CD-ROM

CD-ROM

従来のCD-ROM
メディアタイプ	光ディスク
エンコーディング	様々な
容量	553 ～ 900 MB (12 cm)、194 MB (8 cm)
読み取り メカニズム	600-780 nm レーザーダイオード、150 KB/s (1×; 150 × 2 10 )、10,800 KB/s (72×)
書き込み メカニズム	プレス金型
標準	ISO/IEC 10149 [1]
使用法	データストレージ
リリース	1985年; 39年前 （1985年）

CD -ROM（コンパクト・ディスク・リード・オンリー・メモリ、 / ˌ s iː d iː ˈ r ɒ m /）は、コンピュータが読み取ることができるが、書き込みや消去はできないデータを含む、事前にプレスされた光コンパクトディスクで構成される読み取り専用メモリの一種です。拡張CDと呼ばれる一部のCDは、コンピュータデータとオーディオの両方を保持し、後者はCDプレーヤーで再生できますが、データ（ソフトウェアやデジタルビデオなど）はコンピュータでのみ使用できます（ ISO 9660 ^[2]形式のPC CD-ROMなど）。

1990 年代から 2000 年代初頭にかけて、CD-ROM はコンピュータや第 5 世代のビデオゲーム コンソールのソフトウェアやデータを配布するために広く使用されていました。2000年代初頭から、 DVDやダウンロードがこれらの役割で CD-ROM に取って代わり始め、現在では商用ソフトウェアに CD-ROM を使用することは珍しくなっています。

光ディスクストレージに関する最も初期の理論的研究は、デイビッド・ポール・グレッグ（1958年）やジェームズ・ラッセル（1965年 - 1975年）など、米国の独立した研究者によって行われました。特に、グレッグの特許は、MCAがグレッグの特許と彼が設立した会社であるガウスエレクトロフィジックスを購入した後に、MCAとフィリップスが共同開発したレーザーディスク仕様の基礎として使用されました。 ^[3]レーザーディスクはCDの直接の前身であり、主な違いは、レーザーディスクがアナログプロセスで情報をエンコードしたのに対し、CDはデジタルエンコードを使用したことです。

光ディスクをデジタル化する主要な作業は、ソニーとフィリップスのタスクフォースで働いていたトシ・ドイとキース・ショウハマー・イミンクによって1979年から1980年にかけて行われました。^[4]その結果、 1980年に定義されたコンパクトディスクデジタルオーディオ（CD-DA）が生まれました。CD-ROMは後にCD-DAの拡張として設計され、この形式をあらゆる形式のデジタルデータを保存できるように適応させ、初期の記憶容量は553MBでした。 [ ^5]ソニーとフィリップスは1983年にCD-ROMの形式を定義する技術標準を作成しました。 ^[6]これはイエローブックと呼ばれるようになりました。 CD-ROMは1984年に発表され^[7]、1985年にデノンとソニーによって日本で最初のCOMDEXコンピュータショーで紹介されました。 ^{[8] 1985年11月、}マイクロソフト、フィリップス、ソニー、アップル、デジタルイクイップメントコーポレーションを含むいくつかのコンピュータ業界の参加者が、CD-ROMのファイルシステムフォーマットを定義する仕様を作成するために会合しました。 ^[9]結果として得られた仕様は、High Sierraフォーマットと呼ばれ、1986年5月に公開されました。^[9]これは最終的に、いくつかの変更を加えて、 1988年にISO 9660標準として標準化されました。CD-ROMで一般に公開された最初の製品の1つは、1986年3月のマイクロソフトCD-ROMカンファレンスで発表されたGrolier Academic Encyclopediaでした。 ^[9]

CD-ROMは、1988年のPCエンジンCD-ROM2（TurboGrafx-CD）から家庭用ビデオゲーム機で使用され始め、CD-ROMドライブも1980年代末までに家庭用コンピュータで利用できるようになりました。1990年にデータイーストは、1980年代のレーザーディスクビデオゲームに似ていますがデジタルデータを使用しており、古いレーザーディスクゲームよりも柔軟性が高いCD-ROMをサポートするアーケードシステムボードをデモしました。 ^[10] 1990年初頭までに、日本で約30万台のCD-ROMドライブが販売され、米国では毎月125,000枚のCD-ROMディスクが生産されていました。^[11] 1990年代に販売された一部のコンピュータは、数百メガバイトのビデオ、画像、およびオーディオデータを配信できるCD-ROMドライブを組み込んでいたため、「マルチメディア」コンピュータと呼ばれていました。オプションとしてCD-ROMドライブを内蔵した最初のノートパソコンは、1993年のパナソニック製CF-V21Pでした。ただし、このドライブは直径3.5インチまでのミニCDしかサポートしていませんでした。 ^{[12] : 111}直径4.7インチの標準ディスクをサポートした最初のノートパソコンは、1994年のIBMのThinkPad 755CDでした。 ^[13]

CD-ROM の登場以前に発売された初期のオーディオ CD プレーヤーでは、CD-ROM の生のバイナリ データはノイズとして再生されていました。この問題に対処するため、サブコード チャネル Q には、再生可能なオーディオではなくコンピュータ データを含むディスク領域に「データ」フラグがあります。データ フラグは、CD プレーヤーにオーディオをミュートするように指示します。^{[14] [15]}

CD-ROM は、外見はオーディオ CDと同一で、データの保存および取得方法も非常に似ています (データの保存に使用される規格のみがオーディオ CD と異なります)。ディスクは、反射面を作るために薄いアルミニウム層が付いた、厚さ 1.2 mm のポリカーボネート プラスチックディスクで作られています。CD -ROM の最も一般的なサイズは直径 120 mm ですが、直径 80 mm のより小さなミニ CD規格や、さまざまな非標準サイズおよび型の成形コンパクト ディスク(名刺サイズのメディアなど) も存在します。

データは、一連の微細な窪み「ピット」としてディスク上に保存され、窪み間の窪みのない空間は「ランド」と呼ばれます。ピットとランドのパターンを読み取るために、レーザーがディスクの反射面に照射されます。ピットの深さは、ディスクの読み取りに使用されるレーザー光の波長の約 4 分の 1 から 6 分の 1 であるため、反射ビームの位相は入射ビームに対してシフトし、破壊的な干渉を引き起こし、反射ビームの強度を低下させます。これがバイナリ データに変換されます。

コンパクトディスクに保存されるデータには、レインボーブックと呼ばれるいくつかの形式が使用されています。1983年に作成されたイエローブック^{[6] [16]}は、CD-ROMの仕様を定義し、1988年にISO / IEC 10149 ^[1]規格として、1989年にECMA -130 ^[17]規格として標準化されました。CD-ROM規格は、CDオーディオ用のオリジナルのレッドブック CD-DA規格に基づいて構築されています。ビデオCDのホワイトブックなどの他の規格は、CD-ROM仕様に基づいてフォーマットをさらに定義しています。イエローブック自体は無料で入手できませんが、対応する内容の規格はISOまたはECMAから無料でダウンロードできます。

CD-ROM上のデータファイルの構造化方法を定義する規格はいくつかある。ISO 9660はCD-ROMの標準ファイルシステムを定義している。ISO 13490はこの規格を改良したもので、 CD-RやCD-RWなどの非シーケンシャルな追記型および再書き込み型ディスク、および複数のセッションのサポートを追加している。ISO 13346規格はISO 9660の欠点のほとんどを解決するように設計されており^[18]、そのサブセットはDVDに採用されたUDF形式に発展した。El Toritoと呼ばれるブート可能CD仕様は1995年1月に発行され、CDでハードディスクやフロッピーディスクをエミュレートできるようにした。

プレス済みの CD-ROM は、ガラス製のマスター ディスクを作成し、それを使用して「スタンパー」を作成し、そのスタンパーを使用して、ピットがすでに存在する最終ディスクの複数のコピーを製造するスタンピング プロセスによって大量生産されます。記録可能 ( CD -R ) ディスクと再書き込み可能 ( CD-RW ) ディスクは、異なる方法で製造され、多くの場合「バーニング」と呼ばれるプロセスで、レーザーを使用して染料または相転移材料の特性を変更することによってデータがディスクに記録されます。

CD-ROM に保存されるデータは、 Red Book仕様 (元々はオーディオ CDのみに定義)に記載されている標準のCD データ エンコーディング手法に従います。これには、クロスインターリーブ リード ソロモン コーディング(CIRC)、8 対 14 変調(EFM)、およびCD の物理表面にビットをコーディングするためのピットとランドの使用が含まれます。

CD-ROM 上のデータをグループ化するために使用される構造も、レッドブックから派生しています。オーディオ CD (CD-DA) と同様に、CD-ROMセクターには 2,352バイトのユーザーデータが含まれており、98 フレームで構成され、各フレームは 33 バイト (ユーザーデータ用に 24 バイト、エラー訂正用に 8 バイト、サブコード用に 1 バイト) で構成されています。オーディオ CD とは異なり、これらのセクターに格納されるデータは、オーディオ CD 仕様に従ってエンコードされたオーディオサンプルではなく、任意のタイプのデジタルデータに対応しています。このデータを構造化、アドレス指定、および保護するために、CD-ROM 標準では、セクター内のデータの 2 つの異なるレイアウトを記述するモード 1 とモード 2 という 2 つのセクターモードをさらに定義しています。[ ^2] CD-ROM 内のトラック(セクターのグループ) には、同じモードのセクターのみが含まれますが、CD-ROM に複数のトラックが存在する場合、各トラックのセクターを残りのトラックとは異なるモードにすることができます。また、オーディオ CD トラックと共存することもでき、これがミックスモード CDの場合です。

モード 1 と 2 の両セクターは最初の 16 バイトをヘッダー情報に使用しますが、残りの 2,336 バイトはエラー訂正バイトの使用により異なります。オーディオ CD とは異なり、CD-ROM は補間によるエラー隠蔽に頼ることができず、取得されたデータのより高い信頼性が求められます。エラー訂正と検出を改善するために、主にデジタル データに使用されるモード 1 では、エラー検出用に 32 ビットの巡回冗長検査(CRC) コードと、リード ソロモン積類似コード (RSPC) を使用したリード ソロモン エラー訂正^{[n 1]}の第 3 層が追加されています。したがって、モード 1 には、エラー検出と訂正用にセクターあたり 288 バイトが含まれ、データ用にセクターあたり 2,048 バイトが残ります。画像やビデオ データ (完全な信頼性はそれほど重要ではない場合があります) に適したモード 2 には、追加のエラー検出または訂正バイトが含まれないため、セクターあたり 2,336 のデータ バイトが使用可能です。どちらのモードも、オーディオCDと同様に、フレームレベルでの下位層のエラー訂正の恩恵を受けています。 ^[19]

上記の技術でディスクに保存される前に、各CD-ROMセクターは、問題のあるパターンが現れないようにスクランブルされます。^[17]これらのスクランブルされたセクターは、最終的にCDに保存されるために、 レッドブックに記載されているのと同じエンコードプロセスに従います。

次の表はCD-DAとCD-ROMのセクター構造の比較を示しています。^[17]

モード 1 CD-ROM の正味バイト レートは、CD-DA オーディオ規格と比較すると、44,100 Hz × 16 ビット/サンプル × 2チャネル× 2,048 / 2,352 / 8 = 150 KB/秒(150 × 2 ¹⁰ ) です。この値、150 Kbyte/秒は、「1 倍の速度」として定義されています。したがって、モード 1 CD-ROM の場合、1 倍の CD-ROM ドライブは 1 秒あたり 150/2 = 75 の連続セクターを読み取ります。

標準 CD の再生時間は 74 分、つまり 4,440 秒で、333,000 ブロックまたはセクターに含まれています。したがって、モード 1 CD-ROM の正味容量は 650 MB (650 × 2 ²⁰ ) です。80 分の CD の場合、容量は 703 MB です。

CD-ROM XAは、CD-ROMのイエローブック規格の拡張版で、圧縮されたオーディオ、ビデオ、コンピュータデータを統合し、すべてに同時にアクセスできるようにします。^{[20]これは、CD-ROMと}CD-i（グリーンブック）の架け橋として意図され、1991年にソニーとフィリップスによって発行され、マイクロソフトが支援しました。^[21]最初に発表されたのは1988年9月です。^[22]「XA」はeXtended Architectureの略です。

CD-ROM XA は、モード 2 フォーム 1 とモード 2 フォーム 2 (オリジナルのモード 2 とは異なる) という 2 つの新しいセクター レイアウトを定義します。XA モード 2 フォーム 1 は、上記のモード 1 構造に似ており、XA モード 2 フォーム 2 セクターとインターリーブできます。これはデータに使用されます。XA モード 2 フォーム 2 には 2,324 バイトのユーザー データがあり、標準のモード 2 に似ていますが、エラー検出バイトが追加されています (ただし、エラー訂正はありません)。これは、XA モード 2 フォーム 1 セクターとインターリーブでき、オーディオ/ビデオ データに使用されます。^[19] ビデオ CD、スーパー ビデオ CD、フォト CD、拡張音楽 CD 、およびCD-i は、これらのセクター モードを使用します。^[23]

次の表は、CD-ROM XA モードのセクター構造の比較を示しています。

CD-ROM のディスク イメージを作成する場合、"raw" モード (内部構造に関係なく、セクターごとに 2,352 バイトを抽出) またはセクターの有用なデータのみを取得する (CD-ROM モードに応じて 2,048/2,336/2,352/2,324 バイト) のいずれかで実行できます。raw モードで作成されたディスク イメージのファイル サイズは、常に2,352 バイト (ブロックのサイズ) の倍数です。^[24] raw CD-ROM セクターを保存するディスク イメージ形式には、CCD/IMG、CUE/BIN、MDS/MDFなどがあります。セクターのデータから作成されるディスク イメージのサイズは、使用しているセクターの種類によって異なります。たとえば、CD-ROM モード 1 イメージが各セクターのデータのみを抽出して作成された場合、そのサイズは 2,048 の倍数になります。これは通常、ISO ディスク イメージの場合に当てはまります。

74 分の CD-R では、RAW モードを使用して、最大 333,000 × 2,352 = 783,216,000 バイト (約 747 MB​​) のより大きなディスク イメージを収めることができます。これは、74 分または約 650 MB のRed Book CD で作成される RAW イメージの上限です。14.8% の増加は、エラー訂正データが破棄されたためです。

CD-ROMの容量は通常、エラー訂正データ用に使用されるスペースを差し引いた2進数の接頭辞で表されます。CD-ROMの容量は、外側のデータトラックがディスクの外周にどれだけ近いかによって異なります。 ^[25]標準の120 mm、700 MBのCD-ROMは、実際にはエラー訂正機能付きの約703 MBのデータ（合計847 MB​​）を保存できます。比較すると、単層DVD-ROMは、6枚のCD-ROMを超える4.7 GB（4.7 × 10 ⁹バイト）のエラー保護データを保存できます。

CD-ROM ディスクは、CD-ROM ドライブを使用して読み取られます。CD-ROM ドライブは、IDE ( ATA )、SCSI、SATA、FireWire、またはUSBインターフェイス、またはPanasonic CD インターフェイス、LMSI/Philips、Sony、Mitsumi 標準などの専用インターフェイスを介してコンピューターに接続できます。最新の CD-ROM ドライブのほとんどすべては、適切なソフトウェアを使用すれば、オーディオ CD (およびビデオ CDやその他のデータ標準)を再生することもできます。

CD-ROM ドライブは近赤外線 780 nm レーザー ダイオードを採用しています。レーザービーム は光電子トラッキング モジュールを介してディスクに照射され、ビームが反射または散乱したかどうかを検出します。

CD-ROM ドライブは、音楽 CD に対する速度係数で評価されます。CD-ROM がオーディオ CDと同じ回転速度で読み取られる場合、データ転送速度は 150 Kbyte/s で、一般に「1×」(一定線速度、略して「CLV」 ) と呼ばれます。このデータ速度では、トラックはレーザー スポットの下を約 1.2 m/s で移動します。光学ヘッドがさまざまな位置に移動するときにこの線速度を維持するために、角速度は内端の約 500 rpmから外端の 200 rpm まで変化します。CD-ROM の 1× 速度評価 (150 Kbyte/s) は、 DVDの 1× 速度評価(1.32 MB/s) とは異なります。

ディスクの回転速度が上がると、データの転送速度が速くなります。たとえば、8 倍速で読み取り可能な CD-ROM ドライブは、ディスクを 1600 ～ 4000 rpm で回転させ、線速度は 9.6 m/s、転送速度は 1200 Kbyte/s になります。12 倍速を超えると、ほとんどのドライブは一定角速度(CAV、一定 rpm) で読み取りを行うため、ヘッドがディスク上の場所から場所へ移動するときにモーターの速度が変わることはありません。CAV モードでは、「×」の数字はディスクの外側の端での転送速度を示し、転送速度はそこで最大になります。機械的な制約により、20 倍速が最高速度と考えられていましたが、Samsung Electronics が SCR-3230 (32 倍速 CD-ROM ドライブ) を導入しました。このドライブは、ボールベアリングシステムを使用してドライブ内の回転ディスクのバランスを取り、振動とノイズを低減します。 2004 年現在、一般に入手可能な最速の転送速度は、約 52 倍速または 10,400 rpm、7.62 MB/秒です。これより高速な回転速度は、ディスクの材質であるポリカーボネート プラスチックの強度によって制限されます。52 倍速では、ディスクの最外部分の線速度は約 65 m/秒です。ただし、複数のレーザー ピックアップを使用することで速度をさらに向上させることは可能です。Kenwood TrueX 72 倍速では、7 つのレーザー ビームと約 10 倍速の回転速度が使用されています。

最初の12倍速ドライブは1996年後半に発売された。^[26] 12倍速を超えると、振動と熱の問題が生じる。CAVドライブは、標準（線速度一定、CLV）12倍速と同じ回転速度で、ディスクの外縁で最大30倍速、または若干の増加で32倍速までの速度を実現する。しかし、CAVの性質上（内縁での線速度は依然として12倍速のままで、その間で滑らかに増加する）、実際のスループットの増加は30/12未満であり、実際には、完全にいっぱいのディスクでは平均約20倍、部分的にいっぱいのディスクではさらに少なくなる。

大量生産されたメディアの対称性と強度の限界による振動の問題により、CD-ROM ドライブの速度は 1990 年代後半から大幅に向上していません。10 年以上経った現在、一般的に入手可能なドライブは 24 倍速 (スリム型およびポータブル型、回転速度 10 倍速) から 52 倍速 (通常は CD および読み取り専用型、回転速度 21 倍速) までさまざまで、いずれも CAV を使用して「最大」速度を実現しており、最も一般的なのは 32 倍速から 48 倍速です。それでも、これらの速度では読み取り品質が低下し (ドライブのエラー修正機能は非常に高度になっています)、粗悪なメディアや物理的に損傷したメディアが破損することもあります。10,000 ～ 13,000 rpm (つまり 40 ～ 52 倍速 CAV) で求心力がかかると、小さな亀裂が急速に成長して壊滅的な破損につながります。回転速度が速いと、ディスクの振動、空気の流れ、スピンドル モーター自体から望ましくないノイズも発生します。21 世紀のドライブのほとんどは、安全性、正確な読み取り、静音性のために強制的に低速モード (小さなユーティリティ プログラムを使用) を許可しており、連続して多数の読み取りエラーや再試行が発生すると自動的にフォールバックします。

読み取り速度を向上させる他の方法として、複数の光ビームを使用したり、10倍速の回転速度でスループットを最大72倍に増加させたりすることが試みられましたが、90～99分の記録可能メディア、GigaRec、倍密度コンパクトディスク（パープルブック規格）レコーダーなどの他の技術と同様に、一貫して36倍速相当のCD-ROM速度（4倍速DVD）以上の速度を実現できる民生用DVD-ROMドライブの導入により、その有用性は失われました。さらに、700MBのCD-ROMは52倍速CAVで2.5分未満で完全に読み取り可能であるため、ロード/アンロード、メディア認識、スピンアップ/ダウン、ランダムシーク時間などの他の要素を考慮すると、実際のデータ転送速度の増加は全体的な有効ドライブ速度に与える影響が小さくなり、開発投資の回収が大幅に減少します。それ以来、DVD の開発でも同様の階層化効果が見られ、最大速度は 16 倍 CAV (例外的に 18 倍から 22 倍の間)、容量は 4.3 GB と 8.5 GB (単層と二層) で安定し、より高速で大容量のニーズは Blu-ray ドライブによって満たされるようになりました。

CD 記録可能ドライブは、多くの場合、3 つの異なる速度定格で販売されています。1 つは書き込み操作用、1 つは再書き込み操作用、もう 1 つは読み取り専用操作用です。速度は通常、この順序で記載されています。つまり、12×/10×/32× CD ドライブは、CPU とメディア プレーヤー ソフトウェアがその速度を許容する場合、CD-R ディスクに 12 倍速 (1.76 MB/秒) で書き込み、CD-RW ディスクに 10 倍速 (1.46 MB/秒) で書き込み、32 倍速 (4.69 MB/秒) で CD から読み取ることができます。

ソフトウェア配布業者、特にコンピュータ ゲームの配布業者は、オリジナルの CD-ROM 以外のメディアからソフトウェアが実行されるのを防ぐために、さまざまなコピー防止スキームを使用することがよくあります。これは、メディアとソフトウェア自体の両方に実装されることが多いという点で、オーディオ CD の保護とは多少異なります。CD-ROM 自体には、ディスクのコピーを困難にする「弱い」セクターや、CD-R またはディスク イメージにコピーするのが困難または不可能な追加データが含まれている場合がありますが、ソフトウェアは実行するたびにこれらのデータをチェックして、コンピュータの CD-ROM ドライブに不正なコピーではなくオリジナルのディスクが存在することを確認します。^{[引用が必要]}

音楽業界は、CDライター（CD-RまたはCD-RW）の製造業者に対し、製造するすべてのドライブに固有の識別子（RIDまたはレコーダー識別コード）を持たせることを推奨しています。この識別子は、ドライブが記録するすべてのディスクにエンコードされます。^{[32]これは、CDレコーディング工場で製造されたディスクに通常刻印されている「} IFPI 」で始まる8文字のコードであるソース識別コード（SID）に対応しています。

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