CD-ROM (Compact Disc)
Die CD-ROM ist ein Massenspeicher mit 650 bis 879 MByte Speicherkapazität. Als Vorlage diente die Compact-Disc (CD), die bereits Anfang der 80er Jahre als digitales Medium für Musik entwickelt wurde.
Im aufkommenden Multimedia-Zeitalter wurde es nötig die umfangreichen Computerdaten sinnvoll zu speichern. Dazu reichte die alte Diskette mit 1,4 MByte nicht mehr aus. Mit der Musik-CD war bereits ein zuverlässiger Datenträger für digitale Daten auf dem Markt. Somit war es naheliegend die Compact Disc als Speichermedium auch in der Computertechnik einzusetzen.
Compact Disc / CD-ROM
CD-ROM-Laufwerk
Aufbau einer CD-ROM
Der Durchmesser einer CD-ROM beträgt 12 cm. Die CD besteht aus Polycarbonat mit einer Dicke von 1,2 mm. Darin liegt eine reflektierende Aluminiumschicht. Sie ist einseitig mit Daten beschrieben und hat eine Speicherkapazität von 650 MByte bzw. 74 Minuten Abspielzeit.
Die Daten sind auf einer spiralförmigen, von innen nach außen, führenden Spur in Vertiefungen gespeichert. Diese Vertiefungen werden Pits (Täler) genannt. Sie sind 0,2 µm tief, 0,6 µm breit und maximal 0,9 µm lang. Der Abstand zwischen den Spuren beträgt 1,6 µm. Die Zwischenräume zwischen den Pits werden Lands genannt.
Struktur einer CD-ROM
Die Daten auf der Audio-CD werden in Tracks gespeichert. Die einzelnen Tracks werden über ein Inhaltsverzeichnis, dem Table-of-Content (TOC) angesteuert. Ein Track besteht aus mehreren Sektoren, die mit einem Zeit-Code identifiziert werden. Diese Technik ist gut für die Audio-CD. Für die Nutzung als Daten-CD mussten einige Erweiterungen her:
- Zusätzliche Header
- Dateisystem zur Verwaltung der Dateien
Die Daten auf einer CD-ROM werden in gleich großen Sektoren gespeichert. Diese Sektoren werden auf einer einzigen Spur, die spiralförmig angelegt ist, untergebracht.
Lesen der Daten
Die Laserdiode erzeugt einen Laserstrahl, der zusätzlich durch eine Linse gebündelten wird. Dieser Laserstrahl trifft auf die Unterseite der CD-ROM, durchdringt die Schutzschicht und trifft auf die Aluminium-Schicht. Dort wird er reflektiert. Das Prisma leitet den Laserstrahl zur Fotozelle weiter. Der Laserstrahl, der die Fotozelle trifft, erzeugt eine geringe elektrische Spannung.
Trifft der Laserstrahl auf einen Übergang zwischen Pit und Land, dann wird der Laserstrahl abgelenkt, was eine andere elektrische Spannung in der Fotozelle verursacht. Auf diese Weise entsteht eine Reihe von Einsen und Nullen.
Um Daten von einer CD-ROM zu lesen werden zwei Verfahren verwendet. Typisch ist das CLV-Verfahren bei der Audio-CD. Das CAV-Verfahren wird für CD-ROMs verwendet. Zur Leistungssteigerung wird eine Mischung aus CLV- und CAV-Verfahren verwendet um CD-ROMs zu lesen.
CLV - Constant Linear Velocity
Für das Lesen der Daten wird eine konstante lineare Geschwindigkeit verwendet (Constant Linear Velocity - CLV). Das bedeutet, die Drehgeschwindigkeit wird langsamer, je weiter der Laserstrahl sich dem äußeren Bereich einer CD-ROM nähert. So ergibt sich eine konstante Lesegeschwindigkeit pro Sektor. Beispielsweise ist bei einer Audio-CD eine konstante Datentransferrate und somit eine konstante Lesegeschwindigkeit vorgegeben.
Ab einer 16-fachen Drehgeschwindigkeit (16x) ist die Grenze für diese Technik erreicht. Bei einer inneren Drehgeschwindigkeit von 3.200 und außen von 8.500 Umdrehungen pro Minute gibt es Probleme mit der Passgenauigkeit und dem Rundlauf der CD-ROM.
CAV - Constant Angular Velocity
Bei CD-ROMS (Daten-CDs) kommt ein Umstand hinzu, der dazu führt, dass der Lesekopf vom äußeren Rand zum inneren Rand springen muss. Die Daten werden nicht so, wie bei einer Audio-CD, sequentiell gelesen. Die Daten befinden sich scheinbar wahllos auf der ganzen CD-ROM verteilt. Beim CLV-Verfahren müsste das Laufwerk ständig die Drehgeschwindigkeit verändern. Während dieser Anpassungsphase können keine Daten gelesen werden.
Um diesem Problem entgegenzuwirken wurde das CAV-Verfahren entwickelt. Hier drehen sich die CD-ROMs wie Festplatten gleichmäßig schnell. Egal ob am inneren oder äußeren Rand gelesen wird. Wartezeiten durch Bremsen der Drehgeschwindigkeit entfallen. Allerdings hat das den Nachteil, dass die Datenübertragungsrate im inneren Bereich niedriger ist als im äußeren Bereich. Ein x-fach Laufwerk würde seiner Bezeichnung nach nur beim Lesen im Außenbereich gerecht. Im Innenbereich reduziert sich die Datenübertragungsrate um gut die Hälfte.
Lesegeschwindigkeit von CD-ROM-Laufwerken
Eine Audio-CD wird mit einer konstanten Datenrate von 150 kByte/s ausgelesen. Dieser Datendurchsatz wird mit "1x" bezeichnet. Laufwerke, die einen 52-fachen Datendurchsatz haben, erreichen 7800 kByte/s. Diese Angabe bezieht sich auf den maximalen Datendurchsatz, was mit dem CAV-Verfahren nur im äußeren Bereich einer CD-ROM erreicht werden kann.
| Umdrehungs- geschwindigkeit |
max. Übertragungsrate |
mittlere Zugriffszeit |
| 1x | 150 kByte/s | 400 ms |
| 2x | 300 kByte/s | 300 ms |
| 4x | 600 kByte/s | 150 ms |
| 8x | 1200 kByte/s | 100 ms |
| 12x | 1800 kByte/s | 100 ms |
| 16x | 2400 kByte/s | 90 ms |
| 24x | 3600 kByte/s | 90 ms |
| 32x | 4800 kByte/s | 85 ms |
| 44x | 6600 kByte/s | 85 ms |
| 52x | 7800 kByte/s | - |
Abhängigkeit der Lesegeschwindigkeit
Durchschnittliche Drehgeschwindigkeit des Laufwerks
Ein CD-ROM-Laufwerk mit einer hohen maximalen Drehgeschwindigkeit im Außenbereich bringt nicht viel, wenn es im mittleren oder inneren Bereich einer CD-ROM nur geringe Datentransferraten hat. Das liegt an einer zu geringen Drehgeschwindigkeit.
Fehlerkorrektur
Jede CD-ROM erhält im Laufe der Zeit und durch unsachgemäße Behandlung fehlerhafte Stellen (Kratzer, Risse). Diese Stellen bringen ein CD-ROM-Laufwerk zum häufigen Wiederholen des Lesevorgangs mit reduzierter Geschwindigkeit. Arbeitet die Fehlerkorrektur gut, sind diese Vorgänge seltener. Wobei sich das positiv auf die Lesegeschwindigkeit auswirkt.
Zugriffszeit
Eine hohe Drehzahl benötigt relativ viel Zeit um auf ihre Geschwindigkeit zu kommen. In dieser Zeit ist kein Zugriff auf die Daten möglich. Die Zugriffszeit ist entsprechend hoch.
CD-Formate
Für verschiedene Anwendungen wurden verschiedene Formate entwickelt.
| CD+G | Compact Disc and Graphics für Audio und Grafik mit einer sehr geringen Verbreitung. |
|---|---|
| CD+Midi | Compact Disc mit digitaler Schnittstelle für Musikinstrumente für Audio- und Midi-Informationen mit sehr geringer Verbreitung. |
| CD-DA | Compact Disc Digital Audio ist die klassische Musik-CD mit 74 Minuten Spieldauer. |
| CD-Extra | Enhanced Music Compact Disc ist die verbesserte Musik-CD. Nachfolger der CD-Plus für Audio und Daten. |
| CD-I | Compact Disc Interactive ist die Multimedia-CD mit der Möglichkeit in den Ablauf aktiv einzugreifen (interaktiv) für Audio, Video, Fotos und Spiele. |
| CD-MO | Magnetooptische Daten-CD mit geringer Verbreitung. |
| CD-R | Compact Disc Recordable mit der Möglichkeit einmal mit Audio oder Daten zu beschreiben. |
| CD-RW | Compact Disc Rewriteable mit der Möglichkeit mehrfach mit Audio oder Daten zu beschreiben. |
| CD-ROM | Compact Disc Read Only Memory ist ein Nurlesespeicher für Daten. |
| CD-ROM XA | CD-ROM eXtended Architecture ist ein Nurlesespeicher für Daten, Text, Grafik, Bild, Audio und Video. |
| Photo-CD | Foto-CD für die Ablage von digitalen Bildern in Echtfarben. |
| Video-CD | Video-CD für Filme mit max. 74 Minuten Spieldauer im Audio- und Videoformat MPEG. Videoqualität im VHS-Format. |