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cd-rom und cd-r cd-rw - Referat
CD-ROM und CD-R/RW
1. Einleitung
2. Die CD-ROM
2.1 Aufbau der CD
2.2 Lesen der CD
2.3 Zukunftsaussichten für die CD-ROM
3. Das Brennen von CDs
3.1 CD-R
3.2 Unterscheidung der Reflexionsschicht - golden, grün oder blau
3.2.1 Goldene Reflexionsschicht
3.2.2 Grüne Reflexionsschicht
3.2.3 Blaue Reflexionsschicht
3.3 CD-RW
3.4 Der Schreibvorgang auf CD-R
3.5 Der Schreibvorgang auf CD-RW
3.6 Der Pregroove
3.7 Sessions
3.8 Disc at Once
3.9 Session at once
3.10 Track at Once
3.11 Buffer
3.12 Buffer-Underrun
3.12.1 Vorbeugung
3.13 Lead-in-lead-out
1. Einleitung
Die CD ist heutzutage das meistgenutzte Speichermedium. Sie kann jegliche Form von Daten digital speichern. Mit einem CD-Brenner hat man die Möglichkeit, sich solche CDs selbst zusammenzustellen. Einmal auf CD, können die Daten physikalisch nicht mehr verändert werden. Deshalb dient sie zum Speichern von Daten, die nicht mehr verändert werden müssen. So sind fast alle Anwendungen zurzeit auf CD-ROM erhältlich.
Es gibt auch CD-RW Rohlinge, die mehrfach beschrieben werden können. Sie sind aber auch teurer als normale CD-R Rohlinge.
In diesem Referat wollen wir den Aufbau einer CD, die Funktionsweise eines CD-ROM-Laufwerks und CD-R/RW vorstellen.
2. Die CD-ROM
2.1 Aufbau der CD
Eine CD besteht zum größten Teil aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial (Polycarbonat), hat normalerweise eine kreisrunde Form und hat einen Durchmesser von 120mm. Sie muss aber nicht unbedingt rund sein, es sind auch andere Formen möglich.
Die Daten werden auf der Kunststoffschicht in „Pits“ (Vertiefungen) und „Lands“ (Erhöhungen) gespeichert und von einer 50-100nm dicken Metallschicht bedeckt, die entweder aus Aluminium, Silber oder Gold besteht. Darüber kann die CD noch bedruckt werden, z. B. mit Text und Bildern.
Ein Pit ist ca. 0,5mm groß, das ist etwa 700mal kleiner als die Spitze einer Nadel. Die Spur verläuft von innen nach außen.
Die Speicherkapazität einer CD beträgt bis zu 800MB.
2.2 Lesen der CD
Im CD-ROM-Laufwerk befindet sich ein beweglicher Laser, der die CD abtastet, über ihm rotiert die CD mit hoher Geschwindigkeit. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit ist, desto schneller werden die Daten gelesen. Der halbdurchlässige Spiegel lässt den Laserstrahl auf dem Weg zur CD durch, auf dem Rückweg lenkt er ihn so ab, dass er auch eine Diode trifft.
Der von der Metallschicht reflektierte Strahl fällt auf eine Diode, die die Lichtintensität wahrnimmt. Den Unterschied zwischen Land und Pit „erkennt“ die Diode an der unterschiedlich starken Reflexion des Lasers: Lands reflektieren das Licht vollständig, Pits dagegen nur teilweise. Die Diode wandelt die optischen Signale in elektrische Impulse um. Der Übergang von Land zu Pit entspricht dem logischen Wert „1“, alles andere stellt den Wert „0“ dar.
Durch Beschädigungen der CD, wie z. B. Kratzer auf der Oberfläche kann es zu Fehlern beim Lesen kommen. Es gibt Verfahren, mit denen solche Fehler unauffällig gemacht werden können, was aber nur bei Audiodaten sinnvoll ist. Die Daten selbst können so nicht wieder hergestellt werden.
2.3 Zukunftsaussichten für die CD-ROM
Die Menge der Daten nimmt stetig zu. Es gibt schon einige Programme, die mehrere CDs benötigen. Ein Beispiel ist die Linux-Distribution von SuSE, die 8 CDs einnimmt. Aufgrund dieser Entwicklung kann man davon ausgehen, dass die CD immer mehr von der DVD verdrängt wird, die eine viel höhere Speicherkapazität hat. Auf eine DVD passen 4,23 GB, das entspricht 6 CDs.
3. Das Brennen von CDs
3.1 CD-R
Die CD-R besteht, im Gegensatz zur CD-ROM, aus 5 Schichten. Die untere Schicht ist die Trägerschicht, die aus Polykarbonat besteht. Darauf folgt eine Schicht mit einem lichtempfindlichen organischen Farbstoff. Danach eine goldene reflektierende Schicht, die Lackschicht und noch eine zusätzliche Schutzschicht. Der lichtempfindliche Farbstoff besitzt die gleichen Brechungseigenschaften wie eine leere CD. Auf ihr sind keine Pits vorhanden sondern nur Land.
Beim Schreiben der CD-R erhitzt der Schreibstrahl die reflektierende und die Farbstoffschicht. Dadurch kommt es zu einer chemischen Reaktion, und die Reflektionseigenschaften der erwärmten Stellen ähneln denen der Pits. Liest ein CD Laufwerk eine CD-R, so erkennt es an den "gebrannten" Stellen ein Pit und an den ungebrannten Stellen Land. Die CD-R verhält sich jetzt wie eine CD-ROM. Allerdings hat die Technik den Schwachpunkt, dass sich die Reflexionen der Pits und Lands weniger stark unterscheiden als bei der CD, ein CD-Laufwerk also mehr Mühe hat, die Daten exakt auszulesen. Außerdem sind die Polymere nicht unbegrenzt stabil: Unter Einfluss von Licht und Temperatur verlieren sie an Reflexionskontrast, bis schließlich keine Daten mehr lesbar sind. Ziel der CD-R- Hersteller ist also, diesen beiden Schwächen entgegenzuwirken. Die Hersteller verwenden für die Aufzeichnungsschicht, in der die Daten eingebrannt werden, unterschiedliche Farbstoffe. Diese Farbstoffschicht wird direkt auf die durchsichtige Polykarbonat-Trägerschicht aufgebracht
3.2 Unterscheidung der Reflexionsschicht - golden, grün oder blau
3.2.1 Goldene Reflexionsschicht
verwenden den Farbstoff Phtalocyanin, er ist transparent, daher scheint auch auf der Unterseite die goldene Reflexionsschicht durch. Die Haltbarkeit solcher CD-Rs wird mit über 100 Jahren angegeben. Außerdem ist bei ihnen der Reflexionskontrast am höchsten.
3.2.2 Grüne Reflexionsschicht
Verwendet den Farbstoff Cyanin, er selbst ist zwar blau, aber zusammen mit der goldenen Reflexionsschicht erscheint die Unterseite aber grün. Cyanin ist billiger und nicht so stabil, deswegen sind diese Rohlinge auch am billigsten. Man schreibt solchen CD-Rs eine Lebensdauer von zehn Jahren und mehr zu. Grüne Medien liefern den schwächsten Kontrast, können also bei älteren CD-ROM- Laufwerken zu Lesefehlern führen.
3.2.3 Blaue Reflexionsschicht
verwenden den Farbstoff Azo und sind selten anzutreffen. Wie Cyanin ist er blau, durch eine Reflexionsschicht aus Silber bleibt das Blau jedoch nach unten sichtbar. Der Hersteller verspricht für diese Art CD-Rs eine ähnlich lange Haltbarkeit wie die der Gold-Medien.
3.3 CD-RW
Ein CD-RW Medium besitzt im Prinzip die gleichen Schichten wie CD-R Medium. Die reflektierende Schicht ist allerdings eine Silber-Indium-Antimonium-Tellurium-Legierung die im ursprünglichen Zustand eine polykristalline Struktur und reflektierende Eigenschaften besitzt.
Beim Schreiben benutzt der Schreibstrahl seine maximale Leistung und erhitzt das Material auf 500-700°C. Dies führt zu einer Verflüssigung des Materials. In diesem Zustand verliert die Legierung ihre polykristalline Struktur und nimmt einen amorphen Zustand ein und verliert seine Reflektionskraft. Der polykristalline Zustand des Datenträgers bildet die Pits, der amorphe die Lands. Zum Löschen des Datenträgers erhitzt der Schreibstrahl die amorphen Bereiche mit niedriger Leistung auf etwa 200 Grad Celsius. Die Legierung wird nicht verflüssigt, kehrt aber in den polykristallinen Zustand zurück und wird damit wieder reflektions-fähig.
3.4 Der Schreibvorgang auf CD-R
Beim Schreibvorgang wird die Träger- und Aufnahmeschicht auf ca. 250°C erhitzt. Der Pregroove führt den Schreiblaser über die CD-Oberfläche. Dieser schmilzt im Grunde nur die Schreibsubstanz an den Orten, wo eine Veränderung von 0 auf 1 gemacht werden soll. Dies geschieht mit einer Stromstärke von nur 4-8 mW (0.5mW beim Lesen).
3.5 Der Schreibvorgang auf CD-RW
CD-RW´s basieren auf dem sogenannten Phase-Change, einer magnetisch-optischen Speichertechnologie. Das heißt, dass der „Brennvorgang“ hier anders abläuft als bei normalen CD-Rohlingen. Das Schreiben erfolgt durch die Änderung des Kristallisationszustandes der Schreibschicht. Ein unterschiedlich starker Laserstrahl erzeugt zwei unterschiedliche Reflektionseigenschaften, nämlich: „kristallin“ = hohe Reflektivität und „amorph“ = niedrige Reflektivität. Diese bilden dann das herkömmliche Muster aus Pits und Lands.
3.6 Der Pregroove
Der Pregroove (oder auch Groove oder Helix) ist die in das Polykarbonat eingestanzte Spur. Sie zieht sich vom Mittelloch der CD durchgehend spiralörmig bis zum äußersten Rand. Sie dient dem Laser zur Orientierung und enthält wichtige Informationen zur Geschwindigkeitsregulierung. Die Ränder des Pregrooves sind nicht hundertprozentig gerade, sondern enthalten winzige Wellenbewegungen, aus deren Frequenz das CD-Laufwerk die Umdrehungszahl der Disc ermittelt. Bei 60 Minuten-Rohlingen ist diese Geschwindigkeit ein bisschen größer als bei 74 Minuten-Rohlingen. Der Unterschied zwischen den beiden Rohlingen ist also nicht die Länge der Spur, sondern die Geschwindigkeit beim Brennen. Durch die höhere Geschwindigkeit werden längere Pits und Lands aufgetragen, wodurch natürlich weniger Speicherplatz zur Verfügung steht.
3.7 Sessions
CDs werden in Tracks und Sessions unterteil. Eine Session (oder auch „Sitzung“) besteht aus Dateien, die in einem Vorgang auf die CD gebrannt werden. Sie umfasst einen oder mehrere Tracks. Auf einer CD wiederum können mehrere Sessions stehen (Multisession-CD). Eine Session darf höchstens einen Daten-Track, aber mehrere Audio-Tracks umfassen.
3.8 Disc at Once
Wenn man Audio-CD`s als Massenherstellung brennen will, sollte man Disc-at-Once wählen.
Hierbei wird die CD mit einer einzigen Session in einem Durchgang beschrieben und dann geschlossen. Der Laser schreibt also ohne Unterbrechung das Lead-in mit dem Inhaltsverzeichnis, sämtliche Tracks und zum Ende das Lead-out.
3.9 Session at once
Session-at-Once ist ein Widerspruch in der CD-Brenner-Technologie. Bei dieser Methode wird eine Daten-session hinter eine DAO-Audiosession gebrannt. Das ist notwendig, weil ein CD-Player nur die erste Session auf einer CD erkennen kann und nicht versucht, die Computerdaten als Musiktitel abzuspielen. Das ist auch ganz gut so, da nämlich sonst Schäden am Player verursacht werden können, und es für das Ohr auch nicht gerade angenehm wäre. Der Widerspruch liegt nun darin, dass Audio-CD`s in der Regel DAO-Discs sind und diese Singlesession-CD`s sein müssten. Es müssen beide Sessions in einem Arbeitsgang auf die CD gebrannt werden, was bedeutet, dass eine CD-Extra im Grunde gar keine Multisession-CD ist.
3.10 Track at Once
Track-at-Once ist eine Schreibtechnik, die zum einen Singlesession-CD`s brennen kann, zum anderen aber auch hauptsächlich zum Erstellen von Multisession-CD`s genutzt wird. Dies ist mit DAO nicht möglich. Bei diesem Schreibverfahren wird der Laser nach jedem Track ausgeschaltet und zum Inhaltsverzeichnis zurückgefahren, um dieses zu aktualisieren. Danach wird er an der zuletzt beschriebenen Stelle wieder angeschaltet und brennt dann den nächsten Track. Der größte Vorteil liegt also darin, dass man Audio-CD`s Stückweise erstellen kann.
3.11 Buffer
Wenn der Brenner mit dem Brennvorgang startet, werden die Daten vom Quell-Laufwerk in der Regel schneller gesendet, als der Brenner sie aufnehmen kann. In vielen Fällen ist die Datentransferrate des PC nicht sehr stabil, und es kann zu kurzen Aussetzern in der Übertragung kommen. Deshalb besitzen die CD-Brenner einen Puffer, der eine Art Zwischenspeicher darstellt. Dieser Puffer ist je nach Modell unterschiedlich groß und liegt zwischen 2 und 4Mb. Die Daten werden in diesem Puffer kurz zwischengespeichert, und der Brenner holt sich diese dann mit seiner konstanten Geschwindigkeit.
3.12 Buffer-Underrun
Am Besten wäre es, wenn der Buffer schon vor dem Brennen die gesamten Daten zwischenspeichern könnte. Dazu wäre aber ein Speicher von ca. 650Mb nötig. Beim Brennvorgang ist es aber nötig, dass der Datenstrom konstant ohne Unterbrechung vom Brenner auf den Rohling gelangt. Wenn der Brenner mehr Daten brennen will, als sich im Pufferspeicher befinden, und das Quell-Laufwerk ihn nicht so schnell befüllen kann, reißt der Datenstrom ab. Der Brenner beschreibt Teile der CD nicht. Er kann mit dem Vorgang nicht fortfahren, da keine neuen Daten mehr nachkommen. Es kommt zum „Buffer-Underrun“.
3.12.1 Vorbeugung
Mit dem sogenannten „BURN-Proof“ lässt sich dieser Fehler vermeiden. Das Laufwerk prüft beim Start des Brennvorgangs den Füllstand des Puffers. Stellt die Laufwerks-Elektronik dabei fest, dass es zu einem Buffer-Underrun kommen könnte, unterbricht sie das Brennen und „merkt“ sich genau diese Stelle. Der Brenner wird in den Wartezustand versetzt. In der Zwischenzeit wird versucht, wieder ausreichend Daten vom Quell-Laufwerk in den Puffer einzulesen. Sobald dieser wieder genügend Daten vorrätig hat, werden diese mit den bereits auf dem Rohling vorhandenen Daten verglichen. Der Brenner setzt dann den Brennvorgang an exakt der Stelle fort, an der er vorher unterbrochen wurde. Diese Technik wurde von der Firma Sanyo entwickelt.
3.13 Lead-in-lead-out
Dieser Bereich steht am Anfang jeder Session. Er wird jedoch erst beim Schließen der Session auf die Scheibe gebrannt. Im Lead-in befindet sich das Inhaltsverzeichnis (Table of Contents = TOC) der jeweiligen Session. Das Lead-out markiert jeweils das physikalische Ende einer Session und wird immer zusammen mit dem Lead-in geschrieben.
Quelle(n) für dieses Referat: http://www.mathematik.uni-hildesheim.de/pc-hardware/PCTechnik/cdrom.asp
http://www.tu-chemnitz.de/informatik/RA/kompendium/vortraege_96/CDROM/cdrom0.html
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