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Gravação de CDs

Parte 1: Introdução

Originalmente, o Compact Disk, ou simplesmente CD, foi desenvolvido para armazenar música, e substituir os antiquados discos de vinil com vantagens. Como num CD o som é gravado no formato digital, com uma amostragem de 4.100 Hz, e 16 bits de resolução, temos um som completamente livre de ruídos, e com uma qualidade quase perfeita.

Não demorou muito para os fabricantes perceberem que, com um mínimo de esforço, o CD também poderia ser usado para gravar dados. Criou-se então uma distinção: os CDs destinados a gravar música passaram a ser chamados de CD-DA, ou "Compact Disk Digital Audio" enquanto os destinados à gravação de dados passaram a ser chamados de CD-ROM, ou "Compact Disk Read Only Remory".

Naquela época, os discos rígidos custavam bem mais que atualmente, e com uma capacidade de armazenamento bem menor. Existia também um grande problema relacionado à distribuição de softwares, já que com apenas 1,4 MB de capacidade, são necessários inúmeros disquetes para armazenar programas grandes ou mesmo jogos.

A grande capacidade, e o baixo custo de produção dos CD-ROMs, também tornaram possíveis as enciclopédias digitais com som e vídeo, títulos em multimídia, e jogos mais avançados. Imagine quantos disquetes seriam necessários para armazenar uma enciclopédia como a Encarta da Microsoft, por exemplo, e quanto esse batalhão não iria custar ;-)

Formatação

Como o CD foi originalmente desenvolvido para armazenar áudio, os dados são gravados na forma de uma grande espiral (como num disco de vinil) ao invés de serem usadas trilhas concêntricas como num HD. Esta espiral engloba todo o disco, dando cerca de 20.0 "voltas" e tendo um comprimento total de quase 5 quilômetros. Esta imensa espiral pode ser dividida em trilhas lógicas, cada uma englobando uma faixa de um CD de áudio, por exemplo. Trilha lógica, pois a divisão existirá apenas do ponto de vista do leitor. Fisicamente a espiral continuará sendo ininterrupta.

Cada bit gravado corresponde a um conjunto de sulcos no CD, e não a um único sulco como poderíamos supor. De fato, são usados 17 sulcos para formar um bit 1 ou 0. O uso desta grande quantidade de sulcos para cada bit é necessária para que, durante a leitura, a cabeça de leitura tenha tempo suficiente para "perceber" a mudança entre bits 1 e 0.

Um CD possui cerca de 106 bilhões de sulcos, ou "bits óticos". Se cada sulco correspondesse a um bit de dados, teríamos uma capacidade incrível de armazenamento por CD, mas não seria possível, pelo menos com a tecnologia atual, desenvolver processos de gravação, e principalmente leitores de CD com cabeças suficientemente sensíveis para conseguir ler os dados com esta precisão.

A fim de chegar a um consenso quanto à capacidade ideal para o CD, ficou determinado que ele deveria ser capaz de armazenar 74 minutos de música, com amostragem de 4.100 Hz, e 16 bits de resolução, o que corresponde a cerca de 742 Megabytes. A fim de melhorar a organização, os dados são agrupados na forma de setores, assim como num disco rígido. A diferença é que enquanto num HD cada setor engloba 512 bytes, num CD cada setor (também chamado de "large frame") contém 2.352 bytes.

Como toda a mídia, o CD não é livre de erros de leitura. Num HD por exemplo, além dos 512 bytes de dados, cada setor engloba mais algumas dezenas de bytes com códigos de correção de erro, que são usados para detectar e corrigir qualquer alteração nos dados anteriormente gravados. No caso de um CD de música porém, os erros de leitura não causam grandes inconvenientes. Caso alguns bits não possam ser lidos, o CD-Player simplesmente usaria interpolação para evitar quebras no som.

Num CD cada ponto de amostragem de som é composto por 16 bits, o que permite um valor qualquer entre 0 e 65.535. Digamos que ao tocar uma música qualquer, fossem extraídos os valores 54.580, 54.500, 53.700, houvesse um erro de leitura e em seguida fosse lido o valor 52.0. Para tapar o "buraco" o CD-Player simplesmente tiraria a média entre o valor anterior e o posterior (53.700 e 52.0) chegando a 52.850, que não é necessariamente o valor correto, mas serviria para evitar qualquer alteração perceptível no som. Devido a isto, podemos aproveitar num CD de música, todos os 2.352 bytes de cada setor, sendo que num CD de música, cada segundo de áudio gravado ocupa 75 setores.

Num CD de música, além dos 2.352 bytes de dados, temos mais uma pequena área de 98 bits em cada setor, que armazena os dados do subcanal Q. Estes 98 bits são reservados para armazenar informações adicionais sobre a faixa do CD que está sendo tocada, tempo decorrido em minutos e segundos, o endereço do setor e 16 bits que armazenam um código ECC rudimentar. Além de serem essenciais para manter uma velocidade constante de leitura, estas informações são usadas pelos CD-Players para exibir o tempo decorrido do início da faixa.

Veja como fica organizado cada setor num CD de áudio:

Dados Subcanal Q (98 bits)

Sincronismo Controle Faixa Índice Minutos Segundos Frames Vago Endereço do setor ECC 2.352 bytes

(18.816 bits) 6 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 24 bits 16 bits

Num CD de dados, o cenário já é um pouco diferente. Ao contrário de um CD de música, a falha na leitura de apenas alguns bits seria suficiente para inutilizar o programa a ser lido. Para tornar o CD confiável para o armazenamento de dados, foram reservados 288 bytes em cada setor para o armazenamento de códigos ECC, permitindo a correção automática de qualquer alteração nos dados, sendo reservados mais 16 bytes para sinais de sincronismo e endereçamento. Sobram então 2.048 bytes em cada setor para armazenamento de dados. Como cada CD possui 330.0 setores, chegamos a 650 MB de capacidade total de armazenamento de dados. Num CD de dados, os 98 bits reservados ao subcanal Q não são usados. Veja como fica cada setor em um CD de dados:

Dados Sincronismo Endereçamento Código ECC Subcanal Q (não utilizado) bits) 12 bytes (96 bits) 4 bytes (32 bits) 288 bytes (2.304 bits) 98 bits

Assim como num HD, cada setor de um CD de dados possui um endereço único, armazenado no campo de 4 bytes reservado ao endereçamento. No início do CD, é gravado um índice, chamado de TOC ("table of contents", ou "tabela de conteúdo") que, semelhantemente à FAT de um HD, informa quais arquivos estão gravados no disco e em quais setores cada um está. Veja que traduzindo para o português, TOC vira "tabela", por isso não usamos o termo "o TOC" e sim "a TOC". Finalizando, a TOC do CD também é às vezes chamada de índice.

Parte 2: Uma Salada de Padrões

Além dos padrões para CDs de música e CDs de dados, foram criados com o passar do tempo vários outros padrões de CD, destinados a diferentes aplicações. Apesar da mídia usada em todos ser a mesma (no caso o CD :-) a maneira como os dados são organizados é diferente. Cada um destes padrões acabou recebendo como nome uma cor; o padrão de CD de áudio original por exemplo, é chamado de "Red Book" ou livro vermelho, enquanto o padrão de CDs de dados é chamado de "Yellow Book" ou livro amarelo. Parece que ninguém sabe exatamente de onde surgiu a idéia de dar o nome de uma cor a cada padrão, mas muitas pessoas dizem que os apelidos surgiram por causa da cor da capa usada nos manuais que descreviam as especificações de cada padrão.

Red Book: Este foi o padrão original para CDs de áudio, desenvolvido em uma parceria entre a Philips e a Sony, publicado em 1980. Conhecido como "Compact Disk digital Audio" ou CD-DA. Além do formato de gravação de áudio, o Red Book trouxe as especificações físicas do CD-ROM (número de trilhas e setores, capacidade máxima, etc.) que são usadas até hoje.

Yellow Book: Este nada mais é do que o padrão para CDs de dados que vimos anteriormente. Assim como o Red Book, este foi desenvolvido através da parceria entre a Philips e a Sony e publicado em 1983. O Yellow Book original previa dois modos de gravação, o modo 1 e o modo 2. A diferença é que enquanto no modo 1 temos reservados 288 bytes em cada setor para os códigos de correção de erros, no modo 2 todos os 2352 bytes do setor são usados para gravar dados (como nos CDs de áudio). A idéia era usar o modo 2 para gravar CDs que armazenassem dados como imagens e vídeo, onde a corrupção de alguns bits não causasse maiores problemas.

Em 1985, uma parceria entre vários fabricantes criou o ISO 9660, uma padronização para CDs de dados, que estabelecia o uso do modo 1 como padrão entre várias outras especificações. Como o ISO 9660 era compatível com vários sistemas operacionais, tornou-se rapidamente o padrão da indústria.

Apesar de sua universalidade, o ISO 9660 tinha a grave limitação de permitir nomes de arquivos de no máximo 8 caracteres (como no DOS). Para quebrar esta limitação, outros fabricantes criaram extensões para o ISO 9660 original, que permitiam nomes de arquivos longos. Porém, ao contrário do ISO que é universal, cada um destes padrões pode ser lidos dentro de um sistema operacional em particular: a extensão que permite nomes longos dentro do Windows chamada-se "Joilet" a que se destina ao Unix chama-se "Rock Ridge" enquanto a "Apple Extensions" destina-se aos Macs.

Green Book: Este padrão também é chamado de CD Interativo, ou CD-I, e foi desenvolvido em 1986 novamente pela parceria Philips e Sony. Este formato foi desenvolvido para ser usado em CDs de multimídia, que trouxessem gráficos, texto, imagens e sons e pudessem ser visualizados usando um aparelho especial ligado à TV. Este formato nunca foi muito usado e hoje está extinto.

Orange Book: Este é o conjunto de especificações para CDs graváveis e CDs regraváveis, e traz vários recursos úteis para a gravação de CDs, como por exemplo, a possibilidade de gravar CDs multiseção, ou seja, ao invés de gravar todo o CD de uma vez e fechar a TOC, é possível gravar alguns arquivos de cada vez, até completar o espaço livre do CD. A TOC é deixada em aberto, e fechada apenas quando o espaço livre do CD se esgota. Tenha em mente alguns drives de CD-ROM, especialmente os antigos não conseguem ler CDs multiseção.

White Book: Estas são as especificações para os Vídeo CDs, que nada mais são do que CDs normais, que armazenam vídeo no formato MPEG ao invés de música. Os vídeo CDs podem ser vistos em DVD-Players, ou então usando o CD-ROM do micro e um programa que exiba filmes em MPEG, como o Movie Player do Windows.

Cada Vídeo CD pode armazenar aproximadamente 1 hora de filme, porém com uma qualidade bem inferior à do DVD, algo parecido com a qualidade de uma fita HVS comum. Apesar de serem raros no Brasil, os Vídeo CDs são relativamente comuns no Japão e Estados Unidos, onde vários títulos são lançados neste formato.

Parte 3: Gravação de CDs

Durante vários anos, os CDs foram mídias somente para leitura. Você podia comprar um programa em CD, mas se por algum motivo precisasse copiá-lo teria que usar disquetes, Zip-drives ou algum outro dispositivo. Atualmente porém, vemos uma grande popularização dos gravadores de CD-ROM, que em um futuro próximo provavelmente se tornarão tão populares quanto as unidades de disquete. Qualquer usuário com 300 ou 400 dólares, ou bem menos que isso, caso opte por um gravador usado, pode comprar um gravador e sair gravando CDs com dados ou mesmo CDs de música, sem muita dificuldade.

Como quase todo mundo hoje em dia possui um drive de CD-ROM, a possibilidade de gravar CDs é útil também para o transporte de dados. Neste ramo, o CD revela-se uma opção bem interessante em termos de custo-beneficio, já que possui uma capacidade equivalente à de 6.5 discos Zip de 100 MB, ou mais de 400 disquetes, sendo que uma boa mídia gravável não custa mais do que 2.5 ou 3 dólares (menos que uma caixa de disquetes) e mídias de qualidade inferior chegam a ser vendidas por menos de 1 dólar.

Outro recurso interessante é o recurso de multiseção, que permite deixar um CD gravado "aberto". Através deste recurso suportado por qualquer gravador e programas de gravação atuais, é possível gravar uma quantidade pequena de dados, 100 MB por exemplo, e depois ir gravando mais dados até que a capacidade total do CD seja preenchida, diminuindo bastante o número de mídias necessárias para fazer backups diários ou mesmo para transportar pequenas quantidades de dados.

Assim como nos drives de CD-ROM, a velocidade de gravação também é mostrada em múltiplos de 150 KB/s. Um gravador 1x será capaz de gravar CDs a uma velocidade de 150 KB/s, um CD 2x a 300 KB/s, um de 4x a 600 KB/s e assim por diante. Gravando a 1x, um CD cheio demora cerca de uma hora para ser gravado, demorando apenas meia hora a 2x ou cerca de 15 mim a 4x. Mesmo gravadores mais rápidos podem ser configurados para gravar CDs a 2x ou mesmo 1x caso seja necessário.

Geralmente os gravadores são capazes de ler CDs a uma velocidade maior do que são capazes de gravar: um drive 8x4, por exemplo, é capaz de ler a 8x e gravar a 4x.

Mídias

Um CD prensado comum é composto de três camadas: uma camada de plástico de cerca de 1,2 m de espessura, uma camada de alumínio, ouro ou platina onde são gravados os dados, e sobre ela uma camada protetora de verniz. Em um CD-R, também temos estas três camadas, a diferença é que temos uma quarta camada, entre o plástico e a camada reflexiva, justamente a camada onde são gravados os dados.

Esta fina camada é composta de produtos sensíveis ao calor, que tem sua composição química alterada devido ao calor gerado pelo feixe laser do gravador, muito mais potente que o usado na leitura do CD. As partes da superfície queimadas pelo laser ficam opacas e criam pequenas bolhas, deixando de refletir a luz do leitor, substituindo sulcos dos CDs prensados. Por isso é que na gíria dos micreiros é usada a expressão "queimar CDs" para se referir ao processo de gravação.

Camada de policarboneto

Vimos que nos CDs prensados a camada de policarboneto é prensada conta um molde, sendo gravados neste processo os sulcos que armazenam os dados. Num CD gravável, a camada de policarboneto também é prensada, porém, ao invés de serem gravados os sulcos, é gravada a espiral de gravação. Todo o CD virgem já vem com esta espiral pré gravada, onde serão gravados os dados. O gravador não é capaz de gravar dados fora da espiral.

Camada reflexiva

Nos CDs prensados, a camada reflexiva é sempre feita de ligas de alumínio, prata ou platina. Como a camada reflexiva é sempre prateada , e a camada de policarboneto é transparente, os CDs prensados são sempre prateados.

Já nos CDs graváveis, a camada reflexiva pode ser tanto feita de outro 24 quilates quanto de ligas de prata ou mesmo alumínio. A camada de gravação por sua vez, pode ser transparente, azul ou verde, dependendo do material usado. De acordo com a combinação de cor da cama reflexiva e da camada de gravação, podemos ter CDs graváveis de várias cores diferentes.

Cores

Atualmente existem 5 substâncias diferentes que podem ser usadas para formar a camada de gravação dos CDRs. Todas estas substâncias são orgânicas, um tipo de plástico ou combustível, e justamente por isso podem ser queimadas pelo laser do gravador. Cada uma estas substâncias foi desenvolvida por uma companhia diferente, que detêm sua patente. Por serem diferentes, cada substância tem uma cor predominante:

Substância Desenvolvido por: Cor Predominante

Cyanine Taiyo Yudem Azul

Phthalocyanine Mitsui Chemicals Transparente Metallized Azo Verbatim/Mitsubishi Azul

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