Optische Medien und Speichersysteme: CD-ROM, DVD, Flash & Schnittstellen

Die CD-ROM

1 Entstehung und Entwicklung der CD-ROM

Die Technologie der CD wurde von den Firmen Philips und Sony entwickelt. Mitte des Jahrzehnts erschienen die ersten Einheiten für Computer-CD-Laufwerke. Diese Einheiten verwendeten dasselbe physikalische Format wie die Audio-CD, konnten jedoch nicht nur Musik enthalten, sondern auch Daten und Computerprogramme.

• CD-R: Eine beschreibbare CD, die nach der Aufnahme nicht wieder gelöscht werden kann.
• CD-RW: Eine wiederbeschreibbare CD, die mehrfach gelöscht und neu beschrieben werden kann.

3 Bedienung der CD-Technologie

Disc: Eine CD hat einen Durchmesser von 12 cm und eine Stärke von 1,2 mm. Das wichtigste Material der CD ist ein rundes Stück aus Polycarbonat-Kunststoff. In dieser Schicht sind Millionen winziger Vertiefungen (sogenannte pits) und Ebenelemente (lands) geprägt, die die Kodierung der Informationen auf der Scheibe bilden. Während der Herstellung entstehen die Vertiefungen als Gruben (pits), die flachen Bereiche werden als lands bezeichnet.

Das Polycarbonat spielt die strukturelle Rolle; darauf wird eine dünne Aluminiumschicht mit einer Dicke von etwa 0,125 µm aufgebracht. Zum Schutz wird schließlich eine transparente Acrylschicht aufgetragen.

Die Kapazität der ersten CDs betrug etwa 650 MB; später stieg sie auf ca. 700 MB.

Lesen einer CD

Der Lesevorgang übersetzt die Abfolge von Lands und Pits in digitale Daten (Nullen und Einsen). Die Daten sind auf einer einzigen spiralförmigen Spur über die gesamte Oberfläche der Scheibe vom Inneren nach außen angeordnet. Die Spurbreite beträgt nur etwa 0,5 µm und der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen der Spirale ca. 1,6 µm.

Der Lesekopf besteht aus einem Laser und einer photoelektrischen Zelle. Der Laserstrahl trifft auf die Spur der CD; je nachdem, ob der Strahl auf ein Land oder ein Pit trifft, wird unterschiedlich viel Licht reflektiert. Diese Differenz wird von der Photozelle registriert und in elektrische Signale umgewandelt.

Rotationsgeschwindigkeit

Die Rotationsgeschwindigkeit der CD bestimmt die Übertragungsrate der Daten. Die Lesegeschwindigkeit eines CD-Players für Audio (1×) liegt bei etwa 150 KB/s. Wenn man z. B. die Lesegeschwindigkeit eines 32×-Laufwerks berechnen möchte, multipliziert man die 150 KB/s mit 32.

Die Neudefinition der CD: CD-R

Im Jahr 1990 standardisierte Philips das Format CD-Recordable (CD-R). Die CD-R verwendet ähnliche physikalische Eigenschaften wie die herkömmliche CD. Anstelle von physischen Bohrungen besitzen CD-Rs Bereiche mit weniger reflektierender Färbung (tönende Schichten), die die Informationen darstellen.

CD-RW

1997 wurde das Format CD-RW (wiederbeschreibbar) definiert. Bei CD-R und CD-RW speichert die Schicht die Informationen, indem sie das Verhalten von Land und Pit simuliert. Bei CD-RW wird ein spezielles Material verwendet, dessen Zustand zwischen kristallin und amorph (nicht-kristallin) reversibel verändert werden kann, sodass die Scheibe wiederbeschreibbar ist.

4 Recorder- und wiederbeschreibbare CD-Einheiten

Neue Recorder unterstützen heute auch das CD-RW-Format (wiederbeschreibbar). Beispiel für eine Angabe der Laufwerksgeschwindigkeiten: 52X32X52

• Beschreibt CD-R mit 52×
• Schreibt CD-RW mit 32×
• Liest alle Arten von CD mit 52×

DVD-Einheiten

Die DVD erschien 1996. Sie wurde vom DVD-Forum standardisiert. Der wesentliche Vorteil der DVD gegenüber der CD ist die deutlich erhöhte Kapazität: typische Einzel-Layer-Single-Side-DVDs beginnen bei 4,7 GB und reichen bis zu 17,1 GB bei doppelseitigen, zweischichtigen Varianten.

1 DVD-Technologie

Wesentliche Innovationen der DVD im Vergleich zur CD sind:

• Kürzere Wellenlänge des Lasers, wodurch mehr Informationen auf dem gleichen Flächenbereich gespeichert werden können.
• Kleinere Mindestgröße und Trennung der Pits im Vergleich zur CD.
• Möglichkeit von zwei Schichten pro Seite.
• DVDs können ein- oder doppelseitig sein (Seite A und Seite B).

Eine einseitige, einschichtige DVD hat eine Kapazität von 4,7 GB. Durch Dual-Layer verdoppelt sich die Kapazität; bei doppelseitigen Scheiben addieren sich die Kapazitäten beider Seiten.

• DVD-5: eine Seite, eine Schicht — 4,7 GB
• DVD-9: eine Seite, zwei Schichten — ca. 8,5 GB
• DVD-10: zwei Seiten, eine Schicht pro Seite — ca. 9,4 GB
• DVD-14: zwei Seiten, eine Seite mit einer Schicht, die andere mit zwei Schichten — ca. 13,2 GB
• DVD-18: zwei Seiten, jeweils zwei Schichten — ca. 17,1 GB

Geschwindigkeit von DVD-Laufwerken

Die Basisgeschwindigkeit DVD-1× entspricht ca. 1,32 MB/s, also ungefähr das Neunfache eines 1×-CD-Durchsatzes. Von diesem Basistyp existieren Laufwerke mit Geschwindigkeiten bis zu 16× (ca. 21,13 MB/s). Physikalische Grenzen machen höhere Raten zunehmend schwierig.

Ein kombiniertes Laufwerk, dessen Kennzeichnung z. B. 52X32X52X16 lautet, bedeutet: CD-Brenner 52×, CD-RW-Schreiben 32×, CD-Lesen 52× und DVD-Lesen 16×. Die Lesegeschwindigkeit für DVD ist bei solchen Geräten in der Regel etwa drei Mal so hoch wie für CD.

2 DVD-Formate

Es gibt zwei globale Organisationen, die an der Weiterentwicklung der DVD-Standards beteiligt sind:

• das DVD-Forum
• die DVD+RW Alliance

Das DVD-Forum ist u. a. für die Spezifikationen von DVD-R und DVD-RW verantwortlich. Nicht alle Brenner sind mit beiden Formatfamilien kompatibel. Im Jahr 2004 wurde unter anderem das Format DVD+R DL (Dual Layer) eingeführt.

Flash-Memories

1 Der Flash-Speicher und seine Anwendungen

Flash-Speicher ist eine nichtflüchtige Speicherart, d. h. er behält seine Inhalte auch ohne Stromversorgung. Die Entwicklung von Flash-Speicher ist eng mit dem Aufkommen tragbarer elektronischer Geräte wie Mobiltelefonen, Digitalkameras und PDAs verbunden.

Wesentliche Vorteile von Flash-Speichern sind kleine Abmessungen und geringer Stromverbrauch. Viele Flash-Speichergeräte verbinden sich direkt über den USB-Port mit dem Computer.

USB-Kugelschreiber / USB-Stick: Dabei handelt es sich nicht um eine Speicherkarte, sondern um ein Flash-Speichermodul mit einem direkten USB-Stecker. Sie benötigen keinen separaten Kartenleser und werden häufig als USB-Stick, USB-Speicher oder USB-Flashdrive bezeichnet.

Schnittstellen für Speichereinheiten

Häufig verwendete Schnittstellen für Speichergeräte sind:

• IDE-Schnittstelle (auch ATA, ATAPI, EIDE, Ultra-DMA genannt)
• Serial-ATA (SATA)
• SCSI

Der Begriff Schnittstelle wird oft synonym für die Verbindung von CD- und DVD-Laufwerken sowie Festplatten verwendet. SCSI wird darüber hinaus auch für andere Peripheriegeräte wie Scanner oder Drucker eingesetzt.

1 Die IDE-Schnittstelle

Was ist die IDE-Schnittstelle? Sie ist unter verschiedenen Namen bekannt (ATA, ATAPI, EIDE, Ultra-DMA). Diese Schnittstelle bietet eine gute Leistung bei relativ geringen Kosten. Der aktuelle Trend geht jedoch zur Verallgemeinerung der Serial-ATA-Schnittstelle als Ersatz.

Die meisten Mainboards verfügen über zwei IDE-Anschlüsse, die den Anschluss von bis zu vier Geräten erlauben.

Anschluss und Konfiguration

Die Steuerung der IDE-Schnittstelle erfolgt meist über den Chipsatz des Mainboards. Jeder IDE-Anschluss besteht aus einer 40-poligen Stiftleiste auf dem Mainboard. Zur Verbindung der Geräte mit dem Interfacekabel wird ein Flachbandkabel mit drei Steckplätzen verwendet:

• einer für das Mainboard
• zwei für Speichergeräte

Wie beim Floppy-Kabel ist am IDE-Kabel eine farbige Markierung (oft rot) angebracht, die den Pin-1-Anschluss kennzeichnet. Moderne IDE-Kabel besitzen 80 Adern (wobei 40 Adern die Signale tragen und zusätzliche Adern als Masse/Abschirmung dienen, um Interferenzen zu reduzieren und höhere Übertragungsraten zu ermöglichen). Früher hatten IDE-Kabel nur 40 Adern.

Wenn zwei Geräte am selben IDE-Kanal angeschlossen sind, muss eines als Master und das andere als Slave konfiguriert werden. Ist nur ein Gerät am Kanal, wird es als Master konfiguriert. Die Einstellung erfolgt über Jumper auf der Rückseite des IDE-Geräts in der Nähe des Anschlusspins.

Entwicklung des IDE-Standards

Die Unterschiede zwischen den IDE-Versionen beziehen sich auf die Art und Weise, wie Informationen zwischen dem Speichergerät und dem Arbeitsspeicher des Systems übertragen werden. Ursprünglich gab es die PIO-Methode, die eine starke CPU-Intervention erforderte. Die nächste Evolution war die Einführung von DMA (Direct Memory Access), womit Informationen ohne direkte CPU-Intervention zwischen Gerät und Speicher übertragen werden können. DMA führte nicht unbedingt zu einer dramatisch höheren maximalen Datentransferrate, entlastete jedoch die CPU deutlich.

Ultra-DMA ist eine Weiterentwicklung des DMA-Prinzips mit Verbesserungen, die höhere Übertragungsraten ermöglichen.

2 Die Serial-ATA-Schnittstelle

Im Gegensatz zur parallelen Übertragung bei älteren IDE-Implementierungen erfolgt die Datenübertragung bei Serial-ATA seriell. Das Datenkabel besteht aus 7 Leitern (Pins). Serial-ATA verbessert die Belüftung im PC-Gehäuse und den Zugang zu Komponenten wie Speichermodulen oder Prozessor, da die Kabel schmaler sind.

Serial-ATA ermöglicht Datenraten von 150 MB/s (SATA I) und bis zu 300 MB/s bei späteren Versionen (SATA II). Außerdem entfällt die Unterscheidung zwischen Master und Slave, da eine SATA-Schnittstelle jeweils nur ein Gerät verbindet.

3 Die SCSI-Schnittstelle

SCSI ermöglicht das Anschließen von Festplatten, CD-/DVD-Laufwerken, Scannern und Druckern. SCSI bietet die Möglichkeit, viele Geräte pro Schnittstelle anzuschließen und arbeitet mit hohen Übertragungsraten. IDE- und Serial-ATA-Schnittstellen sind in der Regel günstiger, weshalb SCSI vor allem in Serverumgebungen eingesetzt wird, in denen die Fähigkeit, viele Geräte mit hoher Leistung zu verbinden, wichtig ist.

4 Installation der Lagereinheiten

Beim Anschluss einer Festplatte oder eines optischen Laufwerks gibt es einerseits den Datenanschluss (je nach Schnittstelle verschieden) und andererseits die Stromversorgung. SCSI-Geräte haben zum Teil zwei Datenanschlüsse (zur Kette/Terminationszwecken).

Bei der IDE-Schnittstelle muss jedes Speichermedium als Master oder Slave konfiguriert werden, wenn mehrere Geräte am selben Kanal betrieben werden. Bei SCSI werden die Geräte in einer Kette (Bus) hintereinander angeschlossen; jedes Gerät, inklusive Controller, ist mit dem vorherigen und dem nächsten verbunden. Am Ende der Kette müssen Terminatoren angebracht sein.

Bei Serial-ATA ist die Installation einfacher, da jede Schnittstelle ein einzelnes Gerät verbindet.