第15章 光盘存储器的格式
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15.1 CD盘上的物理格式
15.1.1 激光唱盘标准——红皮书(Red Book)
15.1.2 CD-ROM标准——黄皮书(Yellow Book)
15.1.3 CD-ROM/XA
15.1.4 CD-I标准——绿皮书(Green Book)
15.1.5 CD-I Ready格式
15.1.6 CD-Bridge盘
15.1.7 可录CD盘标准——橙皮书(Orange Book)
15.2 CD-ROM的逻辑格式(ISO 9660)
15.2.1 ISO 9660的重要性
15.2.2 结构设计概要
15.2.3 逻辑扇区和逻辑块
15.2.4 文件
15.2.5 目录
15.2.6 路径表
15.2.7 卷
15.3 Video CD标准——白皮书(White Book)
15.3.1 VCD盘的组织
15.3.2 VCD的文件目录结构
15.3.3 MPEG-Audio/Video扇区的结构练习与思考题参考文献和站点
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CD格式包含逻辑格式和物理格式。逻辑格式实际上是文件格式的同义词，它规定如何把文件组织到光盘上以及指定文件在光盘上的物理位置，包括文件的目录结构、文件大小以及所需盘片数目等事项; 物理格式则规定数据如何放在光盘上，这些数据包括物理扇区的地址、数据的类型、数据块的大小、错误检测和校正码等。
CD格式详细记载在标准文件中，如图15-01所示。这些标准文件包括红皮书、黄皮书、ISO 9660、绿皮书、橙皮书和白皮书等，而且还在不断推出。CD的标准文件是用彩色封面包装的，所以又称为彩书标准。理解CD格式对于设计和使用CD产品都有很大帮助。
图15-01 CD标准系列
15.1 CD盘上的物理格式
15.1.1 激光唱盘标准——红皮书(Red Book)
Red Book是Philips和Sony公司为CD-DA(Compact Disc Digital Audio)定义的标准，也就是我们常说的激光唱盘标准。这个标准是整个CD工业的最基本的标准，所有其他的CD标准都是在这个标准的基础上制定的。
1,CD盘上的音乐节目是如何组织的通常，激光唱盘上的有许多首歌曲，一首歌曲安排在一条光道上。一条光道由许多节(section)组成，一节由98帧(frame)组成。帧是激光唱盘上存放声音数据的基本单元，它的结构如图15-02所示。
图15-02 激光唱盘声音数据的基本结构
(1) 同步(SYNC)
每帧的开头都有24位同步位。这24位同步位不经EFM调制，本身就是通道码。具体的码字是
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
任何数据经EFM调制后都不会出现与同步码字相同的码。
(2) 子码(Subcode)
每帧都有这样的一字节。在CD-DA中称为子码/控制和显示(subcode/control and display);在CD-ROM中称为控制字节(Control Bytes)。这字节的内容主要提供盘地址信息。
(3) 声音数据(Audio Data)
在CD-DA中，立体声有两个通道，每次采样有2个16位的样本，左右通道的每个16位数据分别组成2个8位字节，6次采样共24字节组成一帧。
CD盘上的98帧组成一个扇区(sector)。光道(track)上1个扇区有3234字节，即
2352个声音数据 ＋2 ( 392个EDC/ECC字节 ＋98个控制字节＝3234字节它的结构如下：
3234字节
用户数据
2352＝98 ( (2 ( 12)字节
第二层EDC/ECC
392个字
第一层EDC/ECC
392个字
控制字节
98字节
前面已经介绍，激光唱盘上声音数据的采样频率为44.1 kHz，每次对左右声音通道各取一个16位的样本，因此1秒钟的声音数据率就为
44.1×1 000×2×(16÷8) = 176 400字节/秒由于1帧存放24字节的声音数据，所以1秒钟所需要的帧数为
176 400÷24＝7 350帧/秒
98帧构成1节，也可以说成1个扇区，所以1秒钟所需要的扇区数为
7 350÷98＝75扇区/秒记住这些最基本的参数，对理解整个CD系列和DVD系列的数据结构是非常有帮助的。
(4) P,Q错误校验码由于CD-DA盘的原始误码率较高(约10-4)，须要采用纠错能力很强的交叉交插里德/索洛蒙码(Cross-Interleaved Read-Solomon Code，CIRC)进行纠错。因此，每帧有2×4字节的错误校正码分别放在中间和末端，称为Q校验码和P校验码，P校验是由(32，28)RS码生成的校验码；Q校验是由(28，24)RS码生成的校验码。有关错误校正的介绍，请看[8]。
(5) 一帧数据的通道位数见表15 01。
表15-01 一帧数据的通道位数编号
字段名称
通道位数
合计
(1)
同步位(SYNC)
24+3
27
(2)
子码(Subcode)
1×(14+3)
17
(3)
数据(Data)
12×(14+3)
204
(4)
Q校验码
4×(14+3)
68
(5)
数据(Data)
12×(14+3)
204
(6)
P校验码
4×(14+3)
68
合计
588
(6) 激光唱盘的光道在CD-DA中的物理光道是螺旋形，因此可以说一片CD-DA盘只有一条物理光道。而这里所指的CD-DA光道应该理解成逻辑光道比较合适。一条CD-DA光道有多个扇区组成，扇区的数目可多可少，而光道的长度可长可短，通常一首歌就组织成一条光道。
2,CD-DA的通道：P-W
CD-DA中定义了一个控制字节(Control Bytes)，或者叫做子码(Subcode)。如前所述，一帧有一个8位的控制字节，98帧组成8个子通道，分别命名为P、Q、R、S、T、U、V和W子通道。一条光道上所有扇区的子通道组成CD-DA的P、Q、…, W通道。98个控制字节(98 ( 8位)组成8个子通道的结构如下：
8位
P子通道(b8)
Q子通道(b7)
R子通道(b6)
S子通道(b5)
T子通道(b4)
U子通道(b3)
V子通道(b2)
W子通道(b1)
98字节的b8组成P子通道，98字节的b7组成Q子通道，依此类推。通道P含有一个标志，它用来告诉CD播放机光道上的声音数据从什么地方开始；通道Q包含有运行时间信息，CD播放机使用这个通道中的时间信息来显示播放音乐节目的时间。Q通道的98位的数据排列成如下的形式：
98位
2位
4位
4位
72位
16位
其中，
2位：
控制字节的部分同步位
4位：
控制标志，定义这条光道上的数据类型
4位：
说明后面72位数据的标志
72位：
Q通道的数据。在盘的导入区(Lead In)，含有盘的内容表TOC(Table Of Contents)；在其余的盘区，含有当前的播放时间
16位：
CRC (Cyclic Redundancy Code)用于错误检测，CRC没有错误校正功能
3,CD-G(CD＋Graphics)是什么
Red Book不仅定义了如何把声音数据放到CD盘上，而且还定义了一种把静态图像数据放到CD盘上的方法。如果把图像数据放到通道R～W，这种盘通常就称为CD＋G盘，简称为CD-G盘。在目前的国内市场上，使用R～W通道的CD节目不多，能播放这种盘的CD播放机也不多。CD-G节目在普通的CD播放机上播放时，音乐节目可以照常欣赏，仅仅是没有图像而已。如果使用能播放CD-G节目的VCD播放机，在播放CD-G盘时要和电视机连接才能同时有音乐和图像。
15.1.2 CD-ROM标准——黄皮书(Yellow Book)
Yellow Book是Philips和Sony公司为CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)定义的标准，CD工业从此进入了第二个阶段。Yellow Book在Red Book的基础上增加了两种类型的光道，加上Red Book的CD-DA光道之后，CD-ROM共有三种类型的光道：
CD-DA光道，用于存储声音数据。
CD-ROM Mode 1，用于存储计算机数据。
CD-ROM Mode 2，用于存储声音数据、静态图像或电视图像数据。
Yellow Book和Red Book相比，它们的主要差别是Red Book中2352字节的用户数据作了重新定义，解决了把CD用作计算机存储器中的两个问题，一个是计算机的寻址问题，另一个是误码率的问题，CD-ROM标准使用了一部分用户数据当作错误校正码，也就是增加了一层错误检测和错误校正，使CD盘的误码率下降到10-12以下。
1,CD-ROM Mode 1
CD-ROM Mode 1把Red Book中的2352字节的用户数据重新定义为：
2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
未用
8字节
ECC
276字节
其中，
同步字节：
12字节，用于同步。
扇区地址 (Header)：
4字节，定义该扇区的地址。
用户数据：
2048字节，用于存放用户数据。
EDC：
4字节，用于错误检测。如果检测结果无差错，就不执行这一层的错误校正。
未用：
8字节。
ECC：
276字节，错误检测和校正码。
CD-ROM的扇区地址与磁盘的扇区地址不同。磁盘的扇区地址是用C-H-S (柱面号-磁头号-扇区号)地址系统来表示，而CD-ROM是用计时系统中的分、秒，以及特地为CD-ROM规定的分秒(1/75秒)来表示。CD-ROM用户数据区的地址结构如下：
4字节的扇区地址称为HEADER
分(MIN)
1字节
0～74
秒(SEC)
1字节
0～59
分秒(FRAC)
1字节
0～74
方式(Mode)
1字节
01
2,CD-ROM Mode 2
CD-ROM Mode 2把Red Book中的2352字节的用户数据重新定义为：
2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
用户数据
2336字节
CD-ROM Mode 2与CD-ROM Mode 1相比，存储的用户数据多14%，但是由于没有错误检测和错误校正码，因此在这种方式中，用户数据的误码率比Mode 1中的误码率要高。在Mode 2的扇区地址中，方式(Mode)字节域中的值设置成02。
3,混合方式(Mixed Mode)
当CD既含有CD-ROM光道又含有CD-DA光道时，这种方式称为混合方式，使用这种方式的盘叫做混合方式盘(Mixed Mode Disc)。通常，这种盘的第一条光道是CD-ROM Mode 1光道，其余的光道是CD-DA光道。这种盘上的CD-DA光道可以在普通的CD播放机上播放。
15.1.3 CD-ROM/XA
CD的第三个标准叫做CD-ROM/XA(CD-ROM Extended Architecture)标准，这是由Philips、Microsoft和Sony公司发布的。CD-ROM/XA标准是Yellow Book标准的扩充，这个标准定义了一种新型光道：CD-ROM/XA光道。连同前面Red Book标准和Yellow Book标准定义的光道，共有4种光道：
CD-DA，用于存储声音数据。
CD-ROM Mode 1，用于存储计算机数据。
CD-ROM Mode 2，用于存储压缩的声音数据、静态图像或电视图像数据。
CD-ROM Mode 2，XA格式，用于存放计算机数据、压缩的声音数据、静态图像或电视图像数据。
CD-ROM/XA在Red book和Yellow Book标准的基础上，对CD-ROM Mode 2作了扩充，定义了两种新的扇区方式。：
CD-ROM Mode 2，XA Format，Form 1：用于存储计算机数据。
CD-ROM Mode 2，XA Format，Form 2：用于存储压缩的声音、静态图像或电视图像数据。
定义了这两种扇区方式之后，CD-ROM/XA就允许把计算机数据、声音、静态图像或电视图像数据放在同一条光道上，计算机数据按Form 1的格式存放，而声音、静态图像或电视图像数据按Form 2的格式存放。这样一来，就可以根据多媒体的信息把计算机数据、声音数据、图像数据或电视图像数据交错存放在同一条光道上。
1,CD-ROM/XA Mode 2 Form 1
CD-ROM/XA Mode 2 Form 1把Red Book中的2352个用户数据字节重新定义为：
CD-ROM/XA Mode 2 Form 1：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 1
8字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
ECC
276字节
在2352字节中，
同步字节：
12字节。
扇区地址 (Header)：
4字节，用于计算机寻找盘上的数据。
类型 1 (Form 1，Sub-Header)：
8字节，用于指示Form 1。
用户数据：
2048字节。
EDC：
4字节，用于错误检测。
ECC：
276字节，用于错误校正。
2,CD-ROM/XA Mode 2 Form 2
CD-ROM/XA Mode 2 Form 2把Red Book中的2352个用户数据字节重新定义为：
CD-ROM/XA Mode 2 Form 2：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 2
8字节
用户数据
2324字节
EDC
4字节
2324字节中，
同步字节：
12字节。
扇区地址 (Header)：
4字节，用于计算机寻找盘上的数据。
数据类型 2
(Form 2,Sub-Header)：
8字节，用于指示Form 2。
用户数据：
2324字节。
3,CD-ROM/XA中的声音
CD-ROM/XA中的声音质量不是CD-DA的质量，放在CD-ROM/XA Mode 2 Form 2中的声音数据必需进行压缩，这样才能腾出空间来存放同步、扇区地址和数据类型信息。CD-ROM/XA的声音采用ADPCM(adaptive differential/delta pulse code modulation)算法进行压缩，它定义的声音有Level B和Level C两个等级。与CD-DA的声音相比，如果用一片存放74分钟的CD盘来存放CD-ROM/XA的声音，那么这两种声音最长的播放时间如表15-02所示。
表15 02 CD-ROM/XA中的声音播放时间声音等级
播放时(小时)
样本大小(位)
采样速率(kHz)
CD-DA
1.25
16
44.1
Level B
5 (立体声)
10(单道声)
4
4
37.8
37.8
Level C
10(立体声)
20(单道声)
4
4
18.9
18.9
15.1.4 CD-I标准——绿皮书(Green Book)
Green Book是Philips和Sony公司为CD-I(Compact Disc Interactive)定义的标准，它的扇区格式和CD-ROM/XA的扇区格式相同。
CD-I Mode 2 Form 1：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 1
8字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
ECC
276字节
CD-I Mode 2 Form 2：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 2
8字节
用户数据
2324字节
EDC
4字节
Green Book标准允许计算机数据、压缩的声音数据和图像数据交错放在同一条CD-I光道上。CD-I光道没有在TOC中显示，目的是不要用激光唱盘播放机去播放CD-I盘。Green Book标准规定使用专用的操作系统，称为光盘实时操作系统CD-RTOS(Compact Disc-Real-Time Operating System)。 它是一个多任务实时响应的操作系统，支持各种算术和I/O协处理器，是设备独立且由中断驱动的系统，具有支持多级树形结构的文件目录等功能。
15.1.5 CD-I Ready格式使用CD-I Ready格式的CD盘称为CD-I Ready盘，它是一种有附加特性的标准激光唱盘。这种盘既可以在标准的激光唱盘播放机上播放，又可以在CD-I播放机上播放。当CD-I Ready盘在CD-I播放机上播放时，这种附加特性就可以显示出来。
Red Book标准允许把索引点(index points)放在光道上，这就允许用户跳转到光道上的指定点。激光唱盘通常只使用两个索引点：#0和#1，前者用来标识一条光道的起点，后者用来标识声音在这条光道上的起点，这两个索引点在盘上第一条光道(第一首歌)的前面，它们之间通常有2(3秒的间隔。CD-I Ready盘把这两个索引点之间的间隔增加到182秒，这样就可以存放诸如歌曲名、解说词、作者、演员等图文信息。普通的激光唱机播放CD-I Ready盘时不管这个地方的信息，而只播放音乐节目。用CD-I播放机播放CD-I Ready盘时，首先把这间隔中的CD-I信息读到CD-I播放机的RAM中，并显示在电视机屏幕上，然后播放音乐。
15.1.6 CD-Bridge盘
CD-Bridge规格定义了一种把附加信息加到CD-ROM/XA光道上的一种方法，目的是让这种光盘能够在CD-I播放机上播放。这样一来，CD-Bridge光盘就既可以在CD-I播放机上播放，又可以在计算机上播放，而且还可以在Kodak公司的Photo CD播放机上播放。CD-Bridge盘上的光道都采用Mode 2的扇区结构，不使用Mode 1的扇区结构。声音光道则要跟在数据光道的后面。
CD-Bridge盘的扇区结构与CD-ROM/XA和CD-I的扇区结构一致。
CD-Bridge Mode 2 Form 1：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 1
8字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
ECC
276字节
CD-Bridge Mode 2 Form 2：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 2
8字节
用户数据
2324字节
EDC
4字节
15.1.7 可录CD盘标准——橙皮书(Orange Book)
Orange Book是另一种CD光盘的标准，这种CD盘叫做可录CD R(compact disk recordable) 盘，它允许用户把自己创作的影视节目或者多媒体文件写到盘上。可录CD盘分为以下两类：
① CD-MO (compact disk-magneto optical )盘，这是一种采用磁记录原理利用激光读写数据的盘，称为磁光盘。用户可以把数据写到MO盘上，盘上的数据可以抹掉，抹掉后又可以重写。
② CD-WO(compact disk-write once)盘，这种盘又写成CD-R盘，用户可以把数据写到盘上，但是数据一旦写入，就不能把写入的数据抹掉。
因此，Orange Book标准分成两个部分：Orange Book Part 1和Orange Book Part 2。 Part 1描述CD-MO,Part 2描述CD-WO。整个结构如图15-03所示。
图15-03 橙皮书(Orange Book Standard)概貌 (引自Jim Fricks盘片制造公司)
1,Orange Book Part 1 (CD-MO盘)
Orange Book Part 1标准描述CD-MO盘上的两个区：
① Optional Pre-Mastered Area(可选预刻录区)，这个区域的信息是按照Red Book、Yellow Book或Green Book标准预先刻制在盘上的，是一个只读区域。
② Recordable User Area(用户可重写的记录区)，普通的CD播放机或者VCD播放机不能读这个区域的数据，这是因为CD唱片和VCD盘与磁光盘采用的记录原理不同。
2,Orange Book Part 2 (CD-WO盘)
Orange Book Part 2标准定义可写一次的CD-WO盘。这种盘在出厂时就已经在盘上刻录有槽，称为预刻槽，也就是物理光道的位置已经确定，是一片空白盘。用户把多媒体文件写到盘上之后，就把内容表(Table Of Contents，TOC)写到盘上。在写入TOC之前，这种盘只能在专用的播放机上读；在TOC写入之后，这种盘就可以在普通的播放机上播放。
Orange Book Part 2标准还定义了另一种CD-WO盘，叫做Hybrid Disc(混合盘)。这种盘含有两种类型的记录区域：
① Pre-recorded Area(预记录区)，这个区域的信息是按照Red Book、Yellow Book或Green Book标准预先记录在盘上的，是一个只读区域。
② Recordable Area(可记录区)。这个区可以把物理光道分成好几个记录段(multi-session)。每段由3个区域组成：导入区(Lead In),信息区(Information)和导出区(Lead Out)，每一段要在导入区写入TOC。
Hybrid Disc(混合盘)的结构如下表所示：
第 1段
第 n 段
导入区
(Lead In)
信息区
(Information)
导出区
(Lead Out)
……
导入区
(Lead In)
信息区
(Information)
导出区
(Lead Out)
CD标准的整个概貌可以用图15-04来表示。
图15-04 CD标准之间的关系
15.2 CD-ROM的逻辑格式(ISO 9660)
15.2.1 ISO 9660的重要性
CD-ROM物理格式的标准化意味着所有CD-ROM生产厂家都应遵循这种标准化格式，这也就意味着，CD-ROM上的信息可以在不同的信息处理系统之间交换，但只能在这个物理层上实现交换。由于CD-ROM面对用户的是文件，如文本文件、图像文件、声音文件、执行文件等等，这就需要一个文件系统来管理，这样就可使用户把CD-ROM当成一个文件集来看待，而不是让用户从物理层上去看待CD-ROM盘。因此，仅有物理格式标准化还不够，还需要有一个如何把文件和文件目录放到CD-ROM盘上的逻辑格式标准，也就是文件格式。
由于CD-ROM标准(Yellow Book)没有制定文件标准，所以计算机厂家不得不开发自己的CD-ROM逻辑格式。这些不统一的CD ROM逻辑格式严重地影响了CD-ROM的推广应用。为了解决这个问题，计算机工业界的代表聚集在美国内华达州的Del Webb’s High Sierra Hotel & Casino，起草了一个CD-ROM文件结构的提案，叫做High Sierra文件结构，并把这个提案提交给了国际标准化组织(International Standards Organization，ISO)，ISO作了少量修改后命名为ISO 9660。通过许多软硬件公司的共同的艰苦努力，尤其是John Einberger、Bill Zoellick等人作出的贡献，历时5年，终于在1988年正式公布了这个标准，命名为“Information Processing——Volume and File Structure of CD-ROM for Information Interchange”,可译为“信息处理：用于信息交换的CD-ROM的卷和文件结构”。
IBM PC及其兼容机的文件结构叫做MS-DOS文件结构，而Apple Macintosh计算机的文件结构叫做分层结构文件系统(Hierarchical File System，HFS)。由于这两种文件结构不相同，因此MS-DOS文件不能在Macintosh计算机上运行，而HFS文件不能在IBM PC机上运行。ISO 9660标准既不是MS-DOS的文件结构标准，也不是HFS的文件结构标准，而只是一个描述计算机用的CD-ROM文件结构标准。因此，计算机要能够读ISO 9660文件结构的盘，它的操作系统就必需要有支持软件，这个软件通常是在现有操作系统上进行扩展(Extension)。Microsoft公司为读CD-ROM盘上的ISO 9660文件而开发的程序叫做MSCDEX(Microsoft CD-ROM Extension)，它需要和CD-ROM驱动器带的设备驱动程序相联合，MS-DOS操作系统才能读CD-ROM盘上的ISO 9660 文件。MSCDEX.EXE程序的主要功能就是把ISO 9660文件结构转变成MS-DOS能识别的文件结构。
在MS-DOS和MS-Windows环境下，IBM PC及IBM兼容机计算机必需安装MSCDEX.EXE和CD-ROM驱动器带的设备驱动程序软件才能读CD-ROM盘上的文件。在MS Windows 3.x环境下，设备驱动程序要安装在CONFIG.SYS文件中，而MSCDEX.EXE文件要安装在AUTOEXEC.BAT文件中。同样，其他的操作系统也需要开发类似于MSCDEX.EXE的软件，并且同样要与CD-ROM驱动器带的设备驱动程序联合工作，这样才能读ISO 9660盘上的文件。
在Windows 95/98环境下不需要另外配置CONFIG.SYS和AUTOEXEC.BAT文件，它本身带有MSCDEX.EXE和设备驱动程序，在安装过程中会自动安装，因此用户自己也就不需要另外安装MSCDEX.EXE和CD-ROM设备驱动程序。
15.2.2 逻辑结构的设计概要文件系统是在应用软件和控制器之间的软件，它是操作系统的一部分。文件系统实际上是组织数据的一种方法，使应用程序访问CD-ROM时不需要关心物理地址或数据结构。一个完整的CD-ROM文件系统有三个主要部分组成：
(1) 逻辑格式(logical format),它是文件格式的同义词。逻辑格式是确定盘上的数据应该如何组织，以及存放在什么地方。说得具体一点就是基本的识别信息放在何处，文件目录应该如何构造，到何处去找盘上的目录，一个应用软件存放在几张光盘上等等。由此也可以看到，逻辑格式与物理格式是不同的。
(2) 源软件(origination software),它是把数据写到逻辑格式的软件，按逻辑格式把要存到盘上的文件进行装配，所以源软件又称“写”软件。
(3) 目的软件(destination software),它是把数据从逻辑格式读出来，并且把数据转换成文件，因此目的软件又称为“读”软件。它在终端用户的机器上能够理解逻辑格式，并且使用逻辑格式来访问盘上的文件。
在上述三部分中，逻辑格式是文件系统的核心。逻辑格式标准统一后，盘上的信息就有可能在不同的信息处理系统之间进行交换。
定义CD-ROM的逻辑格式与定义磁盘的逻辑格式有差别，这是由于这两种存储器的特性不同。定义CD-ROM逻辑格式首先要考虑CD-ROM本身的特性。对定义CD-ROM逻辑格式产生较大影响的因素有：
CD-ROM是只读存储器，而磁盘是可读/写存储器，这就不需要添加、删除目录等功能。
CD-ROM的写入和读出是不对称的。
寻找数据的时间相对于20 ms左右的磁盘大得多，长到950 ms，平均也得几百毫秒。
存储容量大(650 MB/盘)。
这些因素关系到文件系统的性能。
CD-ROM的逻辑格式可归纳为两个部分：
(1) 定义一套结构用来提供整片CD-ROM盘所含的信息，称卷结构。单片CD-ROM称一卷。一个应用软件可有大、中、小之分，一个应用软件也可能有多个文件组成。对于小的应用软件，一卷可能容纳好几个文件，而一卷中的文件数目也可能相当惊人；对于中等大小的应用软件，一卷可能只容纳一个；对于一个大的应用软件，如百科全书，可能有好几卷才能容纳得下；把存放单个应用软件的多片CD-ROM称为一个卷集，这与出版的书很相似。在卷集中，一个文件可能要跨越好几卷，或者相反，一卷中有好多文件。因此，必须要有一套规则和数据结构来表达这些错综复杂的关系，以便使用户有足够多的信息来了解盘上的内容。这些关系是属于卷一级的逻辑格式。
(2) 定义一套结构用来描述和配置放到盘上的文件，称为文件结构。文件结构的核心是目录结构。这个结构是文件一级的逻辑格式，采用什么样的逻辑格式对文件系统的性能有很大的影响。一般来说，目录结构采用分层目录结构，并且有显式说明和隐式说明之分。为CD-ROM提议的目录结构大体有五类：
① 多文件显式分层结构(multiple-file explicit hierarchies)。它的特点是把子目录当作文件来处理，打开一个有长路径的文件需要较多的寻找次数。
② 单文件显式分层结构(single-file explicit hierarchies)。它的特点是把整个目录结构放在单个文件中，根目录和子目录都作为文件中的记录而不是作为文件来处理。
③ 散列路径名目录(hashed path name directories)。它的特点是把整个路径名和文件名拼凑成一个地址放在目录中，这是隐式目录结构。
④ 索引路径名目录(indexed path name directories)。它的基本思想是把子目录的全路径名转换成一个整数。这也是隐式目录结构。
⑤ 组合前面4种结构中的2种或2种以上的混合结构。
由于CD-ROM有它自己的固有特性，因此围绕CD-ROM定义的卷和文件结构也有它自己的特性。这些特性充分体现在ISO 9660标准文件中。为便于理解它们的结构，下面采用由底层到顶层的思路来介绍。
15.2.3 逻辑扇区和逻辑块
CD-ROM的一个物理扇区除了扇区头信息之外还有2336字节。在2336字节中，有288字节可以用来作错误检测和校正用，剩下的2048字节作为用户数据域。2048字节(2 KB)的数据域定义为一个逻辑扇区(logical sector)。每个逻辑扇区都有一个唯一的逻辑扇区号(logical sector number，LSN)。CD-ROM的第一个逻辑扇区是从物理地址00∶02∶00开始，逻辑扇区号为LSN0。
逻辑扇区的大小也允许自定义，但要等于2n，n是一个正整数。
每个逻辑扇区可以分成一个或多个逻辑块。这样做对于在盘上存放大量的小文件是很有用的。在一个由2048字节组成的逻辑扇区中，一个逻辑块的大小可以是512、1024或2048字节。但一个逻辑块的大小不超过逻辑扇区的大小。每个逻辑块有一个逻辑块号(logical block number，LBN)。第一个逻辑块号(LBN 0)是第一个逻辑扇区(LSN 0)中的第一块，依次为LBN1、2、3等等。在CD-ROM上，所有文件和其他重要的数据都按LBN寻址。
此外，还有一个记录的概念。一个记录由一系列连续字节组成，它作为信息单元。一个记录的字节可多可少，少则几个，多则几十、几百个，视要表达的信息而定。记录有固定字节长度和可变字节长度之分，分别称为固定长度记录和可变长度记录。
物理扇区、逻辑扇区、逻辑块之间的关系如图15-05所示。
图15-05 物理扇区与逻辑扇区、逻辑块的概念
15.2.4 文件放到CD-ROM上的文件类型没有限制，可以是ASCII文本文件、索引结构文件、可执行文件(如.COM文件，.EXE文件)，压缩的或未压缩的图像文件、声音文件等，只要你想存的文件都可以。
每个文件可分为一节或多个文件节(file section)。一个文件节放在由许多个逻辑块组成的文件空间里。这些逻辑块是顺序编号的逻辑块，由它们组成的文件空间又称为文件范围(extent)或文件域。一个大的文件可以分成多个文件节，存放在多片CD-ROM盘上的文件域中；一个中等大小的文件也可以分成若干个文件节，存放在同一片CD-ROM盘上的多个文件域中，这些文件域也不要求是连续的文件域； 小的文件可以不分域，存放在单个文件域中。
文件的标识符(file identifier)可由三部分组成：文件名、文件扩展名和文件版本号组成。但文件标识符必须要包含一个文件名，或者包含一个扩展名，其他可作为选择。文件标识符中的字符通常采用ASCII字符，并且限定用其中的一部分：
数字0～9
大写英文字母A～Z
下划线(_)
文件名和文件扩展名之间用句点(.)
文件名或文件扩展名与文件版本号之间用分号(;)下面给出了一些合法文件标识符和不合法文件标识符的例子。
************************************************
合法文件标识符：
FILE.DAT
FILE.DAT;1
DATA_FILE_FOR_INTERCHANG.DAT
FILENAME_WITHOUT_AN_EXTENSION
.NO_FILENAME_JUST_AN_EXTENSION
--------------------------------------------------------------------------
不合法文件标识符：
file.dat;不允许小写字母
ONLY.ONE.PERIOD.ALLOWED;只允许一个句点
NO-HYPHENS-OR--SIGNS;没有规定用连字符(-)和
THIS_FILENAME_IS_LONGER_THAN_31_CHARACTERS;多于31个字符
************************************************
在MS-DOS环境下，文件名的长度不超过8个字符，文件扩展名的长度不超过3个字符；在其他环境下，文件标识符的总长度限制为不超过31个字符。
15.2.5 目录大多数支持磁盘的文件系统都时兴用分层目录结构，CD-ROM也采用这种目录结构，并且限定目录层次的深度为8级。用这种目录结构可以组织大数量的文件。大多数磁盘文件系统把子目录作为一种特殊的文件进行显式处理，一层一层地打开子目录文件，以找到最终的文件。这样做的好处是为增加或删除目录提供了很大的灵活性。但CD-ROM是只读，无需这种灵活性，而且采用这种方法来找一个带有长路径名的文件，一次一次打开子目录文件势必要化费很长的时间。因此，CD-ROM没有采用这种显式分层目录结构，而是采用隐式分层目录结构，但也把目录当作文件看待，并且把整个目录包含在1个或少数几个文件中。包含目录的文件称为目录文件。
目录文件与普通的用户文件相类似，但对CD-ROM采用的目录文件结构作了具体的规定。目录文件由一系列可变长度的目录记录组成。每个目录记录的格式如表15-03所示。由表15-03可以看到，一个目录记录包含有许多记录域。这些域中记录有文件标识符，以字节计算的文件长度、文件域中的第一个逻辑块号(LBN)，以及打开和使用这个文件所需要的其他信息。当一个文件放在多个文件域中时，需要设置多个目录记录，每个目录记录中给出相应文件域的地址，并由文件标志记录域来指明该文件域是不是最后一个。目录文件、目录记录、记录域等之间的关系如图15-06所示。
表15-03 目录记录的格式字节位置
记录域的名称
1
目录记录长度(LEN_DR)
2
扩展属性记录(XAR)长度
3～10
文件域地址
11～18
数据长度
19～25
日期和时间
26
文件标志
27
文件单元大小
28
交叉间隔大小
29～32
卷顺序号
33
文件标识符长度(LEN_FI)
34-(33+LEN_FI)
文件标识符
34+LEN_FI
填充域
(34+LEN_FI+1)-LEN_DR
系统使用(保留)
图15-06 目录文件结构
文件的附加信息可以记录在一个命名为扩展属性记录(extended attribute record，XAR)的记录上，它放在文件的前面而不是放在目录记录上，这样做可以使目录记录变得较小。附加信息包括文件作者、文件修改日期、访问文件的许可权等信息。凡是不常使用的信息都放到扩展属性记录上。这也是CD-ROM目录结构的一个特点。
如果一个文件有多个文件域(如图15-06中的文件B)，每个文件域都有XAR记录，在这些XAR记录上的信息可能会不相同，文件系统应认为最后一个XAR记录上的信息是有效的。这个特性在卷集制作过程中很有用。
由于每个目录记录的长度不确定，因此在一个逻辑扇区中的目录记录的个数也不确定，但必须要保证目录记录数的数目为整数。当一个目录在这个逻辑扇区中放不下的时候，应移到后面的一个逻辑扇区。这样可以保证读到计算机内存中的目录不会出现支离破碎的现象。
15.2.6 路径表前面已经谈到，由于CD-ROM寻找时间很长，若采用磁盘的方式来处理目录，要打开一个目录嵌套层次很深的文件，势必要化费很长的寻找时间。为解决这个问题，在1985年，J.D.Barnette、B.Zoellick和S.Stegner开发了一种名叫路径索引(path index)的一种隐式分层目标结构，后来改名为路径表(path table)。这种结构的特点是利用索引值来访问所有的目录，它的基本思想示于图15-07。
图15-07 目录结构与路径表
路径表由许多称为路径表记录组成，它对应于根目录和每个子目录，如图15-07中的ROOT(根)、A、B，…，等路径表记录。每个路径表记录具有如表15-04的格式。路径表中包含有每一个子目录所在的开始地址，即逻辑块号LBN，这样就可以通过路径表直接访问任何一个子目录。因此，如果一张完整的路径表能保存在计算机的RAM中，那末一次寻找就可以访问盘上的任何一个子目录。
表15-04 路径表记录字节位置
记录域的名称
1
目录标识符的长度(LEN_DI)
2
扩展属性记录(XAR)的长度
3～6
存放目录的地址
7～8
父目录号
9～(8+LEN_DI)
目标标识符(不超过31个字符)
(9+LEN_DI)
填充域
路径表只能保证访问目录的第一个物理扇区。如果有由成千个文件组成的大目录，那末整个目录可能跨越盘上的好几个扇区。这么多的文件最好分散在各个子目录下，每个子目录下分配约40个左右的文件。按每个目录记录的平均长度为50字节计算，差不多占据单个物理扇区。如果在一个子目录下分配太多的文件数时，那末要找这个目录下的文件时，需要顺序读和检查好几个物理扇区才能找到这个文件，这样就多花时间。
15.2.7 卷
CD-ROM盘上可以存放信息的区域称为卷空间(volume space)。卷空间分成两个区：从LSN 0到LSN 16称为系统区，它的具体内容没有规定。从LSN 16开始到最后一个逻辑扇区称为数据区，它用来记录卷描述符(volume descriptors)、文件目录、路径表、文件数据等内容。
每卷数据区的开头(LSN 16)是卷描述符。卷描述符实际上是一种数据结构，或者说是一种描述表。其中的内容用来说明整个CD-ROM盘的结构、提供许多非常重要的信息，如盘上的逻辑组织、根目录地址、路径表的地址和大小、逻辑块的大小等等。卷描述符的结构如表15-05所示，它是一个由2048字节组成的固定长度记录。
表15-05 卷描述符的格式字节位置
录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(用CD001表示)
7
卷描述符的版本号
8～2048
(取决于卷描述符的类型)
卷描述符有五种类型：
主卷描述符(primary volume descriptor)
辅助卷描述符(supplementary volume descriptor)
卷分割描述符(volume partition descriptor)
引导记录(boot record)
卷描述符系列终止符(volume descriptor set terminator)
上述五种描述符的结构分别示于表15-06～表15-09。
表15-06 主卷和辅助卷描述符字节位置
主卷描述符记录域的名称
辅助卷描述符记录域的名称
1
卷描述符的类型
同左
2～6
标准卷标识符(CD001)
同左
7
卷描述符版本号
同左
8
未使用(00)
卷标志
9～40
系统标识符
同左
41～72
卷标识符
同左
73～80
未使用(00)
同左
81～88
卷空间大小
同左
89～120
未使用(00)
换码顺序
121～124
卷系列大小
同左
125～128
卷顺序号
同左
129～132
逻辑块大小
同左
133～140
路径表大小
同左
141～144L
型路径表值位置*
同左
145～148L
型路径表任选值位置
同左
149～152M
型路径表值位置**
同左
153～156M
型路径表任选值位置
同左
157～190
根目录的目录记录
同左
191～318
卷集标识符
同左
319～446
出版商标识符
同左
447～574
数据准备者标识符
同左
575～702
应用软件标识符(如CD-I)
同左
703～739
版权文件标识符
同左
740～776
文摘标识符
同左
777～813
文献目录文件标识符
同左
814～830
卷创作日期和时间
同左
831～847
卷修改日期和时间
同左
848～864
卷到期日期和时间
同左
865～881
卷有效日期和时间
同左
882
文件结构版本号
同左
883
(保留)
同左
884～1395
应用程序使用
同左
1396～2048
(保留)
同左
* L型,最低有效字节在先，**最高有效字节在先
表15-07 卷分割描述符字节位置
记录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(CD001)
7
卷描述符版本号
8
未使用(00)
9～40
系统标识符
41～72
卷分割标识符
73～80
卷分割位置
81～88
卷分块大小
89～2048
系统使用
表15-08 引导记录字节位置
记录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(CD001)
7
卷描述符版本号
8～39
引导系统标识符
40～71
引导标识符
72～2048
引导系统使用
表15-09 卷描述符系列终止符
字节位置
记录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(CD001)
7
卷描述符版本号
8～2048
保留(00)
五种描述符的前四种可以任意组合，组成卷描述符系列。这四个描述符可以在描述符系列中出现不只一次。描述符系列有两个限制：主卷描述符至少要出现一次，卷描述符系列终止符只能出现一次，而且只能出现在最后。卷描述符系列记录在从LSN 16开始的连续逻辑扇区上。
以上简要介绍了CD-ROM的卷和文件结构的基本概念，没有对它的细节作一一解释，这对一般读者就已经足够了。对想进一步深入理解CD-ROM逻辑格式的读者，以及想编写自己的CD-ROM文件系统的读者，请参看ISO 9660标准文件。
ISO 9660标准的出现，对CD-ROM的推广应用产生了很大的推动作用。理论上说，CD-ROM上的文件应该在哪种型号的机器上都可以读出。然而，事实并不完全是这样。它们各自包含有自己的文件系统，有自己的专用格式及应用软件，同一片CD-ROM上的文件不一定都能在不同的信息系统中读出。
15.3 VCD标准——白皮书(White Book)
CD-DA是20世纪80年代初的产品，盘上的音乐节目是以数字形式记录的；LaserVision是70年代末的产品，盘上的电视图像和声音都是以模拟信号形式记录的，电视图像是调频制记录(FM)，声音是调幅记录，它叠加到图像信号上。CD-Video(CD-V)是1987年定义的标准，它是CD-DA和LV(LaserVision)相结合的产物，盘上的声音是数字的，而电视图像仍然是模拟的。CD-V和LaserVision常被人们称为激光视盘或激光影碟。
Video CD(VCD)是由JVC、Philips、Matsushita和Sony联合定义的数字电视视盘技术规格，它于1993年问世，盘上的声音和电视图像都是以数字的形式表示的。1994年7月发布了“Video CD Specification Version 2.0”，并命名为White Book(白皮书)。该标准描述的是一个使用CD格式和MPEG-1标准的数字电视存储格式。Video CD标准在CD-Bridge规格和ISO 9660文件结构基础上定义了完整的文件系统，这样就使VCD节目能够在CD ROM、CD-I和VCD播放机上播放。
15.3.1 VCD盘的组织
VCD盘由引导区(导入区和导出区)和节目区两部分组成，VCD盘的组织如图15-08所示。盘上的数据按光道来组织，光道数最多为99条。VCD盘的导入区和导出区按CD-ROM XA数据光道的Mode 2 Form 2进行编码，是不含数据的空扇区。
在节目区中的第一条光道(Track 1)是一条专用VCD数据光道(Special Video CD Track)，其余的是MPEG Audio/Video光道。Video CD 2.0规格只定义了MPEG Audio/Video光道和CD-DA光道这两种光道，而每一条MPEG Audio/Video光道只包含一个有MPEG Video和MPEG Audio数据的播放序列。
Lead-in Area (导入区)
Track 1 (光道1)
Track 1：专用VCD数据光道
Track 2 (光道2)
Track 2～99(Max.)
Track 3 (光道3)
Program Area
…
① Track 2 ～ K：MPEG-Audio/Video Track
(节目区)
Track K (光道K)
Track K+1 (光道K+1)
…
② Track K+1 ～ N：CD-DA Track
Track N (光道N)
Lead-out area (导出区)
图15-08 VCD盘的组织结构
1,专用数据光道专用VCD数据光道(Special Video CD Track)用来描述VCD盘上的信息，它的结构如图15-09所示。它的几个区域说明如下：
(1) 扇区号为00:02:16的扇区是基本卷号描述符PVD(Primary Volume Descriptor)扇区，用来描述VCD盘的卷号。
(2) 从扇区00:03:00开始到00:03:74的区域是一个选择性的卡拉OK基本信息区(Karaoke Basic Information Area)。该区域中的数据用来产生卡拉OK音乐节目的快速参照表，它由基本信息头BIH (Basic Information Header)文件(KARINFO.BIH)和最多63个卡拉OK文本文件(KARINFO.CC)组成。
(3) 从扇区00:04:00开始的区域是VCD信息区(Video CD Information Area)，它包含有强制性的VCD盘信息文件INFO.VCD(扇区00:04:00)和入口表(Entry table)文件ENTRIES.VCD(扇区00:04:01)，以及可选的清单偏移量表(List ID Offset Table)文件LOT.VCD(扇区00:04:02)和播放顺序描述符(Play Sequence Descriptor)文件PSD.VCD(扇区00:04:34)文件。
(4) 分段播放项目区(Segment Play Item Area)是一个选择性的区域，它可包含许多分段播放项目(Segment Play Item)。一个分段播放项目可以是MPEG电视、MPEG声音和以MPEG算法编码的静态图像，这些项目通过播放顺序描述符PSD(Play Sequence Descriptor)的解释进行播放。这个区域的开始地址由INFO.VCD文件给出。
分段播放项目区被分成连续的段(Segment)，并从＃1开始连续编号直到＃1980，每一段由150个扇区组成。这个区域的长度可以是1—1980之间的任意整数。一个分段播放项目可以占据一个或者多个段。
(5) 其他文件(Other files)区可包含强制性的CD I应用节目(CD I application program)和选择性的扩展目录(EXT directory)信息。
图15-09 专用VCD数据光道的结构
2,MPEG-Audio/Video光道
Track 2 (光道2)开始是MPEG-Audio/Video光道，用来存放MPEG编码的电视图像和声音数据。MPEG编码的数据受到由大于15个扇区组成的前保护区FM(Front Margin)和后保护区(Rear Margin，RM)的保护，如图15-10所示。FM的推荐长度是30扇区，RM的推荐长度是45个扇区。
图15-10 MPEG-Audio/Video光道的布局
3,CD DA光道
VCD盘可包含CD DA光道，但必须在MPEG-Audio/Video光道之后。如果VCD盘包含CD DA光道，Video CD规范要求在最后一条MPEG-Audio/Video光道的RM之后设置至少150个扇区的后间隔。
15.3.2 VCD的文件目录结构
VCD盘的文件系统是在ISO 9660文件结构标准基础上开发。VCD盘需要的目录有：Root directory 0 (根目录0)，CDI，VCD和MPEGAV。VCD盘的目录结构如图15-11所示。Video CD规范规定对文件目录作了如下规定：
① 如果VCD盘包含卡拉OK基本信息区(Karaoke Basic Information Area)，这个区域中的文件必须存放在KARAOKE目录下。
② 如果VCD盘包含分段播放项目区(Segment Play Item Area)，这个区域中的文件必须存放在SEGMENT目录下。
③ 如果有扩展的播放顺序描述符(Play Sequence Descriptor，PSD)文件，这个文件必须存放在EXT目录下。
④ VCD信息区(Video CD Information Area)中的文件必须存放在VCD目录下。
⑤ 所有表示MPEG Audio/Video光道的文件都必须存放在MPEGAV目录下。
⑥ 所有表示CD DA光道的文件都必须存放在CDDA目录下。
图15-11 VCD盘的目录结构
15.3.3 MPEG-Audio/Video扇区的结构
Video CD定义了MPEG光道的结构，它由MPEG-Video扇区和MPEG-Audio扇区组成。光道上的Video(电视图像)和Audio(声音)是按照MPEG标准ISO 11172的规定进行编码。MPEG-1 Video扇区和MPEG-1 Audio扇区是交错存放在光道上的，如下图所示：
…
V
V
V
V
A
V
V
V
V
V
A
V
V
V
V
V
A
V
…
MPEG-Video扇区的一般结构如下图所示：
一个信息包：2324字节
信息包开始码
4字节
SCR(系统参考时钟)
5字节
MUX速率
3字节
信息包数据
2312字节
MPEG-Audio扇区的一般结构如下图所示：
一个信息包：2304字节
信息包开始码
4字节
SCR(系统参考时钟)
5字节
MUX速率
3字节
信息包数据
2292字节
00
20字节
练习与思考题试论CD标准的重要性。
什么叫做CD盘的物理格式？
CD ROM的扇区地址“00:10:65”表示什么含义？
CD-ROM Mode 1和CD-ROM Mode 2有什么差别？
CD-ROM/XA Mode 2 Form 1和CD-ROM/XA Mode 2 Form 2有什么差别？
CD-Bridge Mode 2 Form 1和CD-Bridge Mode 2 Form 2有什么差别？
计算单速CD ROM的用户数据传输率是多少KB/s(1 KB = 1024 bytes)。
CD ROM文件系统的主要组成部分是什么？
CD ROM的逻辑格式是什么意思？
CD ROM的物理扇区、逻辑扇区和逻辑块之间有什么关系？
MS-DOS和MS-Windows环境下都要有MSCDEX.EXE文件，请问它的功能是什么？
试论CD ROM的文件目录结构与磁盘的文件结构有何差别？
用计算机查看VCD盘上根目录和子目录下有什么文件？这些文件的含义是什么？
参考文献和站点
CEI/IEC 908,Compact Disc Digital Audio System,1987
ISO 9660,Volume and File structure of CD-ROM for Information Interchange,1988
ISO/IEC 10149,Data Interchange on Read Only 120 mm Optical Data Disks(CD-ROM),1989
Philips and Sony,System Description CD-ROM XA Compact Disk Read Only Memory extended Architecture,May,1991
Philips and Sony Corporation,CD-I Full Functional Specification,1993
Mark Fritz,How & When Will CD-ROM Get Biger?,CD-ROM Professional,Sept./Oct,1994,pp21～35
JVC,Matsushita,Philips & Sony,Video CD Specification Version 2.0,July 1994
林福宗,陆 达,多媒体与CD-ROM,北京：清华大学出版社,1995.3
Philips,Desktop Video Data Handbook,1995
***************************************************************************
15.1 CD盘上的物理格式
15.1.1 激光唱盘标准——红皮书(Red Book)
15.1.2 CD-ROM标准——黄皮书(Yellow Book)
15.1.3 CD-ROM/XA
15.1.4 CD-I标准——绿皮书(Green Book)
15.1.5 CD-I Ready格式
15.1.6 CD-Bridge盘
15.1.7 可录CD盘标准——橙皮书(Orange Book)
15.2 CD-ROM的逻辑格式(ISO 9660)
15.2.1 ISO 9660的重要性
15.2.2 结构设计概要
15.2.3 逻辑扇区和逻辑块
15.2.4 文件
15.2.5 目录
15.2.6 路径表
15.2.7 卷
15.3 Video CD标准——白皮书(White Book)
15.3.1 VCD盘的组织
15.3.2 VCD的文件目录结构
15.3.3 MPEG-Audio/Video扇区的结构练习与思考题参考文献和站点
***************************************************************************
CD格式包含逻辑格式和物理格式。逻辑格式实际上是文件格式的同义词，它规定如何把文件组织到光盘上以及指定文件在光盘上的物理位置，包括文件的目录结构、文件大小以及所需盘片数目等事项; 物理格式则规定数据如何放在光盘上，这些数据包括物理扇区的地址、数据的类型、数据块的大小、错误检测和校正码等。
CD格式详细记载在标准文件中，如图15-01所示。这些标准文件包括红皮书、黄皮书、ISO 9660、绿皮书、橙皮书和白皮书等，而且还在不断推出。CD的标准文件是用彩色封面包装的，所以又称为彩书标准。理解CD格式对于设计和使用CD产品都有很大帮助。
图15-01 CD标准系列
15.1 CD盘上的物理格式
15.1.1 激光唱盘标准——红皮书(Red Book)
Red Book是Philips和Sony公司为CD-DA(Compact Disc Digital Audio)定义的标准，也就是我们常说的激光唱盘标准。这个标准是整个CD工业的最基本的标准，所有其他的CD标准都是在这个标准的基础上制定的。
1,CD盘上的音乐节目是如何组织的通常，激光唱盘上的有许多首歌曲，一首歌曲安排在一条光道上。一条光道由许多节(section)组成，一节由98帧(frame)组成。帧是激光唱盘上存放声音数据的基本单元，它的结构如图15-02所示。
图15-02 激光唱盘声音数据的基本结构
(1) 同步(SYNC)
每帧的开头都有24位同步位。这24位同步位不经EFM调制，本身就是通道码。具体的码字是
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
任何数据经EFM调制后都不会出现与同步码字相同的码。
(2) 子码(Subcode)
每帧都有这样的一字节。在CD-DA中称为子码/控制和显示(subcode/control and display);在CD-ROM中称为控制字节(Control Bytes)。这字节的内容主要提供盘地址信息。
(3) 声音数据(Audio Data)
在CD-DA中，立体声有两个通道，每次采样有2个16位的样本，左右通道的每个16位数据分别组成2个8位字节，6次采样共24字节组成一帧。
CD盘上的98帧组成一个扇区(sector)。光道(track)上1个扇区有3234字节，即
2352个声音数据 ＋2 ( 392个EDC/ECC字节 ＋98个控制字节＝3234字节它的结构如下：
3234字节
用户数据
2352＝98 ( (2 ( 12)字节
第二层EDC/ECC
392个字
第一层EDC/ECC
392个字
控制字节
98字节
前面已经介绍，激光唱盘上声音数据的采样频率为44.1 kHz，每次对左右声音通道各取一个16位的样本，因此1秒钟的声音数据率就为
44.1×1 000×2×(16÷8) = 176 400字节/秒由于1帧存放24字节的声音数据，所以1秒钟所需要的帧数为
176 400÷24＝7 350帧/秒
98帧构成1节，也可以说成1个扇区，所以1秒钟所需要的扇区数为
7 350÷98＝75扇区/秒记住这些最基本的参数，对理解整个CD系列和DVD系列的数据结构是非常有帮助的。
(4) P,Q错误校验码由于CD-DA盘的原始误码率较高(约10-4)，须要采用纠错能力很强的交叉交插里德/索洛蒙码(Cross-Interleaved Read-Solomon Code，CIRC)进行纠错。因此，每帧有2×4字节的错误校正码分别放在中间和末端，称为Q校验码和P校验码，P校验是由(32，28)RS码生成的校验码；Q校验是由(28，24)RS码生成的校验码。有关错误校正的介绍，请看[8]。
(5) 一帧数据的通道位数见表15 01。
表15-01 一帧数据的通道位数编号
字段名称
通道位数
合计
(1)
同步位(SYNC)
24+3
27
(2)
子码(Subcode)
1×(14+3)
17
(3)
数据(Data)
12×(14+3)
204
(4)
Q校验码
4×(14+3)
68
(5)
数据(Data)
12×(14+3)
204
(6)
P校验码
4×(14+3)
68
合计
588
(6) 激光唱盘的光道在CD-DA中的物理光道是螺旋形，因此可以说一片CD-DA盘只有一条物理光道。而这里所指的CD-DA光道应该理解成逻辑光道比较合适。一条CD-DA光道有多个扇区组成，扇区的数目可多可少，而光道的长度可长可短，通常一首歌就组织成一条光道。
2,CD-DA的通道：P-W
CD-DA中定义了一个控制字节(Control Bytes)，或者叫做子码(Subcode)。如前所述，一帧有一个8位的控制字节，98帧组成8个子通道，分别命名为P、Q、R、S、T、U、V和W子通道。一条光道上所有扇区的子通道组成CD-DA的P、Q、…, W通道。98个控制字节(98 ( 8位)组成8个子通道的结构如下：
8位
P子通道(b8)
Q子通道(b7)
R子通道(b6)
S子通道(b5)
T子通道(b4)
U子通道(b3)
V子通道(b2)
W子通道(b1)
98字节的b8组成P子通道，98字节的b7组成Q子通道，依此类推。通道P含有一个标志，它用来告诉CD播放机光道上的声音数据从什么地方开始；通道Q包含有运行时间信息，CD播放机使用这个通道中的时间信息来显示播放音乐节目的时间。Q通道的98位的数据排列成如下的形式：
98位
2位
4位
4位
72位
16位
其中，
2位：
控制字节的部分同步位
4位：
控制标志，定义这条光道上的数据类型
4位：
说明后面72位数据的标志
72位：
Q通道的数据。在盘的导入区(Lead In)，含有盘的内容表TOC(Table Of Contents)；在其余的盘区，含有当前的播放时间
16位：
CRC (Cyclic Redundancy Code)用于错误检测，CRC没有错误校正功能
3,CD-G(CD＋Graphics)是什么
Red Book不仅定义了如何把声音数据放到CD盘上，而且还定义了一种把静态图像数据放到CD盘上的方法。如果把图像数据放到通道R～W，这种盘通常就称为CD＋G盘，简称为CD-G盘。在目前的国内市场上，使用R～W通道的CD节目不多，能播放这种盘的CD播放机也不多。CD-G节目在普通的CD播放机上播放时，音乐节目可以照常欣赏，仅仅是没有图像而已。如果使用能播放CD-G节目的VCD播放机，在播放CD-G盘时要和电视机连接才能同时有音乐和图像。
15.1.2 CD-ROM标准——黄皮书(Yellow Book)
Yellow Book是Philips和Sony公司为CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)定义的标准，CD工业从此进入了第二个阶段。Yellow Book在Red Book的基础上增加了两种类型的光道，加上Red Book的CD-DA光道之后，CD-ROM共有三种类型的光道：
CD-DA光道，用于存储声音数据。
CD-ROM Mode 1，用于存储计算机数据。
CD-ROM Mode 2，用于存储声音数据、静态图像或电视图像数据。
Yellow Book和Red Book相比，它们的主要差别是Red Book中2352字节的用户数据作了重新定义，解决了把CD用作计算机存储器中的两个问题，一个是计算机的寻址问题，另一个是误码率的问题，CD-ROM标准使用了一部分用户数据当作错误校正码，也就是增加了一层错误检测和错误校正，使CD盘的误码率下降到10-12以下。
1,CD-ROM Mode 1
CD-ROM Mode 1把Red Book中的2352字节的用户数据重新定义为：
2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
未用
8字节
ECC
276字节
其中，
同步字节：
12字节，用于同步。
扇区地址 (Header)：
4字节，定义该扇区的地址。
用户数据：
2048字节，用于存放用户数据。
EDC：
4字节，用于错误检测。如果检测结果无差错，就不执行这一层的错误校正。
未用：
8字节。
ECC：
276字节，错误检测和校正码。
CD-ROM的扇区地址与磁盘的扇区地址不同。磁盘的扇区地址是用C-H-S (柱面号-磁头号-扇区号)地址系统来表示，而CD-ROM是用计时系统中的分、秒，以及特地为CD-ROM规定的分秒(1/75秒)来表示。CD-ROM用户数据区的地址结构如下：
4字节的扇区地址称为HEADER
分(MIN)
1字节
0～74
秒(SEC)
1字节
0～59
分秒(FRAC)
1字节
0～74
方式(Mode)
1字节
01
2,CD-ROM Mode 2
CD-ROM Mode 2把Red Book中的2352字节的用户数据重新定义为：
2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
用户数据
2336字节
CD-ROM Mode 2与CD-ROM Mode 1相比，存储的用户数据多14%，但是由于没有错误检测和错误校正码，因此在这种方式中，用户数据的误码率比Mode 1中的误码率要高。在Mode 2的扇区地址中，方式(Mode)字节域中的值设置成02。
3,混合方式(Mixed Mode)
当CD既含有CD-ROM光道又含有CD-DA光道时，这种方式称为混合方式，使用这种方式的盘叫做混合方式盘(Mixed Mode Disc)。通常，这种盘的第一条光道是CD-ROM Mode 1光道，其余的光道是CD-DA光道。这种盘上的CD-DA光道可以在普通的CD播放机上播放。
15.1.3 CD-ROM/XA
CD的第三个标准叫做CD-ROM/XA(CD-ROM Extended Architecture)标准，这是由Philips、Microsoft和Sony公司发布的。CD-ROM/XA标准是Yellow Book标准的扩充，这个标准定义了一种新型光道：CD-ROM/XA光道。连同前面Red Book标准和Yellow Book标准定义的光道，共有4种光道：
CD-DA，用于存储声音数据。
CD-ROM Mode 1，用于存储计算机数据。
CD-ROM Mode 2，用于存储压缩的声音数据、静态图像或电视图像数据。
CD-ROM Mode 2，XA格式，用于存放计算机数据、压缩的声音数据、静态图像或电视图像数据。
CD-ROM/XA在Red book和Yellow Book标准的基础上，对CD-ROM Mode 2作了扩充，定义了两种新的扇区方式。：
CD-ROM Mode 2，XA Format，Form 1：用于存储计算机数据。
CD-ROM Mode 2，XA Format，Form 2：用于存储压缩的声音、静态图像或电视图像数据。
定义了这两种扇区方式之后，CD-ROM/XA就允许把计算机数据、声音、静态图像或电视图像数据放在同一条光道上，计算机数据按Form 1的格式存放，而声音、静态图像或电视图像数据按Form 2的格式存放。这样一来，就可以根据多媒体的信息把计算机数据、声音数据、图像数据或电视图像数据交错存放在同一条光道上。
1,CD-ROM/XA Mode 2 Form 1
CD-ROM/XA Mode 2 Form 1把Red Book中的2352个用户数据字节重新定义为：
CD-ROM/XA Mode 2 Form 1：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 1
8字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
ECC
276字节
在2352字节中，
同步字节：
12字节。
扇区地址 (Header)：
4字节，用于计算机寻找盘上的数据。
类型 1 (Form 1，Sub-Header)：
8字节，用于指示Form 1。
用户数据：
2048字节。
EDC：
4字节，用于错误检测。
ECC：
276字节，用于错误校正。
2,CD-ROM/XA Mode 2 Form 2
CD-ROM/XA Mode 2 Form 2把Red Book中的2352个用户数据字节重新定义为：
CD-ROM/XA Mode 2 Form 2：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 2
8字节
用户数据
2324字节
EDC
4字节
2324字节中，
同步字节：
12字节。
扇区地址 (Header)：
4字节，用于计算机寻找盘上的数据。
数据类型 2
(Form 2,Sub-Header)：
8字节，用于指示Form 2。
用户数据：
2324字节。
3,CD-ROM/XA中的声音
CD-ROM/XA中的声音质量不是CD-DA的质量，放在CD-ROM/XA Mode 2 Form 2中的声音数据必需进行压缩，这样才能腾出空间来存放同步、扇区地址和数据类型信息。CD-ROM/XA的声音采用ADPCM(adaptive differential/delta pulse code modulation)算法进行压缩，它定义的声音有Level B和Level C两个等级。与CD-DA的声音相比，如果用一片存放74分钟的CD盘来存放CD-ROM/XA的声音，那么这两种声音最长的播放时间如表15-02所示。
表15 02 CD-ROM/XA中的声音播放时间声音等级
播放时(小时)
样本大小(位)
采样速率(kHz)
CD-DA
1.25
16
44.1
Level B
5 (立体声)
10(单道声)
4
4
37.8
37.8
Level C
10(立体声)
20(单道声)
4
4
18.9
18.9
15.1.4 CD-I标准——绿皮书(Green Book)
Green Book是Philips和Sony公司为CD-I(Compact Disc Interactive)定义的标准，它的扇区格式和CD-ROM/XA的扇区格式相同。
CD-I Mode 2 Form 1：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 1
8字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
ECC
276字节
CD-I Mode 2 Form 2：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 2
8字节
用户数据
2324字节
EDC
4字节
Green Book标准允许计算机数据、压缩的声音数据和图像数据交错放在同一条CD-I光道上。CD-I光道没有在TOC中显示，目的是不要用激光唱盘播放机去播放CD-I盘。Green Book标准规定使用专用的操作系统，称为光盘实时操作系统CD-RTOS(Compact Disc-Real-Time Operating System)。 它是一个多任务实时响应的操作系统，支持各种算术和I/O协处理器，是设备独立且由中断驱动的系统，具有支持多级树形结构的文件目录等功能。
15.1.5 CD-I Ready格式使用CD-I Ready格式的CD盘称为CD-I Ready盘，它是一种有附加特性的标准激光唱盘。这种盘既可以在标准的激光唱盘播放机上播放，又可以在CD-I播放机上播放。当CD-I Ready盘在CD-I播放机上播放时，这种附加特性就可以显示出来。
Red Book标准允许把索引点(index points)放在光道上，这就允许用户跳转到光道上的指定点。激光唱盘通常只使用两个索引点：#0和#1，前者用来标识一条光道的起点，后者用来标识声音在这条光道上的起点，这两个索引点在盘上第一条光道(第一首歌)的前面，它们之间通常有2(3秒的间隔。CD-I Ready盘把这两个索引点之间的间隔增加到182秒，这样就可以存放诸如歌曲名、解说词、作者、演员等图文信息。普通的激光唱机播放CD-I Ready盘时不管这个地方的信息，而只播放音乐节目。用CD-I播放机播放CD-I Ready盘时，首先把这间隔中的CD-I信息读到CD-I播放机的RAM中，并显示在电视机屏幕上，然后播放音乐。
15.1.6 CD-Bridge盘
CD-Bridge规格定义了一种把附加信息加到CD-ROM/XA光道上的一种方法，目的是让这种光盘能够在CD-I播放机上播放。这样一来，CD-Bridge光盘就既可以在CD-I播放机上播放，又可以在计算机上播放，而且还可以在Kodak公司的Photo CD播放机上播放。CD-Bridge盘上的光道都采用Mode 2的扇区结构，不使用Mode 1的扇区结构。声音光道则要跟在数据光道的后面。
CD-Bridge盘的扇区结构与CD-ROM/XA和CD-I的扇区结构一致。
CD-Bridge Mode 2 Form 1：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 1
8字节
用户数据
2048字节
EDC
4字节
ECC
276字节
CD-Bridge Mode 2 Form 2：2352字节
同步字节
12字节
扇区地址
4字节
Form 2
8字节
用户数据
2324字节
EDC
4字节
15.1.7 可录CD盘标准——橙皮书(Orange Book)
Orange Book是另一种CD光盘的标准，这种CD盘叫做可录CD R(compact disk recordable) 盘，它允许用户把自己创作的影视节目或者多媒体文件写到盘上。可录CD盘分为以下两类：
① CD-MO (compact disk-magneto optical )盘，这是一种采用磁记录原理利用激光读写数据的盘，称为磁光盘。用户可以把数据写到MO盘上，盘上的数据可以抹掉，抹掉后又可以重写。
② CD-WO(compact disk-write once)盘，这种盘又写成CD-R盘，用户可以把数据写到盘上，但是数据一旦写入，就不能把写入的数据抹掉。
因此，Orange Book标准分成两个部分：Orange Book Part 1和Orange Book Part 2。 Part 1描述CD-MO,Part 2描述CD-WO。整个结构如图15-03所示。
图15-03 橙皮书(Orange Book Standard)概貌 (引自Jim Fricks盘片制造公司)
1,Orange Book Part 1 (CD-MO盘)
Orange Book Part 1标准描述CD-MO盘上的两个区：
① Optional Pre-Mastered Area(可选预刻录区)，这个区域的信息是按照Red Book、Yellow Book或Green Book标准预先刻制在盘上的，是一个只读区域。
② Recordable User Area(用户可重写的记录区)，普通的CD播放机或者VCD播放机不能读这个区域的数据，这是因为CD唱片和VCD盘与磁光盘采用的记录原理不同。
2,Orange Book Part 2 (CD-WO盘)
Orange Book Part 2标准定义可写一次的CD-WO盘。这种盘在出厂时就已经在盘上刻录有槽，称为预刻槽，也就是物理光道的位置已经确定，是一片空白盘。用户把多媒体文件写到盘上之后，就把内容表(Table Of Contents，TOC)写到盘上。在写入TOC之前，这种盘只能在专用的播放机上读；在TOC写入之后，这种盘就可以在普通的播放机上播放。
Orange Book Part 2标准还定义了另一种CD-WO盘，叫做Hybrid Disc(混合盘)。这种盘含有两种类型的记录区域：
① Pre-recorded Area(预记录区)，这个区域的信息是按照Red Book、Yellow Book或Green Book标准预先记录在盘上的，是一个只读区域。
② Recordable Area(可记录区)。这个区可以把物理光道分成好几个记录段(multi-session)。每段由3个区域组成：导入区(Lead In),信息区(Information)和导出区(Lead Out)，每一段要在导入区写入TOC。
Hybrid Disc(混合盘)的结构如下表所示：
第 1段
第 n 段
导入区
(Lead In)
信息区
(Information)
导出区
(Lead Out)
……
导入区
(Lead In)
信息区
(Information)
导出区
(Lead Out)
CD标准的整个概貌可以用图15-04来表示。
图15-04 CD标准之间的关系
15.2 CD-ROM的逻辑格式(ISO 9660)
15.2.1 ISO 9660的重要性
CD-ROM物理格式的标准化意味着所有CD-ROM生产厂家都应遵循这种标准化格式，这也就意味着，CD-ROM上的信息可以在不同的信息处理系统之间交换，但只能在这个物理层上实现交换。由于CD-ROM面对用户的是文件，如文本文件、图像文件、声音文件、执行文件等等，这就需要一个文件系统来管理，这样就可使用户把CD-ROM当成一个文件集来看待，而不是让用户从物理层上去看待CD-ROM盘。因此，仅有物理格式标准化还不够，还需要有一个如何把文件和文件目录放到CD-ROM盘上的逻辑格式标准，也就是文件格式。
由于CD-ROM标准(Yellow Book)没有制定文件标准，所以计算机厂家不得不开发自己的CD-ROM逻辑格式。这些不统一的CD ROM逻辑格式严重地影响了CD-ROM的推广应用。为了解决这个问题，计算机工业界的代表聚集在美国内华达州的Del Webb’s High Sierra Hotel & Casino，起草了一个CD-ROM文件结构的提案，叫做High Sierra文件结构，并把这个提案提交给了国际标准化组织(International Standards Organization，ISO)，ISO作了少量修改后命名为ISO 9660。通过许多软硬件公司的共同的艰苦努力，尤其是John Einberger、Bill Zoellick等人作出的贡献，历时5年，终于在1988年正式公布了这个标准，命名为“Information Processing——Volume and File Structure of CD-ROM for Information Interchange”,可译为“信息处理：用于信息交换的CD-ROM的卷和文件结构”。
IBM PC及其兼容机的文件结构叫做MS-DOS文件结构，而Apple Macintosh计算机的文件结构叫做分层结构文件系统(Hierarchical File System，HFS)。由于这两种文件结构不相同，因此MS-DOS文件不能在Macintosh计算机上运行，而HFS文件不能在IBM PC机上运行。ISO 9660标准既不是MS-DOS的文件结构标准，也不是HFS的文件结构标准，而只是一个描述计算机用的CD-ROM文件结构标准。因此，计算机要能够读ISO 9660文件结构的盘，它的操作系统就必需要有支持软件，这个软件通常是在现有操作系统上进行扩展(Extension)。Microsoft公司为读CD-ROM盘上的ISO 9660文件而开发的程序叫做MSCDEX(Microsoft CD-ROM Extension)，它需要和CD-ROM驱动器带的设备驱动程序相联合，MS-DOS操作系统才能读CD-ROM盘上的ISO 9660 文件。MSCDEX.EXE程序的主要功能就是把ISO 9660文件结构转变成MS-DOS能识别的文件结构。
在MS-DOS和MS-Windows环境下，IBM PC及IBM兼容机计算机必需安装MSCDEX.EXE和CD-ROM驱动器带的设备驱动程序软件才能读CD-ROM盘上的文件。在MS Windows 3.x环境下，设备驱动程序要安装在CONFIG.SYS文件中，而MSCDEX.EXE文件要安装在AUTOEXEC.BAT文件中。同样，其他的操作系统也需要开发类似于MSCDEX.EXE的软件，并且同样要与CD-ROM驱动器带的设备驱动程序联合工作，这样才能读ISO 9660盘上的文件。
在Windows 95/98环境下不需要另外配置CONFIG.SYS和AUTOEXEC.BAT文件，它本身带有MSCDEX.EXE和设备驱动程序，在安装过程中会自动安装，因此用户自己也就不需要另外安装MSCDEX.EXE和CD-ROM设备驱动程序。
15.2.2 逻辑结构的设计概要文件系统是在应用软件和控制器之间的软件，它是操作系统的一部分。文件系统实际上是组织数据的一种方法，使应用程序访问CD-ROM时不需要关心物理地址或数据结构。一个完整的CD-ROM文件系统有三个主要部分组成：
(1) 逻辑格式(logical format),它是文件格式的同义词。逻辑格式是确定盘上的数据应该如何组织，以及存放在什么地方。说得具体一点就是基本的识别信息放在何处，文件目录应该如何构造，到何处去找盘上的目录，一个应用软件存放在几张光盘上等等。由此也可以看到，逻辑格式与物理格式是不同的。
(2) 源软件(origination software),它是把数据写到逻辑格式的软件，按逻辑格式把要存到盘上的文件进行装配，所以源软件又称“写”软件。
(3) 目的软件(destination software),它是把数据从逻辑格式读出来，并且把数据转换成文件，因此目的软件又称为“读”软件。它在终端用户的机器上能够理解逻辑格式，并且使用逻辑格式来访问盘上的文件。
在上述三部分中，逻辑格式是文件系统的核心。逻辑格式标准统一后，盘上的信息就有可能在不同的信息处理系统之间进行交换。
定义CD-ROM的逻辑格式与定义磁盘的逻辑格式有差别，这是由于这两种存储器的特性不同。定义CD-ROM逻辑格式首先要考虑CD-ROM本身的特性。对定义CD-ROM逻辑格式产生较大影响的因素有：
CD-ROM是只读存储器，而磁盘是可读/写存储器，这就不需要添加、删除目录等功能。
CD-ROM的写入和读出是不对称的。
寻找数据的时间相对于20 ms左右的磁盘大得多，长到950 ms，平均也得几百毫秒。
存储容量大(650 MB/盘)。
这些因素关系到文件系统的性能。
CD-ROM的逻辑格式可归纳为两个部分：
(1) 定义一套结构用来提供整片CD-ROM盘所含的信息，称卷结构。单片CD-ROM称一卷。一个应用软件可有大、中、小之分，一个应用软件也可能有多个文件组成。对于小的应用软件，一卷可能容纳好几个文件，而一卷中的文件数目也可能相当惊人；对于中等大小的应用软件，一卷可能只容纳一个；对于一个大的应用软件，如百科全书，可能有好几卷才能容纳得下；把存放单个应用软件的多片CD-ROM称为一个卷集，这与出版的书很相似。在卷集中，一个文件可能要跨越好几卷，或者相反，一卷中有好多文件。因此，必须要有一套规则和数据结构来表达这些错综复杂的关系，以便使用户有足够多的信息来了解盘上的内容。这些关系是属于卷一级的逻辑格式。
(2) 定义一套结构用来描述和配置放到盘上的文件，称为文件结构。文件结构的核心是目录结构。这个结构是文件一级的逻辑格式，采用什么样的逻辑格式对文件系统的性能有很大的影响。一般来说，目录结构采用分层目录结构，并且有显式说明和隐式说明之分。为CD-ROM提议的目录结构大体有五类：
① 多文件显式分层结构(multiple-file explicit hierarchies)。它的特点是把子目录当作文件来处理，打开一个有长路径的文件需要较多的寻找次数。
② 单文件显式分层结构(single-file explicit hierarchies)。它的特点是把整个目录结构放在单个文件中，根目录和子目录都作为文件中的记录而不是作为文件来处理。
③ 散列路径名目录(hashed path name directories)。它的特点是把整个路径名和文件名拼凑成一个地址放在目录中，这是隐式目录结构。
④ 索引路径名目录(indexed path name directories)。它的基本思想是把子目录的全路径名转换成一个整数。这也是隐式目录结构。
⑤ 组合前面4种结构中的2种或2种以上的混合结构。
由于CD-ROM有它自己的固有特性，因此围绕CD-ROM定义的卷和文件结构也有它自己的特性。这些特性充分体现在ISO 9660标准文件中。为便于理解它们的结构，下面采用由底层到顶层的思路来介绍。
15.2.3 逻辑扇区和逻辑块
CD-ROM的一个物理扇区除了扇区头信息之外还有2336字节。在2336字节中，有288字节可以用来作错误检测和校正用，剩下的2048字节作为用户数据域。2048字节(2 KB)的数据域定义为一个逻辑扇区(logical sector)。每个逻辑扇区都有一个唯一的逻辑扇区号(logical sector number，LSN)。CD-ROM的第一个逻辑扇区是从物理地址00∶02∶00开始，逻辑扇区号为LSN0。
逻辑扇区的大小也允许自定义，但要等于2n，n是一个正整数。
每个逻辑扇区可以分成一个或多个逻辑块。这样做对于在盘上存放大量的小文件是很有用的。在一个由2048字节组成的逻辑扇区中，一个逻辑块的大小可以是512、1024或2048字节。但一个逻辑块的大小不超过逻辑扇区的大小。每个逻辑块有一个逻辑块号(logical block number，LBN)。第一个逻辑块号(LBN 0)是第一个逻辑扇区(LSN 0)中的第一块，依次为LBN1、2、3等等。在CD-ROM上，所有文件和其他重要的数据都按LBN寻址。
此外，还有一个记录的概念。一个记录由一系列连续字节组成，它作为信息单元。一个记录的字节可多可少，少则几个，多则几十、几百个，视要表达的信息而定。记录有固定字节长度和可变字节长度之分，分别称为固定长度记录和可变长度记录。
物理扇区、逻辑扇区、逻辑块之间的关系如图15-05所示。
图15-05 物理扇区与逻辑扇区、逻辑块的概念
15.2.4 文件放到CD-ROM上的文件类型没有限制，可以是ASCII文本文件、索引结构文件、可执行文件(如.COM文件，.EXE文件)，压缩的或未压缩的图像文件、声音文件等，只要你想存的文件都可以。
每个文件可分为一节或多个文件节(file section)。一个文件节放在由许多个逻辑块组成的文件空间里。这些逻辑块是顺序编号的逻辑块，由它们组成的文件空间又称为文件范围(extent)或文件域。一个大的文件可以分成多个文件节，存放在多片CD-ROM盘上的文件域中；一个中等大小的文件也可以分成若干个文件节，存放在同一片CD-ROM盘上的多个文件域中，这些文件域也不要求是连续的文件域； 小的文件可以不分域，存放在单个文件域中。
文件的标识符(file identifier)可由三部分组成：文件名、文件扩展名和文件版本号组成。但文件标识符必须要包含一个文件名，或者包含一个扩展名，其他可作为选择。文件标识符中的字符通常采用ASCII字符，并且限定用其中的一部分：
数字0～9
大写英文字母A～Z
下划线(_)
文件名和文件扩展名之间用句点(.)
文件名或文件扩展名与文件版本号之间用分号(;)下面给出了一些合法文件标识符和不合法文件标识符的例子。
************************************************
合法文件标识符：
FILE.DAT
FILE.DAT;1
DATA_FILE_FOR_INTERCHANG.DAT
FILENAME_WITHOUT_AN_EXTENSION
.NO_FILENAME_JUST_AN_EXTENSION
--------------------------------------------------------------------------
不合法文件标识符：
file.dat;不允许小写字母
ONLY.ONE.PERIOD.ALLOWED;只允许一个句点
NO-HYPHENS-OR--SIGNS;没有规定用连字符(-)和
THIS_FILENAME_IS_LONGER_THAN_31_CHARACTERS;多于31个字符
************************************************
在MS-DOS环境下，文件名的长度不超过8个字符，文件扩展名的长度不超过3个字符；在其他环境下，文件标识符的总长度限制为不超过31个字符。
15.2.5 目录大多数支持磁盘的文件系统都时兴用分层目录结构，CD-ROM也采用这种目录结构，并且限定目录层次的深度为8级。用这种目录结构可以组织大数量的文件。大多数磁盘文件系统把子目录作为一种特殊的文件进行显式处理，一层一层地打开子目录文件，以找到最终的文件。这样做的好处是为增加或删除目录提供了很大的灵活性。但CD-ROM是只读，无需这种灵活性，而且采用这种方法来找一个带有长路径名的文件，一次一次打开子目录文件势必要化费很长的时间。因此，CD-ROM没有采用这种显式分层目录结构，而是采用隐式分层目录结构，但也把目录当作文件看待，并且把整个目录包含在1个或少数几个文件中。包含目录的文件称为目录文件。
目录文件与普通的用户文件相类似，但对CD-ROM采用的目录文件结构作了具体的规定。目录文件由一系列可变长度的目录记录组成。每个目录记录的格式如表15-03所示。由表15-03可以看到，一个目录记录包含有许多记录域。这些域中记录有文件标识符，以字节计算的文件长度、文件域中的第一个逻辑块号(LBN)，以及打开和使用这个文件所需要的其他信息。当一个文件放在多个文件域中时，需要设置多个目录记录，每个目录记录中给出相应文件域的地址，并由文件标志记录域来指明该文件域是不是最后一个。目录文件、目录记录、记录域等之间的关系如图15-06所示。
表15-03 目录记录的格式字节位置
记录域的名称
1
目录记录长度(LEN_DR)
2
扩展属性记录(XAR)长度
3～10
文件域地址
11～18
数据长度
19～25
日期和时间
26
文件标志
27
文件单元大小
28
交叉间隔大小
29～32
卷顺序号
33
文件标识符长度(LEN_FI)
34-(33+LEN_FI)
文件标识符
34+LEN_FI
填充域
(34+LEN_FI+1)-LEN_DR
系统使用(保留)
图15-06 目录文件结构
文件的附加信息可以记录在一个命名为扩展属性记录(extended attribute record，XAR)的记录上，它放在文件的前面而不是放在目录记录上，这样做可以使目录记录变得较小。附加信息包括文件作者、文件修改日期、访问文件的许可权等信息。凡是不常使用的信息都放到扩展属性记录上。这也是CD-ROM目录结构的一个特点。
如果一个文件有多个文件域(如图15-06中的文件B)，每个文件域都有XAR记录，在这些XAR记录上的信息可能会不相同，文件系统应认为最后一个XAR记录上的信息是有效的。这个特性在卷集制作过程中很有用。
由于每个目录记录的长度不确定，因此在一个逻辑扇区中的目录记录的个数也不确定，但必须要保证目录记录数的数目为整数。当一个目录在这个逻辑扇区中放不下的时候，应移到后面的一个逻辑扇区。这样可以保证读到计算机内存中的目录不会出现支离破碎的现象。
15.2.6 路径表前面已经谈到，由于CD-ROM寻找时间很长，若采用磁盘的方式来处理目录，要打开一个目录嵌套层次很深的文件，势必要化费很长的寻找时间。为解决这个问题，在1985年，J.D.Barnette、B.Zoellick和S.Stegner开发了一种名叫路径索引(path index)的一种隐式分层目标结构，后来改名为路径表(path table)。这种结构的特点是利用索引值来访问所有的目录，它的基本思想示于图15-07。
图15-07 目录结构与路径表
路径表由许多称为路径表记录组成，它对应于根目录和每个子目录，如图15-07中的ROOT(根)、A、B，…，等路径表记录。每个路径表记录具有如表15-04的格式。路径表中包含有每一个子目录所在的开始地址，即逻辑块号LBN，这样就可以通过路径表直接访问任何一个子目录。因此，如果一张完整的路径表能保存在计算机的RAM中，那末一次寻找就可以访问盘上的任何一个子目录。
表15-04 路径表记录字节位置
记录域的名称
1
目录标识符的长度(LEN_DI)
2
扩展属性记录(XAR)的长度
3～6
存放目录的地址
7～8
父目录号
9～(8+LEN_DI)
目标标识符(不超过31个字符)
(9+LEN_DI)
填充域
路径表只能保证访问目录的第一个物理扇区。如果有由成千个文件组成的大目录，那末整个目录可能跨越盘上的好几个扇区。这么多的文件最好分散在各个子目录下，每个子目录下分配约40个左右的文件。按每个目录记录的平均长度为50字节计算，差不多占据单个物理扇区。如果在一个子目录下分配太多的文件数时，那末要找这个目录下的文件时，需要顺序读和检查好几个物理扇区才能找到这个文件，这样就多花时间。
15.2.7 卷
CD-ROM盘上可以存放信息的区域称为卷空间(volume space)。卷空间分成两个区：从LSN 0到LSN 16称为系统区，它的具体内容没有规定。从LSN 16开始到最后一个逻辑扇区称为数据区，它用来记录卷描述符(volume descriptors)、文件目录、路径表、文件数据等内容。
每卷数据区的开头(LSN 16)是卷描述符。卷描述符实际上是一种数据结构，或者说是一种描述表。其中的内容用来说明整个CD-ROM盘的结构、提供许多非常重要的信息，如盘上的逻辑组织、根目录地址、路径表的地址和大小、逻辑块的大小等等。卷描述符的结构如表15-05所示，它是一个由2048字节组成的固定长度记录。
表15-05 卷描述符的格式字节位置
录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(用CD001表示)
7
卷描述符的版本号
8～2048
(取决于卷描述符的类型)
卷描述符有五种类型：
主卷描述符(primary volume descriptor)
辅助卷描述符(supplementary volume descriptor)
卷分割描述符(volume partition descriptor)
引导记录(boot record)
卷描述符系列终止符(volume descriptor set terminator)
上述五种描述符的结构分别示于表15-06～表15-09。
表15-06 主卷和辅助卷描述符字节位置
主卷描述符记录域的名称
辅助卷描述符记录域的名称
1
卷描述符的类型
同左
2～6
标准卷标识符(CD001)
同左
7
卷描述符版本号
同左
8
未使用(00)
卷标志
9～40
系统标识符
同左
41～72
卷标识符
同左
73～80
未使用(00)
同左
81～88
卷空间大小
同左
89～120
未使用(00)
换码顺序
121～124
卷系列大小
同左
125～128
卷顺序号
同左
129～132
逻辑块大小
同左
133～140
路径表大小
同左
141～144L
型路径表值位置*
同左
145～148L
型路径表任选值位置
同左
149～152M
型路径表值位置**
同左
153～156M
型路径表任选值位置
同左
157～190
根目录的目录记录
同左
191～318
卷集标识符
同左
319～446
出版商标识符
同左
447～574
数据准备者标识符
同左
575～702
应用软件标识符(如CD-I)
同左
703～739
版权文件标识符
同左
740～776
文摘标识符
同左
777～813
文献目录文件标识符
同左
814～830
卷创作日期和时间
同左
831～847
卷修改日期和时间
同左
848～864
卷到期日期和时间
同左
865～881
卷有效日期和时间
同左
882
文件结构版本号
同左
883
(保留)
同左
884～1395
应用程序使用
同左
1396～2048
(保留)
同左
* L型,最低有效字节在先，**最高有效字节在先
表15-07 卷分割描述符字节位置
记录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(CD001)
7
卷描述符版本号
8
未使用(00)
9～40
系统标识符
41～72
卷分割标识符
73～80
卷分割位置
81～88
卷分块大小
89～2048
系统使用
表15-08 引导记录字节位置
记录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(CD001)
7
卷描述符版本号
8～39
引导系统标识符
40～71
引导标识符
72～2048
引导系统使用
表15-09 卷描述符系列终止符
字节位置
记录域的名称
1
卷描述符的类型
2～6
标准卷标识符(CD001)
7
卷描述符版本号
8～2048
保留(00)
五种描述符的前四种可以任意组合，组成卷描述符系列。这四个描述符可以在描述符系列中出现不只一次。描述符系列有两个限制：主卷描述符至少要出现一次，卷描述符系列终止符只能出现一次，而且只能出现在最后。卷描述符系列记录在从LSN 16开始的连续逻辑扇区上。
以上简要介绍了CD-ROM的卷和文件结构的基本概念，没有对它的细节作一一解释，这对一般读者就已经足够了。对想进一步深入理解CD-ROM逻辑格式的读者，以及想编写自己的CD-ROM文件系统的读者，请参看ISO 9660标准文件。
ISO 9660标准的出现，对CD-ROM的推广应用产生了很大的推动作用。理论上说，CD-ROM上的文件应该在哪种型号的机器上都可以读出。然而，事实并不完全是这样。它们各自包含有自己的文件系统，有自己的专用格式及应用软件，同一片CD-ROM上的文件不一定都能在不同的信息系统中读出。
15.3 VCD标准——白皮书(White Book)
CD-DA是20世纪80年代初的产品，盘上的音乐节目是以数字形式记录的；LaserVision是70年代末的产品，盘上的电视图像和声音都是以模拟信号形式记录的，电视图像是调频制记录(FM)，声音是调幅记录，它叠加到图像信号上。CD-Video(CD-V)是1987年定义的标准，它是CD-DA和LV(LaserVision)相结合的产物，盘上的声音是数字的，而电视图像仍然是模拟的。CD-V和LaserVision常被人们称为激光视盘或激光影碟。
Video CD(VCD)是由JVC、Philips、Matsushita和Sony联合定义的数字电视视盘技术规格，它于1993年问世，盘上的声音和电视图像都是以数字的形式表示的。1994年7月发布了“Video CD Specification Version 2.0”，并命名为White Book(白皮书)。该标准描述的是一个使用CD格式和MPEG-1标准的数字电视存储格式。Video CD标准在CD-Bridge规格和ISO 9660文件结构基础上定义了完整的文件系统，这样就使VCD节目能够在CD ROM、CD-I和VCD播放机上播放。
15.3.1 VCD盘的组织
VCD盘由引导区(导入区和导出区)和节目区两部分组成，VCD盘的组织如图15-08所示。盘上的数据按光道来组织，光道数最多为99条。VCD盘的导入区和导出区按CD-ROM XA数据光道的Mode 2 Form 2进行编码，是不含数据的空扇区。
在节目区中的第一条光道(Track 1)是一条专用VCD数据光道(Special Video CD Track)，其余的是MPEG Audio/Video光道。Video CD 2.0规格只定义了MPEG Audio/Video光道和CD-DA光道这两种光道，而每一条MPEG Audio/Video光道只包含一个有MPEG Video和MPEG Audio数据的播放序列。
Lead-in Area (导入区)
Track 1 (光道1)
Track 1：专用VCD数据光道
Track 2 (光道2)
Track 2～99(Max.)
Track 3 (光道3)
Program Area
…
① Track 2 ～ K：MPEG-Audio/Video Track
(节目区)
Track K (光道K)
Track K+1 (光道K+1)
…
② Track K+1 ～ N：CD-DA Track
Track N (光道N)
Lead-out area (导出区)
图15-08 VCD盘的组织结构
1,专用数据光道专用VCD数据光道(Special Video CD Track)用来描述VCD盘上的信息，它的结构如图15-09所示。它的几个区域说明如下：
(1) 扇区号为00:02:16的扇区是基本卷号描述符PVD(Primary Volume Descriptor)扇区，用来描述VCD盘的卷号。
(2) 从扇区00:03:00开始到00:03:74的区域是一个选择性的卡拉OK基本信息区(Karaoke Basic Information Area)。该区域中的数据用来产生卡拉OK音乐节目的快速参照表，它由基本信息头BIH (Basic Information Header)文件(KARINFO.BIH)和最多63个卡拉OK文本文件(KARINFO.CC)组成。
(3) 从扇区00:04:00开始的区域是VCD信息区(Video CD Information Area)，它包含有强制性的VCD盘信息文件INFO.VCD(扇区00:04:00)和入口表(Entry table)文件ENTRIES.VCD(扇区00:04:01)，以及可选的清单偏移量表(List ID Offset Table)文件LOT.VCD(扇区00:04:02)和播放顺序描述符(Play Sequence Descriptor)文件PSD.VCD(扇区00:04:34)文件。
(4) 分段播放项目区(Segment Play Item Area)是一个选择性的区域，它可包含许多分段播放项目(Segment Play Item)。一个分段播放项目可以是MPEG电视、MPEG声音和以MPEG算法编码的静态图像，这些项目通过播放顺序描述符PSD(Play Sequence Descriptor)的解释进行播放。这个区域的开始地址由INFO.VCD文件给出。
分段播放项目区被分成连续的段(Segment)，并从＃1开始连续编号直到＃1980，每一段由150个扇区组成。这个区域的长度可以是1—1980之间的任意整数。一个分段播放项目可以占据一个或者多个段。
(5) 其他文件(Other files)区可包含强制性的CD I应用节目(CD I application program)和选择性的扩展目录(EXT directory)信息。
图15-09 专用VCD数据光道的结构
2,MPEG-Audio/Video光道
Track 2 (光道2)开始是MPEG-Audio/Video光道，用来存放MPEG编码的电视图像和声音数据。MPEG编码的数据受到由大于15个扇区组成的前保护区FM(Front Margin)和后保护区(Rear Margin，RM)的保护，如图15-10所示。FM的推荐长度是30扇区，RM的推荐长度是45个扇区。
图15-10 MPEG-Audio/Video光道的布局
3,CD DA光道
VCD盘可包含CD DA光道，但必须在MPEG-Audio/Video光道之后。如果VCD盘包含CD DA光道，Video CD规范要求在最后一条MPEG-Audio/Video光道的RM之后设置至少150个扇区的后间隔。
15.3.2 VCD的文件目录结构
VCD盘的文件系统是在ISO 9660文件结构标准基础上开发。VCD盘需要的目录有：Root directory 0 (根目录0)，CDI，VCD和MPEGAV。VCD盘的目录结构如图15-11所示。Video CD规范规定对文件目录作了如下规定：
① 如果VCD盘包含卡拉OK基本信息区(Karaoke Basic Information Area)，这个区域中的文件必须存放在KARAOKE目录下。
② 如果VCD盘包含分段播放项目区(Segment Play Item Area)，这个区域中的文件必须存放在SEGMENT目录下。
③ 如果有扩展的播放顺序描述符(Play Sequence Descriptor，PSD)文件，这个文件必须存放在EXT目录下。
④ VCD信息区(Video CD Information Area)中的文件必须存放在VCD目录下。
⑤ 所有表示MPEG Audio/Video光道的文件都必须存放在MPEGAV目录下。
⑥ 所有表示CD DA光道的文件都必须存放在CDDA目录下。
图15-11 VCD盘的目录结构
15.3.3 MPEG-Audio/Video扇区的结构
Video CD定义了MPEG光道的结构，它由MPEG-Video扇区和MPEG-Audio扇区组成。光道上的Video(电视图像)和Audio(声音)是按照MPEG标准ISO 11172的规定进行编码。MPEG-1 Video扇区和MPEG-1 Audio扇区是交错存放在光道上的，如下图所示：
…
V
V
V
V
A
V
V
V
V
V
A
V
V
V
V
V
A
V
…
MPEG-Video扇区的一般结构如下图所示：
一个信息包：2324字节
信息包开始码
4字节
SCR(系统参考时钟)
5字节
MUX速率
3字节
信息包数据
2312字节
MPEG-Audio扇区的一般结构如下图所示：
一个信息包：2304字节
信息包开始码
4字节
SCR(系统参考时钟)
5字节
MUX速率
3字节
信息包数据
2292字节
00
20字节
练习与思考题试论CD标准的重要性。
什么叫做CD盘的物理格式？
CD ROM的扇区地址“00:10:65”表示什么含义？
CD-ROM Mode 1和CD-ROM Mode 2有什么差别？
CD-ROM/XA Mode 2 Form 1和CD-ROM/XA Mode 2 Form 2有什么差别？
CD-Bridge Mode 2 Form 1和CD-Bridge Mode 2 Form 2有什么差别？
计算单速CD ROM的用户数据传输率是多少KB/s(1 KB = 1024 bytes)。
CD ROM文件系统的主要组成部分是什么？
CD ROM的逻辑格式是什么意思？
CD ROM的物理扇区、逻辑扇区和逻辑块之间有什么关系？
MS-DOS和MS-Windows环境下都要有MSCDEX.EXE文件，请问它的功能是什么？
试论CD ROM的文件目录结构与磁盘的文件结构有何差别？
用计算机查看VCD盘上根目录和子目录下有什么文件？这些文件的含义是什么？
参考文献和站点
CEI/IEC 908,Compact Disc Digital Audio System,1987
ISO 9660,Volume and File structure of CD-ROM for Information Interchange,1988
ISO/IEC 10149,Data Interchange on Read Only 120 mm Optical Data Disks(CD-ROM),1989
Philips and Sony,System Description CD-ROM XA Compact Disk Read Only Memory extended Architecture,May,1991
Philips and Sony Corporation,CD-I Full Functional Specification,1993
Mark Fritz,How & When Will CD-ROM Get Biger?,CD-ROM Professional,Sept./Oct,1994,pp21～35
JVC,Matsushita,Philips & Sony,Video CD Specification Version 2.0,July 1994
林福宗,陆 达,多媒体与CD-ROM,北京：清华大学出版社,1995.3
Philips,Desktop Video Data Handbook,1995
