Wirtschaftsinformatik (Bachelor-Studiengang): Rechnerarchitketur & Betriebssysteme (1. Semester)

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BM / CM, Kurs vom 01.04.2002 - 30.09.2002

Rechnerarchitektur/Betriebssysteme: Massenspeicher: Schnittstellen zu I/O-Geräten, Diskette, zip (Formatieren, Weiterentwicklung - Beispiel zip), Festplatte (Aufbau, Positionierung, Interleaving (Verschränkung), Zonenaufzeichnung (Zone-Recording), Bad Sector Mapping, Schnittstellen zu Festplatten, IDE und EIDE), CD-ROM und Verwandte (Compact Disk Digital Audio (CD-DA), Compact Disc Read Only Memory (CD-ROM), Compact Disk Recordable (CD-R), CD-RW, Magnetisch-Optischer Speicher (MO)), Digital Versatile Disk (DVD) (Technische Grundlagen, Kapazitäten, Besonderheiten).

  1. Schnittstellen zu I/O-Geräten
  2. Diskette, zip
  3. Festplatte
  4. CD-ROM und Verwandte
  5. DVD

Schnittstellen zu I/O-Geräten

Schnittstellen zu I/O-Geräten werden (fast) immer auf eigenen I/O-Karten in Bussen realisiert. Auf diesen Karten befindet sich

Je nach Größe ist auch das Gerät selbst auf der Karte integriert.

Für Standard-Geräte sind die I/O-Karten häufig auf der Hauptplatine integriert, z.B. Diskettenlaufwerke oder Parallelschnittstellen.

I/O-Karten

Bildbeschreibung "I/O-Karten": Karte besteht aus lokaler CPU mit Software und und Cache, Bus-Ansteuerung, Controller sowie Logik zur Ansteuerung des Geräts.

Controller = Schaltwerk zur Ansteuerung eines Geräts

Cache = hier: Pufferspeicher zu Aufnahme von gelesenen und zu schreibenden Daten des Geräts, meist mindestens so groß wie eine Spur.

Manchmal gibt es eine eigene lokale CPU auf der I/O-Karte, die Optimierungen bzw. Funktionen des Betriebssystems durchführt. Diese CPU kann (normalerweise) nicht vom Benutzer programmiert werden.

Die Ansteuerung wird durch Software innerhalb des Betriebssystems realisiert, die Treiber (device driver) genannt wird.

Aus der Sicht der CPU (durch den Bus hindurch) zeigt sich die I/O-Karte und damit das Gerät durch Register (device register), die zur Kommunikation beschrieben und gelesen werden:

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Diskette, zip

Diskette - Spuren und Sektoren:

Spuren und Sektoren

Bildbeschreibung "Spuren und Sektoren": Eine Diskette hat (bis auf ihre äußere Schutzhülle) die Form eines Kreises und ist in mehrere Spuren unterteilt (einzelne, sich zum Mittelpunkt der Diskette in ihrem Durchmesser verkleinernde Kreise). Ein Ausschnitt in Form eines Tortenstückes wird als Sektor bezeichnet.

Schreib-/Lesekopf:

Der Schreib-/Lesekopf besteht aus dem eigentlichen Schreib-/Lesekopf, an dessen Seiten (links und rechts von der Spur) zwei Löschköpfe montiert sind.

Beim Schreiben werden alle drei Köpfe benutzt, so dass links und rechts von der geschriebenen Spur jeweils eine gelöschte Spur verbleibt. Dadurch entsteht eine klare, enge Spur.

Formatieren

Durch Formatieren wird eine feste Struktur in Form von Rahmen innerhalb konzentrischer Kreise auf das Medium gebracht.

Dort sind in jeder Spur (Track) Kennzeichnungen des Beginns, Synchronisationsbits, Lücken (Gap) sowie Angaben über die Identifizierung der Sektoren enthalten.

Diese Formatierung wird Low-Level-Formatierung genannt.

Bei der High-Level-Formatierung wird eine leere File-Systemstruktur in die leeren Rahmen gebracht, so dass zwei Ebenen entstehen.

Ebenen der Daten auf Medium:

  1. Dateisystem: High Level Formatierung
  2. Sektor/Block-Struktur: Low Level Formatierung
  3. Physikalische Codierung / Rahmen: Low Level Formatierung

Die Spuren (tracks) werden von innen nach außen von 0 an durchnummeriert. Die Sektoren (sectors) innerhalb einer Spur werden von der Markierung (Indexloch, Rastloch, Elektronische Markierung) von 1 beginnend nummeriert.

Dasselbe erfolgt analog mit der Nummerierung der Oberflächen (surface): 0 und 1. Ein Sektor wird daher mit drei Nummern eindeutig identifiziert:

Low Level Formate (Prinzip):

Low Level Format

Bildbeschreibung "Low Level Format": Ein Sektor setzt sich wie folgt zusammen: Gap (Lücke zwischen zwei Sektoren), Preambel (Kennung zum Sektorbeginn), Header (Informationen über Track und Sektor), Nutzdaten und CRC (Prüfsumme). Eine Spur besteht aus einem Spurbeginn (spezielle Kennzeichnung des Spurbeginns als elektronisches Indexloch), mehreren Sektoren und einem Spurende (spezielle Kennzeichnung des Spurendes).

Das Indexloch bzw. Rastloch ist zur Kennzeichnung des 1. Sektors einer Spur zu ungenau; daher wird eine elektronische Markierung geschrieben.

Zwischen allen Sektoren, Markierungen und auch innerhalb der Sektoren werden spezielle Bitmuster mit der Bedeutung einer Lücke eingefügt; Gründe:

Es werden Bereiche zur Synchronisation zwischen geschriebenen Bits und der Leseelektronik eingefügt.

Synchronisation = Zeitliche Abstimmung (in Gleichtakt kommen) von unabhängigen Funktionseinheiten.

CRC = Cyclic Redundancy Check (Prüfsumme)

Idee der Prüfsummen:

Kreuztabelle: Kapazität, Spuren, Sektoren, Tracks, Bits
Kapazität Spuren Sektoren pro Spur Sektoren Track per Inch Bits per Inch
5 1/4" Double Density 360 KB 40 9 720 48 5.900
5 1/4" High Density 1,2 MB 80 15 2.400 96 8.650
3 1/2" Double Density 720 KB 80 9 1.440 135 8.700
3 1/2" High Density 1,44 MB 80 18 2.880 135 17.400

Logische Sektoren (Blöcke):

Per Software werden alle Blöcke wie in einem Feld über die ganze Diskette nummeriert. Dann wird von Blöcken (blocks) gesprochen.

Sektoren: Physikalisch und logisch
Physikalischer Sektor Logischer Sektor
Kopf Spur Sektor Block
0 0 1 0
0 0 2 1
0 0 3 2
0 0 . . . . . .
0 1 1 10
0 1 2 11

Weiterentwicklung - Beispiel zip

Aufbau und Funktionsweise:

Platte mit 3.000 Umdrehungen/Minute (also eher eine Festplatte) in festem relativ staubdichten Gehäuse.

Zur Positionierung werden Servoinformationen zwischen den Nutzdaten alle 3°, also 120-mal pro Spur, eingestreut. Diese Informationen werden in der Fabrik geschrieben und dürfen nicht gelöscht oder zerstört werden. Werden sie dies, ist das Medium unbrauchbar.

Es gibt keinen mechanischen Schreibschutz.

Bei Benutzung der Parallelschnittstelle wird diese durch das zip-Gerät hindurch geschleift, so dass noch andere Geräte angeschlossen werden können, z.B. Drucker.

Andere Weiterentwicklungen:

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Festplatte

Heutige Technik: Winchester-Platte

Name eines IBM-Projekts 1973, Platte 3340
3030 ist der Name des berühmten Winchestergewehrs

(Fast) luftdicht verpacktes Gehäuse
(Schlitz zum Luftdruckausgleich mit Staubfilter)

Größen 2 1/2", 3 1/2", 5 1/4"

Dasselbe Prinzip wie bei Disketten, nur:

Aufbau

Aktuator ist ein kammartiger Arm mit Schreib-/Lese-Köpfen an den Enden, der radial (senkrecht zu Mittelpunkt) über einen Schritt- oder Linearmotor auf die richtige Spur bewegt wird.

Heutige Platten bewegen den Aktuator mit einem Linearmotor im schrägen Winkel zum Mittelpunkt der Platte.

Schrittmotor: Motor, der seine Drehachse nur in bestimmten, festen Winkel "schrittweise" bewegen kann.

Linearmotor: Motor, der sehr fein seine Achse drehen kann.

Schreib-/Leseköpfe schweben auf Luftkissen sehr dicht der Oberfläche (ca. 0,0003 mm); Probleme im Vakuum.

Im ausgeschalteten Zustand setzen die Köpfe auf einem dafür reservierten Bereich auf oder werden ganz aus dem Plattenbereich herausgezogen, z.B. bei Laptops.

Setzt im Betrieb ein Kopf aus, wird dies Headcrash genannt. Headcrash hat i.d.R. Datenverluste bzw. Beschädigungen des Kopfes zur Folge.

Positionierung

Spurbreite bei Diskette: ca. 0,1 mm
Bei Platten kleiner als 0,01 mm; dies lässt sich nicht mehr mit mechanischen Mitteln ansteuern.

Anpassen an aktuelle Gegebenheiten - Kalibrieren:

Positionierung auf eine Spur:

Positionierungs-, Zugriffs- und Latenzzeit:

Die jeweils mittlere Zeit ist der statistische Durchschnitt. Die Performance wird durch Benchmarks bestimmt: dies sind spezielle Programme, die bestimmte als typisch angesehene Benutzungsprofile simulieren.

Hinweis: Hauptproblem hierbei: Cache und Unklarheit, was eine typische Benutzung ist.

Interleaving (Verschränkung)

Um Zeit für Berechnungen im Controller zu gewinnen, werden numerisch aufeinander folgende Sektoren physikalisch mit einem Abstand abgelegt, so dass der folgende Sektor nicht während der Berechnung unter dem Arm ungelesen vorbeirauscht.

Interleaving Faktor N bedeutet, dass nach einem Sektor N-1 Sektoren übersprungen werden.

Interleaving

Bildbeschreibung "Interleaving": Kein Interleaving (Faktor 1) bedeutet, dass die Sektoren aufeinander folgend durchnummeriert werden. Interleaving Faktor 2 heißt, dass jeweils ein Sektor übersprungen wird und erst dann die Nummerierung um 1 erhöht wird. Bei Interleaving Faktor 3 werden sogar 2 Sektoren übersprungen.

Hinweis: Heutige Platten haben eine Cache, der eine ganze Spur aufnimmt, so dass Interleaving unwichtig, eventuell sogar schädlich ist!

Zonenaufzeichnung (Zone-Recording)

Da der Umfang eines Kreissegments am Rande länger als an der Innenseite ist, können am Rande mehr Sektoren liegen als im inneren Bereich. Die Platte wird daher in Zonen mit jeweils eigener Sektorenzahl pro Spur eingeteilt. Dies führt bis zu 30% mehr Kapazität.

Der Controller auf der Platte macht die Umrechnung von Sektoren nach logischen Sektoren (Blöcken), so dass die Software, z.B. BIOS, sich nicht darum zu kümmern braucht.

Fallbeispiel: Quantum Pro Drive lps 240at

Bad Sector Mapping

Wird vom Controller festgestellt, dass ein Sektor nicht zugreifbar ist (bzw. immer wieder Fehler hat), so wird dieser Sektor durch einen anderen ersetzt. Dazu werden bisher unbenutzte Sektoren aus dafür reservierten Spuren belegt.

In einer Tabelle wird vermerkt, welche "guten" Sektoren welche "schlechten" ersetzt haben. Diese Tabelle wird für den Zugriff benutzt. Dieser Mechanismus ist gegenüber der Software transparent und läuft "innerhalb" der Platte ab.

Dies ist der Grund, warum Platten schon von der Fabrik her eine Formatierung (low level) bekommen haben und warum diese möglichst nicht überschrieben werden sollte.

Schnittstellen zu Festplatten

Schnittstellen zu Festplatten

Bildbeschreibung "Schnittstellen zu Festplatten": Bauform A = Lokale CPU mit Software, Bus-Ansteuerung, Controller + Logik zur Ansteuerung des Geräts, Gerät. Bauform B = Lokale CPU mit Software und Cache, Bus-Ansteuerung + Controller, Cache, Logik zur Ansteuerung des Geräts, Gerät.

Die lokale CPU fällt meistens weg.
Die Bus-Ansteuerung ist manchmal auf der Hauptplatine montiert, so dass das Schnittstellenkabel (Flachbandkabel) direkt in einen Slot auf der Hauptplatine gesteckt wird.

Frühere Platten hatten die Bauform (A) der vorherigen Abbildung (ST412/506-Schnittstelle). Heute wird die Bauform (B) mit der ATA-bzw. IDE-Schnittstelle benutzt:

Bei IDE sind Controller und Gerät eine feste Einheit, die mit einem 40-poligen Bus (Flachbandkabel) mit der Busschnittstelle auf einer Karte (selten) oder auf der Hauptplatine (üblich) verbunden sind. Es gibt keine eigene, weitere CPU für die Platte.

EIDE, IDE und ATA sind im Prinzip gleich.

ATAPI = Advanced Technology Attachment Packet Interface: Schnittstelle zu sonstigen Geräten, wie z.B. CD-ROM.

IDE und EIDE

IDE: Pro Anschluss (Slot) 1 oder 2 Platten anschließbar: Master und Slave (per Jumper (Schalter) einstellbar).

EIDE: Zwei Anschlüsse (primär und sekundär) mit jeweils 2 Geräten (Platte oder ATAPI-Geräte), die jeweils wieder als Master bzw. Slave fungieren.

Dies betrifft die Hardware entsprechend der EIDE-Festlegung, nicht die Software, wie z.B. BIOS.

ATAPI-Geräte mit erweitertem EIDE-Befehlssatz: CD-ROM, Streamer (Magnetbandgeräte), zip-Laufwerke.

Benutzung der EIDE-Schnittstelle (Modi):

Hinweis: Diese Modi samt ihrer Leistung betreffen nur die Kommunikation über die EIDE-Schnittstelle, nicht die Leistung der Endgeräte!

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CD-ROM und Verwandte

Compact Disk Digital Audio (CD-DA)

Physikalische Codierung:

Physikalische Codierung der CD

Bildbeschreibung "Physikalische Codierung der CD": Siehe nachfolgender Text...

Pits und Lands:

Es werden Vertiefungen in eine Reflexionsschicht gebracht, so dass eine "Hügellandschaft" bestehend aus Erhöhungen (Lands) und Vertiefungen (Pits) entsteht.

Ein Laserstrahl wird auf die Erhöhungen fokusiert, sodass beim einem Land eine klare und bei einem Pit eine unklare Reflexion entsteht bzw. ein starkes und eine schwaches Signal empfangen wird.

Die Lichtquelle ist ca. 1 mm von der Unterseite entfernt, setzt also nicht auf.

Pits können unterschiedlich lang sein; es wird eine Zeiteinheit definiert, die für das Kodieren eines Bits benutzt wird. Lange Pits/Lands codieren demnach mehrere Bits hintereinander.

Spuren und Aufzeichnungsdichte:

Es gibt nur eine Spur, die sich als Spirale von Innen nach Außen windet. Dies unterstützt eine kontinuierliche Datenrate.

Die Breite der Spur ist 0,6 µm, der Abstand zwischen zwei Windungen ist 1,6 µm, so dass bei einer 650 MB-CD (74 Min.) ca. 20.000 Windungen vorhanden sind (LP hat ca. 850). Das sind ca. 16.000 Windungen/Inch (Inch = 2,54 cm), eine Diskette hat 135 Tracks/Inch.

Ältere Laufwerke:

Der Laser tastet die Spirale mit konstanter Geschwindigkeit ab, so dass unabhängig von der Windung (Innen und Außen) eine gleichgroße Datenrate erreicht wird.

Rotationsgeschwindigkeit:

Ältere Laufwerke variieren die Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung zum Innenring.

Neuere Laufwerke arbeiten mit konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit.

Rotationsgeschwindigkeiten von Laufwerken
Typ Innen Außen
1-fach 200 530
2-fach 400 1.060
4-fach 800 2.120
8-fach 1.600 4.240
40-fach 8.900

Bits:

Bitbreite

Bildbeschreibung "Bitbreite": Übergänge zwischen Land und Pit oder Pit und Land werden durch 1 codiert.

Der Übergang zwischen Land und Pit bzw. umgekehrt codiert eine 1 - Land bzw. Pit allein eine 0.

Die "Bitbreite" ist eine Länge auf der Spur (0,6 µm) bzw. eine Zeiteinheit bei konstanter Bahngeschwindigkeit.

Synchronisation:

Pits und Lands dürfen nicht zu dicht aufeinander folgen bzw. es können nur begrenzt lange 11...-Folgen realisiert werden:
Es müssen immer min. 2 Lands und 2 Pits in Folge auftreten (zwischen 2 Einsen befinden sich mindestens 2 Nullen).

Daten- und Channelbits:

Pits und Lands selbst dürfen nicht zu lang sein, da dann die Leseeinheit "außer Takt" geraten kann: max. 10 Nullen.

Daher werden 8 Datenbits in 14 bit codiert.

Einem Byte entsprechen 14 Bits auf der CD (Scrambling).

Gegenüberstellung von Datenbits und Channelbits
Datenbits Channelbits
00000000 01001000100000
00000001 10000100000000
00000010 10010000100000
00000011 10001000100000
00000100 01000100000000
00000101 00000100010000
00000110 00010000100000
00000111 00100100000000
00001000 01001001000000
00001001 10000001000000
00001010 10010001000000

Füllbits:

Zwischen zwei 14-bit-Einheiten werden noch weitere 3 bit in Abhängigkeit von den umgebenden Werten eingefügt.

Füllbits

Bildbeschreibung "Füllbits": Datenbits werden zu Channelbits und diese über Füllbits zu Kanalbits miteinander verbunden. Einsen kennzeichnen die Übergange von Lands auf Pits und umgekehrt.

Frames und Fehlerkorrektur:

Neben den reinen Audiodaten werden noch Zusatzdaten eingefügt, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren: Fehlerrate 10-8 (für Computeranwendungen zu hoch).

24 Audio Bytes werden in ein Frame mit 588 bit zusammengefasst.

Korrektur bei größeren Fehlern (Burst, durch Kratzer) wird dadurch realisiert, dass die Daten auf mehrere Frames verteilt werden, so dass die Daten verzahnt auf der CD liegen.

Ein zerstörter Bereich von 7,7 mm kann korrigiert werden, m.a.W. es kann ein Loch mit dem Durchmesser von 2 mm in die CD gebohrt werden, ohne dass Datenverluste auftreten (theoretisch).

Aufbau von Frames:

Zum Beginn eines Frames werden noch 12 Einsen, gefolgt von 12 Nullen, gefolgt von 3 Füllbits eingefügt (Synchronisation).

Zur Darstellung von max. 8 unterschiedlichen Daten-/Audioströmen (Subchannel) werden noch 8 Control-Bits eingefügt.

Die Audiodaten werden in 2 Päckchen a 12 byte zusammengefasst, die jeweils 4 byte Daten zur Korrektur besitzen.

Audio-, Modulierte, Füll- und Kanalbits
Audiobits Modulierte Bits Füllbits Kanalbits
Summe 588
Synchronisation 27
Control 14 + 3 17
12 × Audio 12 × 8 12 × (14 + 3) 204
4 × Fehlerbehandlung 4 × 8 4 × (14 + 3) 68
12 × Audio 12 × 8 12 × (14 + 3) 204
4 × Fehlerbehandlung 4 × 8 4 × (14 + 3) 68

Blöcke und Tracks:

Viele Frames bilden einen Track im logischen Sinne. Ein Track ist ein Abschnitt auf der CD-Spirale und entspricht einem Lied oder Symphoniesatz. Auf Tracks kann positioniert werden (seek).

Nicht verwechseln mit Track im Sinne einer physikalischen Spur: Davon gibt es nur eine!

Aufbau einer CD-DA:

Ebenen einer CD-DA:

Ebenen für den Programmbereich:

Programmbereich

Bildbeschreibung "Programmbereich": Drei Ebenen: Tracks, Frames, Pits/Lands.

Auch eine Audio-CD kann in der Ebene-Weise dargestellt werden:
Hier gibt es 3 Ebenen, die sich auf der obersten entsprechend den drei Abschnitten einer CD aufteilen.

Ebenen für die Lead-Bereiche:

Lead-Bereiche

Bildbeschreibung "Lead-Bereiche": Drei Ebenen: Lead-In/-Out, Frames, Pits/Lands.

Compact Disc Read Only Memory (CD-ROM)

Die CD-DA muss für Computeranwendungen erweitert / geändert werden:

98 Frames bilden einen Block, der bei den Platten einem Sektor entspricht. Ein Block ist 2.353 byte lang. Davon sind

75 Blöcke entsprechen 1 Minute.

Es gibt drei Arten von Blöcken (Modi):

Mode 0

Bildbeschreibung "Mode 0": Mode 0 hat alle Nutzdaten auf 0 und dient zur Trennung zwischen Bereichen.

Mode 0 hat alle Nutzdaten auf 0 und dient zur Trennung zwischen Bereichen.

Mode 1

Bildbeschreibung "Mode 1": Mode 1 dient der Ablage von Computer-Daten.

Mode 1 dient der Ablage von Computer-Daten

Bei einer Spieldauer von 74 Min. gibt es 333.000 Blöcke (650 MB).

Mode 2

Bildbeschreibung "Mode 2": Mode 2 dient für andere Datenarten ohne Fehlerkorrektur.

Mode 2 dient für andere Datenarten ohne Fehlerkorrektur; 333.000 Blöcke ergeben 740 MB.

Bemerkungen zur Fehlerkorrektur:

Fehlerrate 10-12 bedeutet, dass alle 1012 Bits ein Fehler nicht erkannt bzw. korrigiert werden kann.

Bei magnetischen Medien (Platten) liegt dieser Wert in derselben Größenordnung.

Die Haltbarkeit von CD soll bei 30 Jahren liegen (hier gibt es noch keine Erfahrungen, da die CD erst 1982 erfunden wurde).
In jedem Falle ist die Haltbarkeit länger als bei Magnetbändern.

Ebenen einer CD-ROM:

In Blöcken werden zusätzliche Informationen, wie z.B. Inhaltsverzeichnisse und Permissions neben den Dateien bzw. Daten abgelegt. Diese Struktur wird Dateisystem (file system) genannt.

ISO 9660 mit zahlreichen Erweiterungen und Änderungen:

Ebenen einer CD-ROM

Bildbeschreibung "Ebenen einer CD-ROM": Dateisystem, Blocks, Frames, Pits/Lands.

ISO 9660 - Dateisystem:

ISO 9660 gibt es auf 3 Levels (Niveaus):

  1. Level 1:
    • 8.3-Zeichen lange Dateinamen,
    • Ordner nur 8 Zeichen lang ohne Erweiterung,
    • Zeichen: A bis Z, 0 bis 9 und der Unterstrich _,
    • Keine Fragmentierungen (Dateien müssen in einem Stück auf der CD sein).
  2. Level 2:
    • 31 Zeichen dürfen die Dateinamen sein, mehr Sonderzeichen sind erlaubt, keine Fragmentierung.
  3. Level 3:
    • Fragmentierung ist zulässig.

CD-ROM/XA und der Rest:

Weitere Formate: CD-I Ready, CD Bridge Disc, Photo CD

Grenzen von CD-ROM:

CD-ROM sind trotz 40-facher Geschwindigkeit langsam.

1-fache Geschwindigkeit (wie Audio-CD):

Rotationsverzögerung sowie Zeit für Synchronisation

40fach: 9000 Umdrehungen/Minute: 6.3 ms

Seekzeit: Zeit zur Einstellung des exakten Radius: bis zu 100 ms

Zugriffszeit hängt wesentlich von der Seekzeit ab - diese ist fast unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit. Diese bestimmt nur die hohe Datenrate beim Lesen.

CD-ROM bleiben auch bei 100-facher Geschwindigkeit langsam.
Beste Werte mit Cache 100 ms Zugriffszeit, sonst 250 ms - 400 ms.

Industrielle Fertigung von CD-DA/CD-ROM:

  1. Premastering
    • Berechnung der EDC/ECC-Bereiche
    • Einfügen von Synchronsationsbits
    • Erstellung von Verzeichnissen
  2. Mastering
    • Nach Premaster-Image wird ein Glasmaster mit Laser belichtet
    • Belichtete Stellen (spätere Pits) werden entwickelt und ausgewaschen
    • Bedampfen mit Silberschicht und Qualitätsprüfung
  3. Herstellung der Matrizen (Stamper, Negative des Glasmasters)
  4. Pressen der CD mit den Stamper
  5. Bedrucken und Verpacken

Compact Disk Recordable (CD-R)

CD-DA/CD-ROM werden industriell durch "Pressen" mit Matrizen gefertigt, danach können sie nur noch gelesen werden.

CD-R gibt es seit ca. 1989. CD-R können einmal beschrieben werden (brennen):

Physikalische Codierung (CD-R):

Physikalische Codierung (CD-R)

Bildbeschreibung "Physikalische Codierung (CD-R)": Darstellung eines Querschnutts durch eine CD-R.

Die Absorptionsschicht besteht aus einem organischen Farbstoff, dessen optisches Verhalten gleich dem des normalen Substrats ist (Dye genannt).

Die Reflexionsschicht besteht je nach Typ der CD-R aus Gold oder Silber.

Der Laser ist auf die "Tiefe" eines CD-DA-Lands fokussiert; bei CD-R gibt es keine Höhen und Tiefen, sondern nur unterschiedliches Reflektionsverhalten.

Die Vorgravierung (pre groove, Helix, Rille) verläuft in der Spirale leicht wellenförming (wobble) und wird während des Brennens abgetastet, um den Laser auf die Spurmitte zu positionieren (sowie Daten über das zeitliche Verhalten zu erhalten). Eine 74-Minuten CD-R unterscheidet sich von einer 80-Minuten CD-R durch die unterschiedliche Länge der vorgefertigten Rille.

Eine 60-Minuten CD-R unterscheidet sich von einer 74/80-Minuten CD-R durch die andere Art der Schlangen (wobble) in der Rille, diese dienen der zeitlichen Steuerung beim Brennen.

Eine CD-R wird nicht nur anders hergestellt, sie arbeitet auch anders als eine CD-DA. Es wird damit dasselbe Reflektionsverhalten nachgebildet.

Eine CD-R besteht aus 4 Schichten, wobei die Schutzschicht in Wirklichkeit aus zwei Schichten besteht.

Arten von CD-R:

Es gibt im Prinzip drei Arten von CD-R, die sich im Dye und in der Reflektionsschicht unterscheiden:

Die Farbe entsteht durch die Art der organischen Absorptionssubstanz und der Reflektionsschicht.

Die Qualität von CD-R orientiert sich u.a. an der Qualität der initialen Rille (groove).

Sitzungen (Sessions):

Da die CD-R in mehreren Schritten beschrieben werden kann, wiederholt sich die globale Struktur der CD-DA bei der CD-R.

Session = Geschriebener Bereich bestehend aus einem Lead-In, Programm (Information) und Lead-Out.

Sitzungen (Sessions)

Bildbeschreibung "Sitzungen (Sessions)": Darstellung einer Sitzung mit den Bereichen Lead-In, Daten und Lead-Out.

Theoretisch können 99 Sessions geschrieben werden; aufgrund des Platzbedarfs von Lead-In und Lead-Out: max. 46

CD-RW

CD-RW gibt es seit 1997. Theoretisch bis zu 1000 mal beschreibbar.
Reflektierende Schicht ist eine Silber-Indium-Antimonium-Tellurium-Legierung, die folgende Zustände annehmen kann:

Diese reflektierende Schicht wird mit einem Laser auf 500-700°C erwärmt und wird flüssig, wobei der kristalline Zustand in den amorphen übergeht (Pit).

Wird diese Stelle später mit 200°C erwärmt, so bleibt die Stelle fest, geht aber in die kristalline Struktur wieder zurück (gute Reflektion, Land).

Physikalische Codierung:

Physikalische Codierung

Bildbeschreibung "Physikalische Codierung": Schnitt durch die CD-RW.

Die Speicherschicht ist von zwei chemischen Schutzschichten umgeben.

Da insgesamt die Fähigkeit zur Reflektion geringer als bei CD-DA und CD-R ist, kann nicht jedes Gerät CD-RW lesen.

Typen und ihre Reflexibilität:

Eine CD sollte grundsätzlich sorgsam behandelt werden:

Zerstören von CD durch Zerbrechen oder/und Zerkratzen der Reflexionsschicht mit Nagelschere.
Daher auch Vorsicht beim Beschriften: Faserstift, kein Kugelschreiber!

Durch Druck bei gleichzeitiger Wärme werden die Informationen gelöscht.

Feine Risse am Innenloch können zur Zerstörungen der CD in schnellen Laufwerken führen: CD-Splitter sowie auch kaputte Laufwerke - also Vorsicht bei Rissen. Dann mit langsamen Laufwerken eine Kopie anfertigen.

Magnetisch-Optischer Speicher (MO)

CD-MO beruhen auf zwei physikalischen Phänomenen:

Schreiben:

Erhitzen auf über 150°C (Curie-Temperatur) mit konstantem Magnetfeld zum Löschen, dann noch einmal Magnetisieren in Richtung: Nordpol unten ist Pit, Nordpol oben ist Land.

Lesen:

Laser (polarisiertes Licht) wird vom Material direkt oder gedreht reflektiert; daran wird ein Pit bzw. Land erkannt.

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Digital Versatile Disk (DVD)

Frühere Bezeichnung: Digital Video Disk [versatile = vielseitig]. Ab 1996. Langsame Zugriffszeiten: 200 ms.

Es gibt viele Standards, die wie bei der CD in Büchern, die hier durchbuchstabiert werden, beschrieben sind: Bücher A-E.

Technische Grundlagen

2-schichtige DVD-ROM:

2-schichtige DVD-ROM

Bildbeschreibung "2-schichtige DVD-ROM": Schnitt durch die DVD.

Die versetzte, innere Schicht 1 kann etwas weniger Daten aufnehmen.
Die vordere Reflexionsschicht ist semireflektiv, die zweite vollständig reflektiv.

  1. Blöcke zu je 37.856 byte mit jeweils 16 Sektoren
  2. Jeder Sektor zu je 2.064 byte wird in 12 Bereiche (Zeilen) aufgeteilt.

Kapazitäten

DVD-Typen und ihre Kapazitäten
Name Durchmesser (cm) Seiten Schichten Größe (GB)
DVD-5 12 SS SL 4,38
DVD-9 12 SS DL 7,95
DVD-10 12 DS SL 8,75
DVD-18 12 DS DL 15,9
DVD-R 12 SS SL 3,68
DVD-R 12 DS SL 7,38
DVD-RW 12 SS SL 2,40
DVD-RW 12 DS SL 4,80

SS = Single Side, DS = Double Side
SL = Single Layer, DL = Double Layer

Besonderheiten

  1. Ländercodierungen (bestimmte Bitmuster sollen Dekoder das Darstellen von Videodaten auf bestimmte Bereichen der Erde beschränken).
  2. Region Code Enhancement (RCE): DVD "entscheidet" über die korrekte Zone
  3. Verschlüsselung als Kopierschutz
    Benutzung des CSS II: Content Scrambling System II
    • Codes im Lead-In versteckt
    • Verfahren nur publiziert, nur für Hersteller zugänglich
    • Geknackt: Programm "DeCSS"
  4. Kindersicherung mit 8 Stufen
  5. DVD-RW: Mehrere inkompatible Verfahren:
    • (1) DVD-RAM in Cartridge
    • (2) DVD+RW
    • (3) DVD-R/DVD-RW