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CD의 원리

왜 하필이면 이름을 CD-ROM이라고 부르게 되었을까? CD-ROM이란 이름은 바로 반도체 메모리의 ROM(Read-Only Memory)으로부터 기원한다. 즉 반도체 메모리의 ROM이 한번 데이터를 기억한 이후에는 단지 읽는 작용만 할 수 있는 특징을 갖기 때문이다.

   CD/CD-ROM 매체는 비교적 큰 용량을 가졌다는 점(플로피디스크에 비해서)에서 하드디스크와 비슷한 특징을 가진다고 생각할 수 있다. 하지만 실제로 많은 면에서 다르다. 하드디스크나 플로피디스크는 디스크 표면에 자성물질이 발라져 있어서 자기 헤드를 사용해서 자기장을 형성하고, 자기장의 방향에 따라 0과 1의 디지털 정보가 기록된다. 반면 CD/CD-ROM은 디스크의 표면에 파인 홈에 레이저빔이 쏘아 졌을 때의 반사 굴절효과를 이용하여 디지털 정보를 기록한다. 즉 CD-ROM 드라이브(CD 플레이어)는 레이저빔을 이용하는 광학기기인 셈이다.

   CD/CD-ROM과 하드디스크는 그 위에 파일을 기록하는 방식에 있어서도 다른 모습을 가지고 있다. 하드디스크는 여러 개의 트랙이 있고 각각의 트랙은 일정한 수의 섹터를 갖고 있다. 여기서 모든 섹터의 길이가 같지 않고 디스크의 가운데로 들어가면서 점차 섹터의 길이가 짧아진다. 그것은 섹터의 크기를 중심부터의 각도로 구별하기 때문이다. 하지만 CD/CD-ROM 상에는 단지 하나의 트랙이 존재할 뿐이다. 이 트랙은 바깥쪽부터 뱀이 또아리를 틀고 있는 듯 나선형을 그리면서 중심을 향해 돌아간다. 그리고 그 위에 모든 섹터가 차례로 정렬되어 있다. 따라서 각 섹터의 길이는 일정하며, 한 섹터의 크기는 CD/CD-ROM의 종류에 따라 2048바이트 또는 2352바이트의 크기를 갖는다.

   섹터의 내용중 Sync 정보는 CD-ROM 드라이브(CD 플레이어)에게 한 섹터가 시작됨을 알리기 위해 있는 것이고, 헤더와 서브헤더는 섹터에 대한 정보를, 그리고 ECC(Error Correction Code)는 에러검출용 데이터이다. 이런 식으로 구성되는 CD/CD-ROM의 총용량은 디스크의 종류에 따라서 혹은 저장방식이나 계산 방법에 따라 달라지는데 대략 533MB~783MB까지의 크기를 가진다.

   한편 필립스와 소니가 옐로우북(Yellow Book)이라는 이름으로 CD-ROM 규격집을 내놓았는데, 이것은 기존의 오디오 CD와 달리 에러를 감지하고 정정하는 방법에 대한 것이었다. 여기에는 파일단위의 데이터를 다루는 방법에 대해서는 언급이 없었다. 그래서 여러 회사들이 나름대로 방법을 정해서 시행하기도 했고, 이의 규격을 제정하기 위해 몇몇 회사들은 연구 그룹을 만들기도 했다. 그들 연구 그룹가운데 하이 시에라(High Sierra)라는 그룹이 있었는데, 여기서 CD-ROM에 있는 데이터가 파일 체계를 갖게끔 해 주는 구조에 대한 연구를 했다. 그래서 만들어진 규격이 하이 시에라이다. 한편 이 규격은 다시 세계적인 규격으로 공인을 받게 되는데, 이때는 약간의 개선이 이루어 졌고 ISO 9660이라는 정식이름으로 재등장했다. 오늘날 CD/CD-ROM 매체의 모두 이 ISO 9660 구조를 따르고 있다.

단면구조

CD의 단면

CD롬은 기판과 반사층(은색의 알루미늄), 이들을 보호해주는 보호층, 타이틀의 제목이나 회사의 로고 등을 쓰는 인쇄층으로 구성된다.

1. 투명기판
재료는 폴리카보네이트(Polycabonate)이고, 내구성과 투명도가 높다

2. 반사층
알루미늄을 많이 쓰고 구리와 금도 이용한다. 레이져 빔을 반사해 내는 부분이다.

3. 보호층
반사층이 산화되거나 흠집이 생기지 않도록 막아준다. 재료는 투명 레커(lacquer)를 쓰고 자외선으로 말린다.

4. 인쇄층
CD의 제목이나 회사의 로고 등을 찍는다. 주로 실크 스크린(Silk screen)인쇄 기법을 이용한다. 보호층과 마찬가지로 자외선으로 건조시킨다.

구조

CD의 구조

1. 중앙홀(Cernter hole)
디스크를 잡고 돌려주기 위한 구멍으로서 지름은 15mm이다.

2. 시작 영역(Lead in area)
CD의 시작을 알리는 곳으로서 노래의 어드레스, 각 곡의 시간(TOC, Table of contents:목록) 등의 정보가 담겨있다. 노래를 고를때 이용할 뿐 아니라 전체 노래 수와 연주시간 등을 기록한다. 책의 목차에 해당하는 부분이다. 지름은 46~50mm이다.

3. 프로그램 영역(Program area)
음악과 신호와 데이터 등을 담고 있는 곳이다. 지름은 50~116mm이다.

4. 끝내기 영역(Lead out area)

프로그램의 끝을 나태내는 부분이다. 프로그램 영역의 마지막위치에서 바깥쪽으로 0.5mm까지를 말한다.


공 CD는 투명하지만 강한 레이저빔을 받아 타면 색이 변해 불투명해지는 염료를 CD 속에 채워놓고, 이것을 CD롬 레이저빔으로 비추면 투명한 곳은 랜드, 타서 불투명해진 곳은 피트로 읽히게 된다는 점을 이용한 것이다.

CD의 랜드와 피트

CD에 저장된 데이터를 읽기 위해 CD-ROM Drive는 레이저 빔을 쏴서 반사층의 표면에서 튕겨져 나온 레이저 빔을 렌즈를 통해 포토 디렉터(단방향 반사거울)를 통해 빛이 지나온 길이의 장단, 웨이브 길이를 측정한다. 랜드에서는 레이저 빛이 흩어짐 없어 거의 그대로 반사되지만, 피트에서는 레이저 빛이 확산된다.

이러한 차이는 피트로부터 나온 빛이 랜드로부터 나온 빛을 없애버리게 되며, 읽기 메카니즘은 이를 1로 해석한다. 변이가 없는 것은 0으로 받아들여진다. 다시말해서, 랜드에서 피트, 피트에서 랜드로 변화되는 부분은 1로 해석되고, 랜드나 피트를 읽는 부분은 0으로 해석된다. 그러므로 랜드나 피트가 짧으면 읽는 시간도 짧아지고 0의 숫자도 적어진다.

랜드와 피트는 최소한 3비트(또는 90nm), 최대 11비트(또는 3300nm)로 구성되어 진다. 그 이유는, 데이터의 각 비트들은 나선형 트랙상에서 약 300nm의 길이가 필요하기 때문이다.

왜냐하면 피트와 랜드가 바로 인접해서 존재한다면, 피트-랜드-피트-랜드-피트와 같은 연속성을 가지

게 되고 이는 11111로 표현되어야 하기 때문에 레이저 빔으로 이를 충분히 읽어들이지 못하기 때문이다. 따라서 3개의 랜드사이에는 항상 2개의 피트가 존재토록 해야하며, 이는 2개의 1사이에 최소한 2개의 0이 존재한다는 것을 의미한다. 반면에, 피트와 랜드의 연속이 너무 길어서도 안되며, 반드시 최대 길이를 지켜야 한다. 따라서, 두 개의 1사이에는 두 개 이상, 열 개 이하의 0이 존재하게 된다.

랜드 부분에 레이저 빛이 쏘일때
 

피트 부분에 레이저 빛이 쏘일때

그러나 1byte 내에서는 1과 0의 조합에서 3bit 최소라는 것이 어긋날 수도 있고 복수개의 바이트내에서는 11비트라는 최대수를 넘어설 수 있다. 따라서 CD-ROM에는 데이터 저장에 사용되어 지는 8bit 포맷의 형태로 데이터가 기록되어질 수 없다. 이 문제를 해결하가 위해서 CD-ROM은 8bit 데이터를 체널 비트라는 14bit 패턴으로 변환한다. 이러한 과정을 8-to-14변환 (EFM: Eight-to-Fourteen Modulation)이라 부른다.

CD-ROM 내의 디토더는 EFM 변환 테이블을 이용해서 8비트 데이터를 14bit 형태로 변환시킨다. 하지만 14비트 바이트라 할지라도 마지막에서 일어나는 연속적인 1은 막을 수 없는데, 이는 하나가 1로 끝나고 다른 하나가 1로 시작하는 경우를 말한다. 이러한 문제를 피하기 위해 3개의 머징(merging) 비트들이 바이트들 사이에 놓여지게 된다. 이래서 컴퓨터에서 일반적으로 사용되는 8비트 바이트들이 CD-ROM에서는 17채널 비트를 필요로 하게 된다.


[그림] EFM coding


EFM Coding
channel bits
data bits
0
01 001 000 100 000
0000 0000
1
10 000 100 000 000
0000 0001
2
10 010 000 100 000
0000 0010
3
10 001 000 100 000
0000 0011
4
01 000 100 000 000
0000 0100
5
00 000 100 010 000
0000 0101
6
00 010 000 100 000
0000 0110
7
00 100 100 000 000
0000 0111
8
01 001 001 000 000
0000 1000
9
10 000 001 000 000
0000 1001
10
10 010 001 000 000
0000 1010
11
....
....

[표] EFM 변환 테이블


월간 마이크로 소프트웨어 1995년 7월호
월간 PC사랑 1998년 7월호
멀티미디어 이론과 활용, 유영동 著, 尙潮社, 1999. 발췌

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