父片”，是因為它將被用於生成另外兩個金屬片，分別稱為“母片”（Mother）和“模片”（Stamper）。通過其後的電鑄過程，母片和模片的數量不斷增加。母片是由父片而來的，而模片又是由母片而來的，每一片是另外一片的相反呈像。模片是金屬主片的完全複製品，也是這一生產階段的最終產品。通過金屬模片將進行塑膠CD複製品的大規模生產。

複製

生產CD-ROM成品的第一步，是將數據從模片上轉移到塑膠基片上。一個高精度的注塑模具將光學等級的塑膠所製成的融化樹脂注入模具空腔。模具的一面是模片。這一過程只需要幾秒鐘，其產品是一個其中一面印有點的輪廓清晰的塑膠盤。其後塑膠盤載有數據的一面要鍍上一層極薄純鋁，這是為了形成一個讀出盤上數據所必須的反光表面。典型的給盤鍍金屬的方法是濺鍍（Sputtering）。在濺鍍過程中，每一張盤都被噴射上鋁原子，以產生均勻的鍍層。

生產的最後一步是在鋁表面再加上一層堅固的漆膜。這一層漆保護鋁膜不會被劃傷，不會氧化，並可作為標籤印刷的工作表面。

印刷

通過高速絲網印製或是膠版印刷，可以將圖片印在盤的漆層上。圖片的翻印可以達到八種顏色，不過這還要看複製商的標籤印刷的能力。絲網印刷是最常使用的方法。它是將圖片轉換為一張有孔的網，墨通過網附著在盤上。這一過程與蠟紙印刷相似。

膠版印刷使用墨滾及印刷台轉換圖片。這一方法在傳統商業印刷中使用廣泛，現在也用於光碟商標的印刷。膠版印刷進行圖片翻版時可以取得更高質量的解析度，它優於絲網印刷的地方是可以印刷增強的四色圖片及其他的複雜圖形。

印刷之後，光碟或是自動或手工進行包裝。儘管現在有許多其他可行的並進入套用的包裝方法，但塑膠盒子仍然是CD-ROM使用最多、最普遍的包裝方法。這是由於塑膠盒堅固耐用，並且全自動化的生產線很普及。

包裝

其他被普遍使用的包裝方法（其中一些方法可能需要手工操作）包括：（1）輕型包裝，如Tyvek和紙板套；（2）透明塑膠套，如Viewpaks；（3）有益環保的紙板質地的盒子，如Digipaks的Ecopaks。

經過這五個環節，CD-ROM複製就完成了。但在生產過程中，生產的每一環節對質量都應有嚴格的控制，以確保符合工業生產規格。這樣才能保證所有光碟的誤差在可以接受的差異範圍之內，即被控制在所有CD-ROM驅動器允許的範圍之內。

發展歷程

研究

1972年，荷蘭飛利浦（Philips）公司的研究人員開始使用雷射光束來進行記錄和重放信息的研究。

1978年，他們的研究獲得了成功，投放市場。最初的產品就是大家所熟知的雷射視盤（LD，Laser Vision Disc）系統。

從LD的誕生至今，光碟有了很大的發展，它經歷了三個階段：①LD-雷射視盤；②CD-DA雷射唱盤；③CD-ROM。下面簡單介紹這三個階段性的產品特點。

LD雷射視盤

它就是通常所說的LCD，直徑較大，為12英寸，兩面都可以記錄信息，但是它記錄的信號是模擬信號。模擬信號的處理機制是指模擬的電視圖像信號和模擬的聲音信號都要經過FM（Frequency Modulation）頻率調製、線性疊加，然後進行限幅放大。限幅後的信號以0.5微米寬的凹坑長短來表示。

CD-DA雷射唱盤

LD雖然贏得了成功，但由於事先沒有制定統一的標準，使它的開發和製作一開始就陷入昂貴的資金投入中。1982年，由飛利浦公司和索尼（Sony）公司制定了CD-DA雷射唱盤的紅皮書（Red Book）標準。由此，一種新型的雷射唱盤誕生了。CD-DA雷射唱盤記錄音響的方法與LD系統不同，CD-DA雷射唱盤系統首先把模擬的音響信號進行PCM（脈衝編碼調製）數位化處理，再經過EFM（8~14位調製）編碼之後記錄到盤上。數字記錄代替模擬記錄的好處是：對干擾和噪聲不敏感；由於盤本身的缺陷、劃傷或沾污而引起的錯誤可以校正。

CD-ROM

CD-DA系統取得成功以後，這就使飛利浦公司和索尼公司很自然地想到，利用CD-DA作為計算機大容量唯讀存儲器。但要把CD-DA作為計算機的存儲器，還必須解決兩個重要問題：①建立適合於計算機讀寫的盤的數據結構；②CD-DA誤碼率必須從現有的10-9 降低到10-12 以下。由此就產生了CD-ROM的黃皮書(Yellow Book）標準。這個標準的核心思想是：盤上的數據以數據塊的形式來組織，每塊都要有地址。這樣做後，盤上的數據就能從幾百兆位元組的存儲空間上迅速找到。為了降低誤碼率，採用增加一種錯誤檢測和錯誤校正的方案。錯誤檢測採用了循環冗餘檢測碼，即所謂CRC；錯誤校正採用里德-索洛蒙（Reed Solomon）碼。

黃皮書確立了CD-ROM的物理結構，而為了使其能在計算機上完全兼容，後來又制定了CD-ROM的檔案系統標準，即ISO9660。有了這兩個標準，CD-ROM在全世界範圍內得到了迅速推廣和愈來愈廣泛的套用。在80年代中期，光碟的發展非常快，先後推出了WORM光碟、CD-ROM光碟、磁光碟（MOD）、相變光碟（PCD，Phase Change Disk）等新的品種。這些光碟的出現，給信息革命帶來了很大的推動。

制規

1983年，CD-ROM規格的黃皮書由Philips、Sony和微軟推出，經歷了多次修正，黃皮書採用了CD-DA（紅皮書）的物理格式，並添加了一層錯誤檢測和糾正的標準，以保證數據存儲的可靠性。另外還增加了同步和標示信息以便更加準確地定位。黃皮書規定了兩種模式，分別提供了不同的檢錯和糾錯機制，這是因為存儲數據文檔（計算機檔案）不允許有任何錯誤，而視頻影像和聲音等數據則可以允許少許錯誤。

1989年，黃皮書被ISO接受為120mm唯讀光碟（CD-ROM）數據交換的國際標準－ISO/IEC 10149。