Optische Speichermedien



4.1 Funktionsweise optischer Speichermedien

Optische Speichermedien speichern ihre Daten im Gegensatz zu
magnetischen Speichermedien in digitaler Form. Sie besitzen auch nur eine einzige Spur die spiralförmig von innen nach außen verläuft. In dieser Richtung taste sie auch ein Laser ab, um Daten zu lesen.
Die Datenträger bestehen im wesentlichen aus einem Trägermaterial (z.B. Kunststoff) und einer darauf aufgebrachten Reflexionschicht (z.B. Metall). Darüber liegt noch eine Schutzschicht, um die Reflexionsschicht gegen Beschädigungen zu schützen.
Die Reflexionsschicht weist Stellen mit zwei unterschiedlichen Reflexionsvermögen auf. Der Abtastlaser wird je nach Beschaffenheit der Stelle unterschiedlich zurückgeworfen. Ein Sensor (Fotodiode) registriert den reflektierten Strahl und wandelt ihn in, für den Controller verständliche Signale, also Bitwerte um.



4.2 WORM

WORM heißt ausgeschrieben Write Once Read Many. Die WORM Datenträger können einmal beschrieben werden und dann immer wieder gelesen, ähnlich einer
CD-R.
Das WORM Laufwerk besitzt zwei verschiedene Laserstrahlen. Einen zum Lesen der Datenträger und einen intersiveren zum Schreiben.
Die Datenträger sind mit einer kristallinen oder polykristallinen Beschichtung überzogen. Wenn der Schreibstrahl auf die Oberfläche trifft, wird die Beschichtung geschmolzen oder verdampft. Die geschmolzenen Stellen kühlen sehr schnell ab. Dadurch ordnen sich die Atome der Beschichtung nicht in ihrer ursprünglichen Struktur an und besitzen deshalb ein anderes Reflexionsvermögen als die Oberfläche.
Beim Lesen des Datenträgers tastet der schwächere Laser die Oberfläche ab. Ein Sensor nimmt die reflektierten Strahlen auf und wandelt sie in Bitwerte um.
Das WORM Sytem wird hauptsächlich zur Langzeitarchivierung von größeren Datenbeständen verwendet, da die Daten eine längere Haltbarkeit, bis zu 40 Jahren, als bei magnetischen Speichermedien aufweisen.
WORM Datenträger können bis zu 3,5 GByte je Plattenseite speichern. Auf sie kann mit einer mittleren Zugriffszeit von 50 ms über die SCSI Schnittstelle zugegriffen werden. Die Datenübertragunsrate ist im Vergleich zu anderen hochkapazitiven Speichermedien mit 1,2 - 2,3 MByte/s sehr gering.



4.3 Die Compact Disc

Die Compact Disc (kurz CD) ist heute neben
Festplatten das wichtigste Speichermedium. Sie kann bis zu 650 MByte Daten oder bis zu 74 Minuten Musik speichern. Auch eine Kombination von beidem ist möglich. So ziemlich jede heutige Software wird auf CD geliefert, da Disketten zu wenig Speicherplatz zur Verfügung stellen. Außerdem besitzt jeder "normale" PC ein CD-ROM Laufwerk. Somit können CD's auch weitergegeben werden, da Musik-CD, CD-ROM, CD-R und CD-RW normalerweise von jedem CD-ROM Laufwerk gelesen werden können. Somit treten kaum Kompatibilitätsproblem zwischen den verschiedenen Arten auf. Dies ist ein Grund für die weite Verbreitung von CD's.

CD-ROM
Die CD-ROM (ROM = Read Only Memory) kann nur gelesen werden. Zur Herstellung von industriell gefertigten CD-ROM's wird zunächst eine Masterkopie angelegt. Dies geschieht indem Vertiefungen auf die Oberfläche geätzt oder mit einem Laser gebrannt werden. Danach wird von der Oberfläche ein Abdruck gemacht und mit diesem Abdruck die weiteren CD's gepreßt. Dadurch entstehen die sogenannten "Pits" und "Lands". An Pits wird der Laser anders reflektiert als am Land. Ein Fotosensor im CD-ROM Laufwerk registriert dies und wandelt den zurückgeworfenen Strahl in Bitwerte um.
Die Daten, also die Pits und Lands, einer CD liegen in einer einzigen
Spur die spiralförmig, von innen nach außen verläuft. Der Abstand der Spur zu sich selbst ist nur 1,6 Mikrometer breit. Ein einzelnes Pit ist 0,83 Mikrometer lang.
Die Schichten einer CD-ROM

Die Spurgröße einer CD-ROM unterschiedliche Reflektion an Pit und Land

Die Datenübertragungsrate eines CD-ROM Laufwerks mit einfacher Geschwindigkeit beträgt 150 kByte/s. Zur Zeit gibt es Laufwerke bis 72 facher Geschwindigkeit. Das ist eine Datenübertragungsrate bis maximal 10,8 MByte/s. Die mittlere Zugriffszeit liegt je nach Laufwerk zwischen 70 und 100 ms. Angeschlossen wird das CD-ROM Laufwerk an die IDE oder an die SCSI Schnittstelle.
Ein Nachteil der CD-ROM ist, daß man seine eigenen Daten nicht darauf speichern kann. Deshalb gibt es alternativ die CD-R und CD-RW, die man selbst mit einem CD-Brenner beschreiben kann.

CD-R
CD-R Laufwerke arbeiten im Prinzip wie
WORM Laufwerke. Auch sie können nur einmal beschrieben werden und dann nur noch gelesen. 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 reflektierende Schicht, die Lackschicht und noch eine zusätzliche Schutzschicht.
Die Schichten einer CD-R
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.
Das CD-R Laufwerk eignet sich besonders um eigene Daten größeren Umfangs, die nicht auf Disketten passen, zu sichern. Der Nachteil ist, daß man einmal geschriebene Daten nicht mehr löschen kann. Für einen Preis von 2 - 3 DM pro Rohling kann man 650 MB Daten speichern. Das ist immerhin die Kapazität von 452 3,5 Zoll Disketten.
Die CD-R Laufwerke wurden fast von den CD-RW Laufwerken verdrängt, da die CD-RW Laufwerke genauso CD-R's schreiben können. Zusätzlich bieten sie noch die Möglichkeit CD-RW's, also wiederbeschreibbare CD-R's zu schreiben. Auch der Preis von CD-R Laufwerken liegt im gleichen Bereich wie CD-RW Laufwerke.
CD-R Laufwerke sind derzeit hauptsächlich nur noch als SCSI Laufwerke erhältlich. Sie können CD-R Medien mit bis zu 8 facher Geschwindigkeit (1,2 MByte/s) schreiben und CD's mit 24 facher Geschwindigkeit (3,6 MByte/s) lesen.

CD-RW
Ein CD-RW Medium besitzt im Prinzip die gleichen Schichten wie ein
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 bis 700 Grad Celsius. 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 reflektionsfähig.
Da CD-RW's ein geringeres Reflektionsvermögen als CD-R und CD-ROM besitzen kann es zu Problemen beim Lesen von CD-RW's in älteren CD-ROM Laufwerken kommen. Neuere CD-ROM Laufwerke besitzen Multiread-Fähigkeit, damit sie auch CD-RW's ohne Probleme lesen können.
CD-RW Laufwerke sind für die IDE und die SCSI Schnittstelle erhältlich. Die Laufwerke können CD-RW's mit maximal 4 facher Geschwindigkeit (600 kByte/s) und CD-R's in der IDE Version mit maximal 10 facher (1,5 MByte/s), in der SCSI Version bis maximal 12 facher (1,8 MByte/s) beschreiben. CD's können sie mit 24 facher (IDE, 3,6 MByte/s) bzw. 32 facher (SCSI, 4,8 MByte/s) Geschwindigkeit lesen. Die mittlere Zugriffszeit liegt zwischen 85 und 180 ms.



4.4 Digital Versatile Disc - DVD

Die DVD soll der Nachfolger der
CD werden. Anfänglich stritten sich die Firmen über den Standard, doch man kam auf einen gemeinsamen Nenner. Die DVD läßt sich als Ton-, Bild- und Datenträger einsetzten und somit den ganzen Multimedialen Anwendungsbereich abdecken. Dies drückt auch das "Versatile" aus, was übersetzt vielseitig bedeutet.
Die DVD hat die gleichen Abmessungen wie eine CD, kann jedoch ein vielfaches an Daten speichern. Dazu wurden die Pits auf eine Größe von 0,4 Mikrometer reduziert und der Abstand der Spur auf 0,74 Mikrometer verringert. Die Spurgröße einer DVD Um diese kleinen Pits genau abtasten zu können, wurde die Wellenlänge des Abtastlasers verringert. Man erreicht dadurch die 25 fache Kapazität einer CD. Auf der DVD kann auf zwei Ebenen übereinander und auf jeder Seite gespeichert werden. Auf einer Seite mit einfacher Speicherschicht erreicht man so eine Kapazität von 4,7 GByte. Zweiseitig und doppeltschichtig können sogar 17 Gbyte gespeichert werden. Die zweischichtige Speicherung erreicht man durch das Verwenden von halbdurchlässigem Material für die erste Schicht. Die zweite ist undurchlässig. Der Laser wird zum Lesen auf eine der beiden Schichten fokusiert.
DVD Laufwerke sind abwärtskompatibel, das heißt das sie außer DVD's auch alle Arten von CD's lesen.
Das Lesen von DVD's bei einfacher Geschwindigkeit geschieht mit einer Datenübertragungsrate von 1,3 MByte/s. DVD Laufwerke für die IDE Schnittstelle können DVD's mit maximal 16 facher DVD-Geschwindigkeit (20,8 MByte/s) und CD's mit maximal 40 facher CD-Geschwindigkeit (6 MByte/s) lesen. Die mittlere Zugriffszeit liegt dabei zwischen 85 und 140 ms. Die SCSI Laufwerke sind nicht so schnell. Sie schaffen nur 6 fach DVD (7,8 MByte/s) und 32 fach CD (4,8 MByte/s) bei einer mittleren Zugriffszeit von durchschnittlich 120 ms.
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