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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK CDs: Technologien und Standards. Vergleichsdaten
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Referenzmaterialien Wenn man regelmäßig die Computerpresse liest, mit Leuten kommuniziert, die mit Computern zu tun haben, und sich für die Werbung für letztere in Printmedien und im Fernsehen interessiert, fällt es nicht schwer, die riesigen Fortschritte zu bemerken, mit denen sich dieser Technologiezweig entwickelt. Immer fortschrittlichere Prozessoren, hochwertige Monitore, Drucker und oft grundlegend neue Produkte beflügeln die Fantasie. Viele der Fähigkeiten der Computertechnologie basieren auf ihren Peripheriegeräten. Dieser Artikel beschreibt eine der Arten von Peripheriegeräten – Geräte zur Langzeitspeicherung von Informationen auf optischen CDs. Im Laufe der relativ kurzen Geschichte der Informatik haben sich viele Arten von Medien verändert, auf denen Informationen unbegrenzt gespeichert werden können: Lochkarten und Lochbänder aus Papier, Magnetbänder, Trommeln, flexible Festplatten und Festplatten unterschiedlicher Größe und Kapazität und schließlich Magneto- optische und optische Platten. Hersteller von Hightech-Zubehör für Computer haben heute wahrscheinlich viele vielversprechende Ideen auf diesem Gebiet, doch derzeit erfreuen sich magnetooptische und optische Datenträger zunehmender Beliebtheit. In diesem Artikel werden wir nur über optische Datenträger sprechen, die schon vor langer Zeit auf den Markt kamen, aber ständig verbessert werden und sich immer größerer Beliebtheit erfreuen. Der gebräuchlichere Name für optische Datenträger ist „Compact Disc“ oder CD-ROM (kurz CD). Eine CD kann eine große Menge an Informationen auf einem kleinen physischen Datenträger speichern. Von nicht geringer Bedeutung ist die Fähigkeit, aufgezeichnete Daten wiederholt zu lesen, ohne dass das Medium verschleißt, was mit dem Fehlen jeglichen mechanischen Kontakts des Lesegeräts mit der informationstragenden Oberfläche verbunden ist. Hinzu kommen die relativ geringen Kosten der Festplatten selbst und der für die Arbeit mit ihnen erforderlichen Geräte. Diese Vorteile ziehen jeden an, der große Datenmengen mit minimalem Verlustrisiko speichern muss. Und davon gibt es immer mehr. Wo es Computer gibt, gibt es zwangsläufig leistungsstarke Programme, Archive und Datenbanken, in digitale Form umgewandelte Bilder und Töne. All dies lässt sich bequem auf einer CD speichern. KONSTRUKTIONS- UND BETRIEBSGRUNDSÄTZE Eine moderne CD ist eine Kunststoffscheibe mit einem Durchmesser von etwa 120 mm und einer Dicke von etwa 1 mm, die in der Mitte ein Loch mit einem Durchmesser von 15 mm aufweist. Um das Loch herum befindet sich ein etwa 10 mm breiter Bereich zum Einklemmen der Spindel, die die Scheibe dreht. Eine Seite der CD ist meist schön gestaltet und enthält kurze Informationen zum Inhalt der Aufnahmen. Der andere glitzert und schimmert in allen Farben des Regenbogens. Sie verfügt über einen weiteren optisch erkennbaren Ring um den Klemmbereich, auf dem eine Seriennummer in Form eines Barcodes oder eines anderen Codes eingestanzt ist, der oft nur für den Hersteller der Disc verständlich ist. Als nächstes folgt der Datenbereich, der bei Betrachtung im reflektierten Licht den Regenbogeneffekt erzeugt. Am äußeren Rand der CD befindet sich ein transparenter Schutzring geringer Breite [1]. Die gängigsten CDs haben die in Abb. dargestellte Struktur. 1. Eine dünne reflektierende Schicht 1 aus Aluminium wird auf eine Unterlage 2 aus Acrylkunststoff aufgetragen. Das Metall ist mit einer transparenten Schutzfolie aus Polycarbonat bedeckt 3. Die Daten werden von einem Laserstrahl 4 gelesen. Der übliche CD-Herstellungsprozess besteht aus mehreren Schritten: Vorbereiten der Daten für die Aufnahme, Erstellen einer Master-Disc (Original) und Matrizen (Negative der Master-Disc), CD-Replikation.
Mit einem Laserstrahl werden Informationen auf die glatte Oberfläche einer Aluminium-Masterplatte aufgetragen, die durch Veränderung der Struktur des Metalls (also Ausbrennen) mikroskopisch kleine Vertiefungen darauf erzeugt. Der Wechsel von unterschiedlich reflektierenden Vertiefungen und flachen Flächen stellt die Daten in der für Computer bekannten Binärform dar. Beachten Sie, dass die Abmessungen der durch den Laserstrahl erzeugten Hohlräume sehr klein sind – mehrere Dutzend davon passen auf ein Segment, dessen Länge die Dicke eines menschlichen Haares nicht überschreitet [2]. Was folgt, erinnert an die Herstellung gewöhnlicher Schallplatten. Negativkopien der Master-Disc dienen als Matrizen zum Einprägen informationstragender Vertiefungen auf der Oberfläche der CD selbst, die noch mit Aluminium beschichtet, mit einer Schutzschicht versehen und mit den notwendigen Beschriftungen versehen werden müssen. Es ist erwähnenswert, dass es andere CD-Produktionstechnologien gibt, einschließlich wiederbeschreibbarer und wiederbeschreibbarer CDs, von denen einige im Folgenden erläutert werden. LESEN VON INFORMATIONEN Unter der CD, die mit der glänzenden Seite nach unten in das Laufwerk eingelegt und in einer rotierenden Spindel befestigt wird, bewegt sich das Lesegerät mithilfe eines Servomotors entlang eines Radius (Abb. 2). Es besteht aus einem Halbleiterlaser 1, einem Strahlteilerprisma 2 mit einer Linse 3, die den Strahl auf die Oberfläche der Scheibe 4 fokussiert, und einem Fotodetektor 5. Die Linse ist mit Antrieben zur Feinabstimmung der Strahlposition ausgestattet die Informationsspur. Es ist klar, dass zum Lesen ein Laser mit viel geringerer Leistung verwendet wird als der, der zum Einbrennen von Vertiefungen auf der Oberfläche der Masterplatte verwendet wird [3].
Das Prisma lenkt den von der Aluminiumoberfläche reflektierten Strahl auf den Fotodetektor. Wenn es von einer glänzenden Insel zwischen den Vertiefungen reflektiert wird, entsteht im Fotodetektorkreis ein elektrischer Strom, dessen Vorhandensein als logische 1 interpretiert wird. Der in die Vertiefung eintretende Strahl wird größtenteils gestreut, wodurch die Beleuchtung des Fotodetektors beeinträchtigt wird und der von ihm erzeugte Strom sinken – es wird eine logische 0 aufgezeichnet. Die empfindliche Oberfläche des Fotodetektors ist in vier Sektoren unterteilt. Dadurch kann der Mikroprozessor, der den Antrieb steuert, feststellen, ob der Strahl richtig positioniert ist. Weicht der Strahl von der gewünschten Position ab (was in der Regel auf Fehler bei der Herstellung der CD und des Laufwerks zurückzuführen ist), verschiebt sich auch der von ihm erzeugte Fleck auf der Oberfläche des Fotodetektors, was zur Folge hat seine Sektoren werden ungleichmäßig beleuchtet. Durch den Vergleich der von jedem Element des Empfängers erzeugten Ströme generiert der Mikroprozessor Befehle, die die Position der Linse und damit des Strahls auf der Oberfläche der reflektierenden Schicht korrigieren. DATENSTRUKTUREN Wie bereits erwähnt, werden Daten auf einer CD als Folge von Kerben und Intervallen dazwischen aufgezeichnet, die eine physische Informationsspur bilden. Genau eine, im Gegensatz zur üblichen Methode der Aufzeichnung auf Magnetplatten. Diese einzelne Spur ist eine Spirale, die in der Mitte der Scheibe beginnt und sich zum Rand hin ausdehnt. In dieser Hinsicht erinnert eine CD ein wenig an eine herkömmliche Schallplatte, unterscheidet sich jedoch durch die Richtung der Spirale und die berührungslose Art der Datenauslesung. Die Spur beginnt mit einem Servicebereich, der für die Synchronisierung des Laufwerks erforderlich ist: Der Leser muss „wissen“, wann er mit der Ankunft der einzelnen geschriebenen Informationsbits rechnen muss. Eine physische Spur kann in mehrere logische unterteilt werden. Der kontinuierliche Bitstrom, der von einer CD gelesen wird, wird in Acht-Bit-Bytes unterteilt und logisch in Sektoren zusammengefasst. Jeder Sektor besteht aus 12 Bytes Synchronisation, vier Bytes eines Headers, der die Sektornummer und Informationen über die Art des darin enthaltenen Datensatzes enthält, 2048 Bytes des Hauptdatenbereichs und 288 Bytes zusätzlicher Informationen. Es werden verschiedene Arten von Sektoren verwendet. Der erste davon ist nur für die digitale Audioaufnahme gedacht. Der zweite ist der wichtigste für alle CDs. Sein Header wird durch den zusätzlichen Informationsbereich auf 12 Byte erweitert. Der verbleibende Teil dieses Bereichs wird von einem Code zur Erkennung von Datenlesefehlern (vier Bytes) und zwei Codes, die deren Korrektur ermöglichen, eingenommen: P-Parität (172 Bytes) und Q-Parität (104 Bytes). In Sektoren des dritten Typs wird dem Benutzer ein Bereich mit zusätzlichen Informationen zur Verfügung gestellt. Jeder von ihnen kann also bis zu 2336 Bytes an Daten enthalten, jedoch ohne die Möglichkeit, die Richtigkeit des Lesens und die Fehlerkorrektur zu kontrollieren. Jede logische Spur besteht aus Sektoren nur eines Typs [4]. Die ersten Sektoren einer CD enthalten ihren Inhalt (Volume Table of Contents, VTOC) – so etwas wie eine Dateizuordnungstabelle (FAT) auf Magnetplatten. Generell ähnelt das grundlegende CD-Format nach HSG-Standard (siehe unten) in vielerlei Hinsicht dem Format einer Diskette, auf deren Nullspur nicht nur deren Hauptparameter (Anzahl der Spuren, Sektoren etc.) angegeben sind .), sondern auch Informationen über die Platzierung von Daten (Verzeichnissen und Dateien) gespeichert. Der Systembereich enthält Verzeichnisse mit Zeigern oder Adressen von Bereichen, in denen Daten gespeichert sind. Ein wesentlicher Unterschied zu einer Diskette besteht darin, dass das Stammverzeichnis einer CD direkte Adressen von Dateien enthält, die sich in Unterverzeichnissen befinden, was deren Suche erheblich erleichtert. Die klassische „einzelne“ Datenlesegeschwindigkeit, mit der heute nur Audio-Disc-Player arbeiten, beträgt 175 KB/s oder etwa 75 Sektoren pro Sekunde. Jede logische Spur mit 300 Sektoren wird in dieser Geschwindigkeit in 4 s abgespielt. Die gesamte CD enthält, wenn sie nur aus Sektoren vom Typ 663,5 besteht, XNUMX MB Daten. Computer verwenden CD-Laufwerke, die durch eine Erhöhung der Spindeldrehzahl und entsprechend veränderter Reihe anderer technischer Eigenschaften eine wesentlich schnellere Datenlesegeschwindigkeit ermöglichen. Antriebe mit acht- und zwölffacher Geschwindigkeitserhöhung sind heute üblich. Es gibt aber auch solche, bei denen es 12- und sogar 16-mal größer ist als „einfach“. CD-STANDARDS Optische Musik-CDs ersetzten 1982 mechanisch aufgenommene Vinyl-CDs, fast zeitgleich mit der Einführung der ersten IBM-Personalcomputer. Dies war das Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen zwei Giganten der Elektronikindustrie – dem japanischen Unternehmen Sony und dem niederländischen Philips. Die Geschichte der Wahl der CD-Kapazität ist interessant. Akio Morita, CEO von Sony, entschied, dass neue Produkte den Anforderungen klassischer Musikliebhaber gerecht werden sollten. Nach einer Umfrage stellte sich heraus, dass das beliebteste klassische Werk Japans, Beethovens neunte Symphonie, etwa 73 Minuten dauert. Hätten die Japaner Haydns kurze Symphonien oder Wagners Opern, die komplett an zwei Abenden aufgeführt wurden, mehr gemocht, hätte die Entwicklung der CD offenbar einen anderen Weg einschlagen können. Aber die Tatsache bleibt eine Tatsache. Es wurde beschlossen, dass die CD 74 Minuten und 33 Sekunden lang sein sollte. So entstand der als „Rotes Buch“ bekannte Standard. Nicht alle Musikliebhaber waren mit der gewählten Spieldauer zufrieden, im Vergleich zu den 45 Minuten kurzlebiger Schallplatten war dies jedoch ein deutlicher Fortschritt. Bei der Umrechnung von 74 Minuten Musik in Informationskapazität ergab sich eine Größe von ca. 640 MB [2]. Die beiden oben genannten Unternehmen waren auch maßgeblich an der Entwicklung des ersten digitalen CD-Standards, dem sogenannten „Yellow Book“, beteiligt. Auf dieser Basis erstellte Discs, die neben Audiodaten auch Text- und Grafikdaten speichern können, wurden CD-DA (CD-Digital Audio) genannt. Der CD-DA-Header enthält Informationen, anhand derer Sie die Art der aufgezeichneten Daten bestimmen können. Der Standard regelte jedoch nicht die logischen und Dateiaufzeichnungsformate. Ihre Wahl wurde vollständig den produzierenden Unternehmen anvertraut. Dies führte dazu, dass eine CD, die den Anforderungen des Yellow Book entsprach, oft nur von dem Gerät des Modells gelesen werden konnte, für das sie bestimmt war. Diese Situation, insbesondere im Zusammenhang mit dem großen kommerziellen Erfolg der CD, konnte natürlich niemanden zufriedenstellen. Im gemeinsamen Interesse müsse dringend ein Kompromiss gefunden werden. Der zweite De-facto-Standard für digitale CDs war HSG oder einfach High Sierra. Beachten wir ein interessantes Detail: Es ist nach einem Hotel und Casino in einer der Städte Kaliforniens benannt, wo sich die wichtigsten CD-Hersteller trafen, um ihre Probleme zu besprechen. Dieses Dokument hatte beratenden Charakter und wurde vorgeschlagen, um zumindest eine gewisse Kompatibilität sicherzustellen. Es definierte sowohl logische als auch CD-Dateiformate. Leider konnte für ein Buch mit HSG-Standard nie eine passende Farbe gefunden werden. Es erwies sich jedoch als so attraktiv, dass die wesentlichen Bestimmungen der etwas später verabschiedeten internationalen Norm ISO 9660 mit HSG übereinstimmten. ISO 9660 beschreibt das CD-ROM-Dateisystem. Nach dem First-Level-Standard ähnelt es einem ähnlichen MS-DOS-System: Dateinamen können bis zu acht Zeichen enthalten und haben eine Erweiterung von drei durch einen Punkt getrennten Zeichen. Sonderzeichen sind in Namen verboten (z. B. „~“, „-“, „=“, „+“), es werden nur lateinische Großbuchstaben, Zahlen und Unterstriche verwendet. Jede Datei ist mit einer Versionsnummer versehen, die durch das „;“-Symbol von der Erweiterung getrennt ist. Verzeichnisnamen dürfen keine Erweiterungen haben. Die Verschachtelung von bis zu acht Verzeichnissen ist zulässig. Der ISO 9660 Level 32-Standard erlaubt Dateinamen mit bis zu XNUMX Zeichen, vorbehaltlich der oben beschriebenen Einschränkungen. Nach diesem Standard erstellte CDs sind für die Verwendung in einer Reihe von Betriebssystemen, einschließlich MS DOS, ungeeignet. Bevor wir mit den CD-Standards fortfahren, werfen wir einen Blick auf das Konzept einer Aufnahmesitzung. Die meisten CDs werden als Single Session klassifiziert, da alle Daten in einem technologischen Zyklus oder einer Aufnahmesitzung auf ihnen aufgezeichnet werden. Nachdem jedoch geeignete Technologien und spezielle Datenträger entwickelt wurden, wurde es möglich, zusätzliche Aufzeichnungssitzungen durchzuführen und neue Datenabschnitte zu den vorhandenen hinzuzufügen. Zu den Multisession-CDs gehören die CD-Formate PhotoCD und CD-ROM XA (Extended Architecture). Die PhotoCD-Technologie wurde von Eastman Kodak als Mittel zum Erstellen und Betrachten digitaler Fotos vorgeschlagen. Bilder von beliebigen 35-mm-Dias und Negativen können einzeln digital auf einer speziellen Disc aufgezeichnet werden. Um die Informationen vollständig lesen zu können, benötigen Sie jedoch ein PhotoCD-kompatibles Laufwerk. Ein normaler HSG- oder ISO 9660-konformer Benutzer kann nur die Aufzeichnung lesen, die in der ersten Sitzung erstellt wurde, da das VTOC am Anfang der Informationsspur nur Informationen darüber enthält. Der CD-ROM-XA-Standard ist mit High Sierra und ISO 9660 kompatibel. Er enthält jedoch viel mehr Funktionen. Erstens ermöglicht es die Aufzeichnung mehrerer Sitzungen. Zweitens können Sie Grafik-, Text- und Tondaten auf derselben Festplatte speichern, und Grafiken können sowohl Standbilder und Animationen als auch bewegte Filme umfassen. Das Hauptmerkmal der CD-ROM XA ist die sogenannte Verschachtelung heterogener Informationsblöcke. Beispielsweise kann auf den ersten Videorahmen der Ton folgen, danach folgt der nächste Rahmen usw. Dies fördert die synchrone Wiedergabe von Ton und Bild und reduziert die erforderliche Lautstärke des Zwischenpuffers im Vergleich zu der bei der üblichen Anordnung erforderlichen Menge erheblich von Daten auf der Festplatte. Ein weiteres Merkmal des XA-Standards ist die Komprimierung von Audiodaten, die es ermöglicht, Audioinformationen von mehreren Stunden (statt der üblichen 74 Minuten) auf einer Disc aufzuzeichnen. Obwohl Komprimierungsalgorithmen für eine Vielzahl von Daten in vielen Bereichen der Datenverarbeitung aktiv eingesetzt werden, wird dieser Vorteil von CD-ROM XA noch nicht weit verbreitet genutzt. Ein weiterer Versuch von Sony und Philips, nicht nur logische Formate und Dateiformate, sondern auch den Inhalt der Dateien selbst auf digitalen CDs umfassend zu regulieren, führte zu einem Standard, der als „Green Book“ bekannt ist. Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine erweiterte Version des CD-ROM-XA-Standards. Green-Book-kompatible Laufwerke können CD-DA, CD-ROM, CD-ROM XA, CD-I und Kodak PhotoCD lesen [2]. Das hier erstmals erwähnte CD-I-Format (Interactive) verdient eine Beschreibung. Echtzeit-Audio- und Videogeräte mit erweiterten Text- und Grafikverarbeitungsfunktionen gelten als Quellen interaktiver Informationen für CD-I. Es wird erwartet, dass Computerprogramme in großem Umfang zur Verarbeitung aller Arten von Daten eingesetzt werden. In Bezug auf Informations- und Systemaufgaben im CD-I-Format werden mögliche Datentypen und Methoden zu deren Kodierung sowie die Organisation der notwendigen Mittel zur Unterstützung von Plattensystemen festgelegt. Aus technischer Sicht basiert das CD-I-Format auf der CD-ROM-Technologie, für den Verbraucher ist es jedoch nahe an CD-DA. Auf einer Disc können Sie Titel von CD-DA- und CD-I-Aufnahmen kombinieren und CD-DA-Dekodierungsgeräte in CD-I-Systemen verwenden. CDs im CD-I-Format werden am häufigsten in den Bereichen Bildung (Fernunterricht und Selbststudium mithilfe von Nachschlagewerken, Alben, „sprechenden“ Büchern), Unterhaltung (Musik mit Text, Notizen, Bildern, Spielen) und Freizeitaktivitäten (Zeichnen) verwendet und Zeichnen, Erstellen von Filmen, Echtzeitanimationen, Schreiben von Gedichten), Tourismus (Karten, Navigationsgeräte, Informationen über Sehenswürdigkeiten), Krankheitsdiagnose und viele andere. Der aktuell gültige CD-Standard ist im Orange Book enthalten. Im ersten Teil sprechen wir über magnetooptische Speichergeräte (CD-MO), die das Löschen und Neuschreiben von Informationen ermöglichen. Der zweite Teil ist den Laufwerken vom Typ WORM (Write Once Read Many) und CD-R (Recordable) gewidmet. Daten können nur zu diesen Geräten hinzugefügt werden. Es ist nicht möglich, eine bestehende Aufnahme zu löschen. Fast alle derzeit verkauften CD-Laufwerke erfüllen die Anforderungen des zweiten Teils des „Orange Book“ – sie können CDs aller beschriebenen Formate lesen, auch beschreibbare. Die besprochenen Standards gelten für CDs, die für die Verwendung auf IBM-kompatiblen Personalcomputern geeignet sind. Natürlich gibt es Formate, die für andere Systeme entwickelt wurden, zum Beispiel Macintosh HFS für Apple Macintosh-Computer, aber wir werden nicht darauf eingehen. Im ersten Teil des Artikels wurden fast alle gängigen Formate zum Speichern von Daten auf CD-ROM betrachtet. Eines ihrer Merkmale ist der Unterschied in der Struktur des CD-Dateisystems gegenüber dem in MS DOS übernommenen. Um auf die aufgezeichneten Daten zugreifen zu können, ist daher eine Konvertierung des Formats erforderlich. Um dieses Problem zu lösen, hat Microsoft einen speziellen Softwaretreiber namens Microsoft CD Extentions (MSCDEX.EXE) veröffentlicht. Es kommt sehr häufig vor und ist in MS DOS und fast allen CD-ROM-Laufwerken enthalten. Bei Verwendung von MSCDEX.EXE behandelt das Betriebssystem die CD wie eine normale Magnetplatte (mit dem Unterschied, dass die Daten nur gelesen werden können). Um den Treiber zu laden, muss die Datei AUTOEXEC.BAT einen Befehl enthalten (in einer Zeile geschrieben) MSCDEX /D: Name [/D: Name2...] [/E] [/K] [/S] [/V] [/L:Buchstabe] [/M:Nummer] Seine Parameter (optional - in eckigen Klammern) geben Folgendes an: /D:name [/D:name2...] – Namen der im Computer installierten CD-ROM-Laufwerke. Sie müssen mit denen übereinstimmen, die in ähnlichen Parametern der Befehle in der Datei CONFIG.SYS angegeben sind, mit denen diese Laufwerke gestartet werden. Der Standardname ist MSCD001. /E – Ermöglicht die Platzierung von Festplattensektorpuffern im Erweiterungsspeicher, sofern verfügbar. /K – MS DOS kann CDs mit der Kodierung des japanischen Kanji-Alphabets lesen. /S – Ermöglicht den Zugriff auf die CD-ROM vom lokalen Computernetzwerk. /V - Während des Starts zeigt MSCDEX Statistiken auf dem Bildschirm an. /L:Buchstabe – dieser Buchstabe bezeichnet das logische Laufwerk, das dem CD-ROM-Laufwerk entspricht. Wenn es nicht angegeben ist, verwendet der Treiber den ersten freien. Beispielsweise wird in einem System, das bereits über die Laufwerke A, B und C verfügt, das CD-ROM-Laufwerk standardmäßig zum Laufwerk D, und wenn der Parameter /L:H vorhanden ist, zum Laufwerk H. Wenn mehr als ein CD-Laufwerk vorhanden ist , der Rest erhält die nächsten unbesetzten Briefe. /M:number – Dies ist die Anzahl der CD-Sektorpuffer, die der Treiber erstellt. Es können zwischen zwei und 30 sein (der Standardwert ist 10) und jeder benötigt etwa 2 KB Speicher. Je mehr Puffer vorhanden sind, desto höher ist die Systemleistung. MSCDEX.EXE muss in Verbindung mit CD-ROM-Laufwerkstreibern verwendet werden, die in der Datei CONFIG.SYS als Geräte (DEVICE) beschrieben werden. Diese Treiber sind auf jedes Antriebsmodell spezialisiert, werden mitgeliefert und verfügen zudem über mehrere Parameter. Leider ist es nicht möglich, alle Optionen aufzulisten [2]. SCHNITTSTELLEN Die Schnittstelle verbindet das CD-ROM-Laufwerk und den Computer. Es sind seine Eigenschaften, die die Geschwindigkeit der Interaktion zwischen diesen Geräten bestimmen. Jeder neue Platten- und Laufwerkstyp, der auf den Markt kommt, muss über eine Schnittstelle verfügen, die die Übertragung großer Datenmengen ohne Verzögerung und mit minimaler CPU-Belastung ermöglicht. Nicht selten liefern Hersteller ein CD-ROM-Laufwerk zusammen mit einem Controller mit, der die sogenannte Proprietary-Schnittstelle implementiert. Es befindet sich häufig auf der Soundkarte, an die eine im Rahmen eines Multimedia-Sets erworbene CD-ROM angeschlossen ist. Typischerweise handelt es sich hierbei um eine vereinfachte Implementierung eines der unten besprochenen Standards. Sehr selten (aufgrund der geringen Datenübertragungsgeschwindigkeit) wird die Kommunikation über einen für einen Drucker vorgesehenen Parallelport genutzt. Normalerweise werden einige Modelle externer Laufwerke daran angeschlossen, da hierfür kein Öffnen des Computers erforderlich ist. Der Port wird am häufigsten für den Betrieb in einem der erweiterten Modi konfiguriert: EPP (Enhanced Parallel Port) oder ECP (Extended Capabilities Port). Um CD-ROMs an Laptop-Computer anzuschließen, werden häufig deren Schnittstellen zu Parallelwandlern verwendet. Viele CD-ROM-Laufwerke sind mit einer IDE-Schnittstelle (auch bekannt als AT-Bus, ATA) ausgestattet, die bei harten Magnetplatten (Festplatten) üblich ist. Seine Besonderheit ist die Implementierung von Controller-Funktionen im Laufwerk selbst, was den Anschluss an einen Computer ganz einfach macht. Vor einigen Jahren entwickelte Western Digital den EIDE-Standard – Enhanced IDE, der von fünf weiteren führenden Unternehmen unterstützt wurde. Sie können damit bis zu vier Festplatten, CD-ROM-Laufwerke oder Bandlaufwerke in Ihrem Computer installieren. Beliebt ist die SCSI-Schnittstelle (ausgesprochen „skazi“). Es dient zum Anschluss vieler Peripheriegeräte, die hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten erfordern. Die übliche Geschwindigkeit für diese Schnittstelle beträgt 2...4 MB/s. Physikalisch handelt es sich beim SCSI-Bus um ein Flachkabel mit 50-poligen Anschlüssen. Sie können bis zu acht Peripheriegeräte daran anschließen. Der Standard bietet zwei Methoden zur Übertragung von Signalen über den Bus: Gleichtakt und Differenzial. Letzteres zeichnet sich durch eine erhöhte Störfestigkeit aus und ermöglicht eine Vergrößerung der Länge. Um eine unverfälschte Signalübertragung zu gewährleisten, müssen auf beiden Seiten angepasste Lasten an die Busleitungen angeschlossen werden (ein für diesen Zweck konzipierter Widerstandssatz wird oft als Abschlusswiderstand bezeichnet). In der SCSI-Version 2 wird der Durchsatz durch Erhöhung der Taktfrequenz und Reduzierung kritischer Bus-Timing-Parameter durch den Einsatz modernster integrierter Schaltkreise und hochwertiger Kabel erhöht. Es gibt verbesserte Versionen dieser Schnittstelle: „fast“ und „wide“ (Wide). Letzterer stellt 24 zusätzliche Kommunikationsleitungen zur Verfügung und die Geräte werden über ein weiteres Kabel (68-adrig) verbunden. Bei CD-ROM-Laufwerken wird „Wide“ SCSI-2 praktisch nicht verwendet [5]. Die Softwareschnittstelle des in einem Computer installierten Haupt-SCSI-Adapters (Host) wird durch den ASPI-Standard (Advanced SCSI Programming Interface) definiert, der von Adaptec, einem führenden Hersteller solcher Geräte, entwickelt wurde. Die Softwaremodule dieses Standards passen recht einfach zusammen. Der wichtigste ist der Host-Manager. Damit sind Gerätetreiber verknüpft. Wenn ein ASPI-kompatibler Treiber mit einem CD-ROM-Laufwerk mit SCSI-Schnittstelle geliefert wird, funktioniert er mit allen Host-Adaptern (Schnittstellenkarten) von Adaptec und den meisten anderen Unternehmen. AUFZEICHNBARE CDs Wir haben bereits mehrfach gesagt, dass sich die Technologie sehr schnell entwickelt und dass das, was gestern neu war, heute etwas Vertrautes und morgen ein hoffnungsloser Archaismus ist. Schauen wir uns einige vielversprechende Bereiche für die Entwicklung von CDs an. Die bereits heute beliebte bespielbare CD erfreut sich weiterhin großer Beliebtheit. Sie sind nicht für die Massenvervielfältigung von Programmen und anderen Informationen gedacht, sondern für die Einzelaufzeichnung oder die Anfertigung kleinerer Kopien. CD-R (Recordable) erfüllen vollständig die Anforderungen des zweiten Teils des Orange Book. Die meisten Aufnahmegeräte unterstützen den Multisession-Modus. Die Struktur von CD-R ist in Abb. dargestellt. 3. Es besteht aus mehreren Schichten: tragendes Polycarbonat 1, organisches 2, in das der Laserstrahl die Informationen „einbrennt“, reflektierendes (Gold) 3 und schützendes 4 aus gegen äußere Einflüsse beständigem Lack, auf dem sich das Etikett befindet gedruckt [6].
Es kommen mehrere grundsätzlich unterschiedliche Arten organischer Schichten zum Einsatz. Es besteht aus Materialien mit einer sehr komplexen chemischen Zusammensetzung. Während der CD-R-Aufnahme erwärmen sich kleine Bereiche 5 der organischen Schicht unter dem Einfluss eines starken fokussierten Laserstrahls und verändern ihre optischen Eigenschaften (beginnen, Licht zu streuen). In nicht beheizten Bereichen bleibt die Schicht transparent und lässt beim Auslesen der Daten Laserlicht 6 durch. Letzteres erreicht die goldene Reflexionsschicht und trifft beim Zurückkehren auf das Strahlteilerprisma und dann auf den lichtempfindlichen Sensor. Der Lichtreflexionskoeffizient von Gold, der größer ist als der von Aluminium, gleicht den Energieverlust des Lesestrahls in der organischen Schicht aus. Obwohl die Methoden zum Aufzeichnen von Informationen auf normalen und wiederbeschreibbaren CDs unterschiedlich sind, ist das Ergebnis dasselbe – eine Folge von reflektierenden und nicht reflektierenden Bereichen, die von jedem CD-ROM-Laufwerk gelesen werden können. Es ist zu beachten, dass CD-R einige Vorteile gegenüber ähnlichen WORM-Festplatten hat, die eine große Kapazität haben (doppelseitig – bis zu 1,2 GB), aber aufgrund ihrer sehr hohen Kosten nicht weit verbreitet sind [4]. NEUER STANDARD: DVD-TECHNOLOGIE Der letzte Typ optischer Datenträger, den wir in diesem Artikel behandeln, ist die DVD. Heute ist dies der neueste und vielversprechendste Standard. So wie CDs langsam Vinyl-LPs ersetzten, werden DVDs in Zukunft nach und nach CD-ROMs ersetzen [6]. Ursprünglich wurde die Abkürzung DVD als Digital Video Disk, dann als Digital Versatile Disk entschlüsselt und heute ist sie überhaupt nicht mehr entschlüsselt. Diese Technologie befindet sich schon sehr lange in der Entwicklung, hat aber nun endlich den Punkt erreicht, an dem eine breite Akzeptanz folgen wird. Insbesondere auf der größten russischen Computermesse Comtek'98 wurden mehrere mit DVD-Technologie hergestellte Video-Discs vorgeführt [7].
Äußerlich ähnelt eine DVD einer normalen CD, kann jedoch siebenmal mehr Informationen speichern (4,7 GB). Dieser Wert ist spezifisch für eine Single Layer Single Sided (SLSS)-Disc. Die Informationskapazität von Double-Layer Single-Sided (DLSS) beträgt 8,5 GB, Single-Layer-Double-Sided (SLDS) beträgt 9,4 GB und Double-Layer-Double-Sided (DLDS) beträgt etwa 17 GB, also 26-mal mehr eine moderne CD-ROM. Die DLDS-Scheibe (Abb. 4) besteht aus zwei verklebten Substraten 1 mit einer Dicke von jeweils 0,6 mm, auf denen mehrere Mikrometer dicke Informations- und Schutzschichten aufgebracht sind. Um Daten aus jeder der Informationsschichten zu lesen, wird der Laserstrahl 4 auf eine davon fokussiert: die durchscheinende Oberflächenschicht 2 oder die reflektierende Tiefenschicht 3. Die Laserdiode des Lesegeräts arbeitet nicht im für CDs charakteristischen Infrarotbereich (Wellenlänge 780 nm), sendet jedoch rotes Licht mit Wellenlängen von 650 und 635 nm aus, was es ermöglichte, die Größe des Pits (die Fläche, die eine Informationseinheit auf der Arbeitsfläche der Scheibe einnimmt) um fast zu reduzieren halbieren und dementsprechend den Abstand zwischen den Aufnahmespuren verringern. Erhöhte Anforderungen an die Fokussiergenauigkeit zwangen zum Einsatz eines Objektivs mit erhöhter Blende. Die hohe Aufzeichnungsdichte erforderte eine fehlerresistente Datenkodierung (EFM Plus 8/16) und den Einsatz eines zuverlässigen Systems zur Korrektur von Lesefehlern (Reed-Solomon-Codes) [8]. Es gibt fünf Unterstandards für DVDs (Bücher): A – DVD – ROM, B – DVD – Video, C – DVD – Audio, D – DVD – WO, E – DVD – RAM. Es ist nicht schwer, den Inhalt der einzelnen Bücher zu erraten. DVD-ROMs werden die heute verwendeten digitalen Computer-CDs ersetzen. DVD-Video, das Bewegtbilder im Vollbildformat aufzeichnet, wird zwangsläufig die haushaltsüblichen Videokassetten mit Magnetband ersetzen. DVD - Audio - Ersatz für aktuelle Audio-CDs. DVD-WO (Write Once) ähneln beschreibbaren CD-Rs. Große Hoffnungen werden auf die technologisch anspruchsvollste DVD-RAM gesetzt. In ferner (oder nicht so) Zukunft werden sie CD-RW (wiederbeschreibbar – wiederbeschreibbar) oder CD-E (löschbar) ersetzen, deren Prototypen gerade erst auf den Markt kommen. Für jeden der aufgeführten Substandards werden die vielversprechendsten Aussichten prognostiziert. Doch ihre Vorzüge kann man erst wirklich schätzen, wenn man sie in Aktion sieht. Vorerst dürften Verbraucher von den auf DVDs enthaltenen Informationsmengen beeindruckt sein. Literatur
Autoren: A. Denisenko, A. Balabanov, Nischni Nowgorod
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