Wirtschaftsinformatik (Bachelor-Studiengang): Rechnerarchitketur & Betriebssysteme (1. Semester)
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BM / CM, Kurs vom 01.04.2002 - 30.09.2002
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- eine Schnittstelle zum Bus, z.B. PCI,
- ein Prozessor mit verschiedenen Controllern,
- die Elektronik zur direkten Ansteuerung des Geräts und
- eine Schnittstelle zum Gerät selbst.
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.
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:
- Die CPU gibt dem Gerät Kommandos, indem sie die entsprechenden Register über den Bus beschreibt.
- Die CPU erfährt das Ergebnis von Kommandos, indem sie die entsprechenden Register ausliest.
Diskette, zip
- Anfang der 80er Jahre erfunden
- Bestehend aus biegsamen magnetisch beschichteten Material
(floppy disk), Dicke ca. 0,05 mm
In den Größen: 8", 5 1/4" und 3 1/2" (" = Inch = Zoll) - Rotierende Scheibe mit 300 (3 1/2") bzw. 360 (5 1/4") Umdrehungen pro Minute
- Maximale Zugriffszeit: 200 ms, Durchschnitt: 100 ms
- Der Schreiblesekopf setzt auf (Abnutzung)
- Kapazitäten von 360 bis 1.440 KB
- Leicht zu handhaben, billig und beliebt
- (Eigentlich) technisch überholt
Diskette - 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:
- Dateisystem: High Level Formatierung
- Sektor/Block-Struktur: Low Level Formatierung
- 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:
- Oberflächennummer
- Spurnummer
- Sektornummer
Low Level Formate (Prinzip):
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:
- Bereitstellung von Rotationszeit für den Controller
- Pufferbereich, falls ein Sektor aufgrund von Variationen länger als geplant geschrieben wird (dann überschreibt er nicht den folgenden Sektor, die Lücke wird nur etwas kürzer)
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:
- Es wird eine mathematische Funktion basierend auf einem Polynom über alle Bits eines Blocks an Informationen gebildet.
- Diese Funktion ist so geschickt gewählt, dass sie einen anderen Wert liefert, wenn auch nur wenige Änderungen an den Informationen vorhanden sind - sie ist gegenüber Variationen sehr empfindlich.
- Beim Schreiben wird der CRC berechnet und geschrieben.
- Bei jedem Lesen wird er erneut berechnet und mit dem abgespeicherten verglichen. Bei Gleichheit: alles ok, sonst Lesefehler.
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.
- Block = logischer Sektor
- Kopfbezeichnung entspricht Oberflächenbezeichnung
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
- 1994: Vorstellung der zip-"Diskette" von Iomega
Marketing: die zip-Diskette sollte die Diskette ablösen - 3 1/2"-Wechselmedium mit 100 MB oder 250 MB
- Schnittstellen zu den externen Gerät: SCSI, USB, Parallel-Schnittstelle
- Es gibt auch Einbauversionen mit ATAPI-Schnittstelle
- Zur Zeit der Marktführer bei Wechselmedien dieser Größe: 30 Mio. Geräte und 180 Mio. Medien (1999)
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:
- Superdisk LS-102 (Compaq, 3M, Panasonic)
Langsam, 120 MB - High Capacity Floppy Disk (Sony, Fuji)
200 MB - Pro-Floppy Disk (Samsung)
123 MB, abwärtskompatibel zu 3 1/2"-Disketten
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:
- Größerer Speicherplatz: Mehrere Scheiben (1 bis 8)
- Platten aus Aluminium mit magnetischer Beschichtung
- Höhere Spurdichte
- Höhere Rotation (3.000 bis 10.000 Umdrehungen/Minute)
- Kürzere Zugriffszeit 4-12 ms
- Kein Wechselmedium (daher "fest")
[das war früher nicht so]
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:
- Mechanische Kalibrierung (Bestimmen der Position der Spur 0)
- Thermische Kalibrierung (Bestimmen der Position bei normierter Temperatur)
Positionierung auf eine Spur:
- Grobpositionierung über Motorsteuerung basierend auf Kalibrierung
- Feinpositionierung, bei der auf die Spur anhand von Spurinformationen (Servospuren, Indexspuren) auf einer besonderen Plattenseite über einen besonderen Schreib-/Lesekopf (Servoknopf) genau positioniert wird
Positionierungs-, Zugriffs- und Latenzzeit:
- Positionierungszeit:
Zeitraum, der für das Bewegen des Aktuators von einer zufälligen Spur auf eine neue benötigt wird.
Typisch: 2-3 ms - Latenzzeit:
Zeitraum des Wartens bis der gesuchte Sektor am Aktuator "angekommen" ist
z.B. 3.600 Umdrehungen/Minute -> 16 ms für eine Umdrehung - Zugriffszeit:
Positionierungszeit + Latenzzeit
Typisch: 4-12 ms
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.
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
- Kapazität: 240 MB unformatiert, 234 MB formatiert
- 16 Zonen: Zone 0: 148 Zylinder, Zone 1..14: 112, Zone 15: 102 Zylinder
- Sektoren pro Zylinder: Zone 0: 87 bis Zone 15: 44
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
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:
- ATA = Advanced Technology Attachment
- IDE = Intelligent Drive Electronics
- EIDE = Enhanced Intelligent Drive Electronics
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.
- Maximale Kabellänge: 18 Zoll (Inch) » 46 cm
- EIDE-/IDE-Platten arbeiten immer mit Interleaving Faktor 1, d.h. kein Interleaving
- EIDE erlaubt Adressierung von 127 GB 255 Sektoren pro Spur, 65536 Zylinder und 512 byte pro Sektor
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):
- PIO = Progammed Input Output (3-16 MB/s)
- Einzelwort-DMA (2-8 MB/s)
- Multiwort-DMA (4-16 MB/s)
- Ultra-DMA oder Ultra-ATA (16-66 MB/s)
Hinweis: Diese Modi samt ihrer Leistung betreffen nur die Kommunikation über die EIDE-Schnittstelle, nicht die Leistung der Endgeräte!
CD-ROM und Verwandte
- 1973 Bildplatte Video Long Play
- 1982 CD-DA, Red book, Philips, Sony (IEC-908)
- 1984 CD-ROM Yellow Book, ISO/IEC
10149, ECMA-119
Logisches Format: High Sierra Vorschlag, ISO 9660 - 1988 CD-I, Green Book
- 1989 CD-ROM/XA
- 1990 CD-MO, Orange Book, ISO/IEC 11172
- 1995 CD-RW, Orange Book
- 1997 DVD-Spezifikationen
Compact Disk Digital Audio (CD-DA)
- Philips und Sony haben die CD "erfunden"
- 12 cm Durchmesser, Spielzeit max. 72 Min.
- Single: 8 cm Durchmesser, Spielzeit max. 21 Min.
Physikalische Codierung:
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.
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:
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).
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.
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.
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:
- Lead-in-Bereich: Inhaltsverzeichnis mit Angaben der Beginn der (logischen) Tracks
- Programmbereich: max. 99 (logische) Tracks
- Lead-out-Bereich: Markierung des Endes, 90 s Stille
Ebenen einer CD-DA:
Ebenen für den 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:
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:
- Viele niedrigere Fehlerquote
- Bessere Positionierung für wahlfreien Zugriff
98 Frames bilden einen Block, der bei den Platten einem Sektor entspricht. Ein Block ist 2.353 byte lang. Davon sind
- 2.048 byte (2 KB) Nutzdaten (oder 2.336 byte)
- Rest: Identifikation, Fehlerkorrektur
75 Blöcke entsprechen 1 Minute.
Es gibt drei Arten von Blöcken (Modi):
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.
Bildbeschreibung "Mode 1": Mode 1 dient der Ablage von Computer-Daten.
Mode 1 dient der Ablage von Computer-Daten
- 12 byte Anfangskennung des Blocks
- 4 byte Header: Nummer des Blocks, Minuten, Sekunden und Modus
- 2048 byte Daten
- 4 byte zur Fehlererkennung (Error Detection Code: EDC)
- 8 byte ungenutzt
- 276 byte zur Fehlerbehebung
(Error Correction Code: ECC): Fehlerrate 10-12
Bei einer Spieldauer von 74 Min. gibt es 333.000 Blöcke (650 MB).
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:
- Joliet (Microsoft)
- Rock Ridge (für Unix-Systeme)
- Apple-Erweiterungen
- El Torito Erweiterung
Bildbeschreibung "Ebenen einer CD-ROM": Dateisystem, Blocks, Frames, Pits/Lands.
ISO 9660 - Dateisystem:
- Es wird ein hierarchisches Dateisystem unterstützt.
- Leider nur kurze Dateinamen in Großbuchstaben.
- Der gesamte Directory-Baum wird in gepackter Form in einer Path-Table (Pfadtabelle) abgelegt, zusätzlich werden noch Verzeichnisse (Ordner) benutzt.
- Blöcke 0 bis 15 bilden die System Area; hier werden Descriptoren zur Beschreibung des gesamten Aufbaus sowie die Angabe von anderen Dateisystemen abgelegt.
- Logische Blockgröße ist 512..2048 byte, praktisch aber immer nur 2048 byte.
ISO 9660 gibt es auf 3 Levels (Niveaus):
- 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).
- Level 2:
- 31 Zeichen dürfen die Dateinamen sein, mehr Sonderzeichen sind erlaubt, keine Fragmentierung.
- Level 3:
- Fragmentierung ist zulässig.
CD-ROM/XA und der Rest:
- CD-ROM/XA: Fortentwicklung zur gleichzeitigen Wiedergabe verschiedener Medien, z.B. Daten, Musik und Video.
- CD-I und DVI (Digital Video Interactive) flossen in die Definition von CD-ROM/XA ein.
- Daten für bestimmte Medien werden komprimiert.
- Verzahnung (Interleaving) der Daten verschiedener Medien zur Unterstützung gleichzeitiger Ausgabe.
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):
- Innenseite: ca. 530 Umdrehungen
- Außenseite: ca. 200 Umdrehungen
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:
- Premastering
- Berechnung der EDC/ECC-Bereiche
- Einfügen von Synchronsationsbits
- Erstellung von Verzeichnissen
- Mastering
- Nach Premaster-Image wird ein Glasmaster mit Laser belichtet
- Belichtete Stellen (spätere Pits) werden entwickelt und ausgewaschen
- Bedampfen mit Silberschicht und Qualitätsprüfung
- Herstellung der Matrizen (Stamper, Negative des Glasmasters)
- Pressen der CD mit den Stamper
- 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):
- Dies erfolgt innerhalb einer vorher eingravierten Spur (pre-engraved, pre groove)
- Der Laser verändert unabänderbar das Reflexionsverhalten einer Absorptionsschicht, die sich zwischen Substrat (Polykarbonat) und der Reflexionsschicht befindet, so dass das Licht bei einem Pit (gebrannte Stelle) schlecht und bei einem Land gut reflektiert wird.
- Das erfolgt durch Erhitzung auf über 250°C.
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:
- Grüne Rohlinge: Reflektionsschicht aus Gold, billig, Haltbarkeit bei 10 Jahren
- Goldene Rohlinge: Reflektionsschicht aus Gold, theoretische Haltbarkeit bei 100 Jahren, höchste Qualität
- Blaue Rohlinge: Reflektionsschicht aus Silber, hohe Qualität, sollen vergleichbar zu den goldenen sein.
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.
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:
- Kristallin und gut reflektierend (ursprünglicher Zustand)
- Amorph und schlecht reflektierend
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:
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:
- CD-DA: 70 %
- CD-R: 65 %
- CD-RW: 15 - 20 %
Eine CD sollte grundsätzlich sorgsam behandelt werden:
- in Hüllen zum Schutz gegen Zerkratzen
- sauber und fettfrei
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)
- Compact Disk Magneto Optical (CD-MO) nach ISO 10090 und ECMA 154, 201
- 640 MB (1998), 1 GB
(1999) jeweils auf 3 1/2 Zoll
Heute bis 2,7 GB - Größen 3 1/2" und 5 1/4"
- Positionierungszeit: 16 bis 40 ms
- 1/3 der Geschwindigkeit von Platten (langsam)
- Lebensdauer ca. 15 Jahre
CD-MO beruhen auf zwei physikalischen Phänomenen:
- Curie-Temperatur (zum Brennen)
Oberhalb dieser Temperatur verliert ein magnetisches Material seine Magnetisierung bzw. unterhalb behält es sie - Kerr-Effekt (zum Lesen)
Bestimmte Materialien reflektieren polarisiertes Licht in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung
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.
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.
- Digital Versatile Disk Read Only Memory (DVD-ROM), Buch A, 1996
- DVD Video Spezifikation (DVD-Video), Buch B , 1996
- DVD Audio Spezifikation (DVD-Audio), Buch C, 1996
- Digital Versatile Disk Recordable (DVD-R), Buch D, 1997
- Digital Versatile Disk Rewritetable (DVD-RW), Buch E, 1997
Technische Grundlagen
- Kleinere Pits, höhere Track-Dichte,
vergrößerter
Datenbereich, effizientere Bitcodierung als bei der CD.
In den Funktionsprinzipien sehr der CD ähnlich. - Durchmesser 8 cm und 12 cm
- Codierung: für 1 byte jetzt 16 bit (statt 17 bit: 14+3)
- Lead-In und Lead-Out etwas kleiner als bei der CD.
- Doppelseitige DVD möglich, z.Z. ist zum Oberflächenwechsel die DVD manuell umzudrehen.
- Jede Seite kann zwei Schichten haben, die von der Unterseite getrennt fokussierbar sind.
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.
- Zeile 0: 12 byte Sektorkopf + 160 byte Nutzdaten
- Zeile 1: 172 byte Nutzdaten
- Zeile 10: 172 byte Nutzdaten
- Zeile 11: 168 byte Nutzdaten + 4 byte Fehlerkorrektur
- Blöcke zu je 37.856 byte mit jeweils 16 Sektoren
- Jeder Sektor zu je 2.064 byte wird in 12 Bereiche (Zeilen) aufgeteilt.
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
- Ländercodierungen (bestimmte Bitmuster sollen Dekoder das Darstellen von Videodaten auf bestimmte Bereichen der Erde beschränken).
- Region Code Enhancement (RCE): DVD "entscheidet" über die korrekte Zone
- 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"
- Kindersicherung mit 8 Stufen
- DVD-RW: Mehrere inkompatible
Verfahren:
- (1) DVD-RAM in Cartridge
- (2) DVD+RW
- (3) DVD-R/DVD-RW