Iniciantes: Entendendo o CD-ROM

Publicado em 08/01/2010 – 13:52
por Carlos Morimoto

Durante a segunda metade da década de 70, a Philips e a Sony trabalharam no desenvolvimento de uma mídia óptica capaz de substituir os antigos discos de vinil. A cooperação entre as duas empresas deu origem ao CD, que embora tenha se popularizado apenas na década de 90, chegou ao mercado bem antes, em 1982. A tecnologia do CD evoluiu ao longo das décadas, dando origem ao DVD e ao Blu-ray, que usamos atualmente.

Originalmente, os CDs eram destinados a armazenar apenas áudio, com uma taxa de amostragem de 44.1 kHz e 16 bits de resolução, mas não demorou até que o padrão fosse adaptado para o armazenamento de dados. Os CDs de áudio passaram a ser chamados de "CD-DA" (Compact Disk Digital Audio) e os CDs de dados de "CD-ROM" (Compact Disk Read Only Memory).

Tanto os CDs de áudio quanto os CDs de dados são mídias digitais; a grande diferença é a forma como os dados são gravados. A capacidade total de um CD de 74 minutos é de 742 MB, que são organizados em setores de 2352 bytes cada um. Cada setor inclui uma área adicional de 98 bits (o subcanal Q) que inclui sinais de sincronismo, informações sobre a faixa e 16 bits de ECC, que oferecem um sistema rudimentar de correção de erros.

Nos CDs de dados são reservados 288 bytes adicionais para os códigos ECC e 16 bytes para sincronismo e endereçamento. Este uso massivo do ECC resulta em uma mídia muito mais confiável, onde os dados podem ser lidos mesmo depois de muitos arranhões. Por outro lado, mais espaço reservado ao ECC corresponde a menos espaço para os dados, o que faz com que a capacidade total do CD-ROM seja de apenas 650 MB.

Dentro do CD, os dados são armazenados na forma de sulcos, que contrastam com a superfície lisa e reflexiva do disco. Durante a leitura, os sulcos dissipam o laser do leitor, enquanto o restante da superfície o reflete, permitindo que o leitor diferencie os bits "1" dos bits "0" com base na intensidade da reflexão:

Diferente do que temos nos HDs (onde são usadas trilhas concêntricas) no CD os dados são armazenados na forma de uma espiral contínua, como em um disco de vinil. Esta espiral engloba todo o disco dando cerca de 20.000 voltas e tendo um comprimento total de quase 5 quilômetros em um CD de 74 minutos.

O disco é lido a partir do centro, o que possibilitou o surgimento dos mini-CDs (185 MB), CDs em formato de cartão (50 MB) e também dos CDs com formatos especiais, com capacidades variadas. Temos também os CDs de 80 minutos (700 MB) onde o espaçamento entre as voltas da espiral é sutilmente reduzido para acomodar mais dados.

O baixo custo de produção, combinado com a grande capacidade de armazenamento (para a época) fizeram com que os CD-ROMs se tornassem rapidamente a mídia mais usada para distribuição de softwares, antes que a popularização das conexões de banda larga possibilitassem o download de grandes arquivos. Mesmo hoje em dia, os CDs ainda são bastante populares como uma forma de transportar dados já que as mídias são baratas praticamente qualquer PC possui um drive óptico.

Considerando o impacto que o CD e os sucessores tiveram, o funcionamento básico é bastante simples, baseado na reflexão da luz. Dentro do drive, o CD gira a uma grande velocidade e a cabeça de leitura se desloca dentro do drive para atingir toda a superfície do disco. Embora inclua apenas uma lente, a cabeça de leitura é composta por dois componentes independentes: o laser de leitura e um sensor, que capta a luz refletida pelo disco, possibilitando a leitura.

Os CDs prensados são compostos por três camadas. A base é um disco de policarbonato (um polímero resistente) que contém os sulcos gravados. Para possibilitar a leitura, é adicionada uma fina camada de alumínio, que atua como um espelho, refletindo o laser. Ela é recoberta por uma camada de laquê, que sela o disco, evitando oxidação.

A camada de laquê (a única proteção nas mídias lisas) é bastante fina e frágil, o que faz com que o CD seja muito vulnerável a riscos na parte superior. Pequenos danos criam também pontos de oxidação ou bolhas, que com o tempo se espalham inutilizando a mídia. Para tornar as mídias mais resistentes, a maioria dos fabricantes adotam o uso de camadas de proteção adicionais (como as usadas nas mídias foscas) ou rótulos impressos.

Um dos grandes motivos do sucesso do CD é o baixo custo de produção das mídias, o que permite que elas sejam distribuídas em massa em revistas ou até mesmo de graça, como na época dos infames CDs da AOL.
Tudo começa com a criação de um disco mestre, feito de vidro. Ele é gravado usando um laser de alta potência, que vaporiza pontos da camada superficial, criando uma imagem positiva do CD final, com todos os sulcos. Este disco de vidro é usado para produzir uma série de moldes metálicos, que são prensados contra o original, produzindo imagens negativas do disco.

Estes moldes de metal são usados para produzir os discos finais, através de um processo simples de prensa, onde grânulos de policarbonato são forçados sobre o disco de metal dentro de uma câmara aquecida, criando o disco plástico com os sulcos. Depois de solidificado, ele recebe a camada reflexiva, a camada de laquê e a estampa. As prensas atuais são capazes de gravar um disco a cada 3 segundos, o que torna o custo unitário bastante baixo.

Os dois grandes problemas com os CDs prensados é que eles não são regraváveis (já que seria impossível realocar os sulcos do disco) e que eles são viáveis apenas em grande quantidade, o que levou ao surgimento do CD-R (CD gravável) e do CD-RW (CD regravável), que eliminaram o estigma de mídia somente-leitura.

Os CD-R e CD-RW utilizam uma estrutura um pouco diferente da dos CDs prensados, com o uso de uma camada de gravação entre o disco e a camada reflexiva. Esta fina camada é baseada em compostos orgânicos sensíveis ao calor, que têm sua composição química alterada devido ao calor gerado pelo laser do gravador, que utiliza uma potência bem maior que durante a leitura. 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. É por isso que usamos a expressão "queimar CDs" em relação à gravação:

A cor da mídia varia de acordo com o composto usado na camada de gravação (as mídias douradas usam o Phthalocyanine enquanto as azuis usam o Cyanine, por exemplo). Na época em que os CD-R foram introduzidos, muito se discutia sobre a diferenças na taxa de reflexão e durabilidade das diferentes cores de mídia, mas com a evolução dos materiais isso deixou de ser um fator significativo.

Nos CD-RW a camada de gravação é composta por uma liga contendo telúrio, antimônio, prata e outros metais. Diferente dos compostos orgânicos usados nos CD-R, estas ligas são capazes de alternar entre dois estados (opaco e cristalino), de acordo com a temperatura em que são fundidas.

Durante a gravação, o drive usa um laser infravermelho mais forte, que aquece a camada de gravação a uma temperatura de 400 graus. O rápido aquecimento faz com que os pontos marcados se tornem opacos, assumindo o papel dos sulcos que dissipam o laser de leitura.

Os CD-RW trabalham com um índice de refração luminosa muito mais baixa que a dos CD-R, por isso muitos leitores antigos possuem dificuldade em lê-los. Com exceção disso, eles se comportam da mesma forma que CDs gravados, conservando os dados por muitos anos.

A grande diferença é que os dados podem ser apagados posteriormente, reaproveitando a mídia. Nesse caso, o gravador usa um laser com uma potência mais baixa, realizando um processo mais lento de aquecimento e resfriamento que retorna a liga a seu estado cristalino original, deixando a mídia pronta para uma nova gravação. A opção de apagar o disco está disponível em qualquer programa de gravação. No K3B, por exemplo, ela é acionada através do "Ferramentas > Apagar CD-RW".

Além opção de apagar todo o disco a cada gravação, existe a opção de fazer uma gravação multisessão, ou de usar um sistema de packet writing para gravar novos arquivos conforme necessário, de forma mais parecida com o que faria em um pendrive ou cartão de memória.

A gravação multisessão é o sistema mais tradicional, que permite manter o CD "aberto", gravando os dados a prestação até que a capacidade da mídia se esgote. A gravação em multisessão pode ser feita em qualquer tipo de mídia (tanto CD-R quanto CD-RW) mas a maior incidência de problemas de leitura e perda de dados fizeram com que ela nunca fosse muito popular.

A segunda tecnologia é o packet writing, que permite acessar a mídia de forma muito similar a um drive de disco, gravando e apagando arquivos conforme desejado. Embora tenha surgido como uma função do DirectCD, o packet writing é baseado no sistema de arquivos UDF, um formato aberto, que é suportado por outros utilitários (como o InCD) e também no Linux. Ele pode ser usado em qualquer mídia óptica, incluindo CDs, DVDs e até mesmo em mídias Blu-ray.

Outro truque conhecido é o oversize, que permite usar a área de terminação do CD (lead out) para armazenar dados, o que permite esticar a capacidade das mídias em alguns megabytes. O oversize é atualmente suportado por quase todos os programas de gravação (procure pela opção na janela com as opções de gravação) e pode ser útil quando você precisa gravar arquivos um pouco maiores que a capacidade do CD (como no caso de muitos arquivos de vídeo, que teimam em ter 701 MB em vez de 700) e não quer ter que usar duas mídias.