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03.05.1991 - 

CD-ROM im Einsatz auf Personal Computern (Teil 2)

PCs bewältigen mit neuen Medien riesige Datenmengen

Um das weltweite Angebot an Informationen, das sich regelmäßig im Laufe von nur sieben Jahren etwa verdoppelt, sinnvoll in den Griff zu bekommen, bietet sich mehr und mehr die CD-ROM-Technologie an. Neuerdings kann mit diesen Massenspeichern auch auf PC-Systemen, egal ob MS-DOS oder Macintosh, gearbeitet werden. Franz Fischbach* schlüsselt im folgenden Beitrag auf, wo die CD-ROM-Technologie zur Zeit steht und wo die Perspektiven dafür liegen.

Die Physik der CD-ROM: Da die CD-ROM eine Weiterentwicklung der CD-Audio darstellt, läßt sie sich nicht nur mit den gleichen Verfahren herstellen, sondern stimmt auch im Aussehen mit ihr überein. Beide Arten von optischen Platten haben einen Durchmesser von 12 Zentimetern (5,72 Zoll), sind 1,2 Millimeter dick und speichern die Daten nur auf einer Plattenoberfläche.

Zur Zeit entwickeln die Hersteller zusätzlich zu den 5,72-Zoll-CD-ROMs auch solche mit 3? Zoll Durchmesser. Allerdings läuft hier noch der Normierungsprozeß, der sich wahrscheinlich über zwei bis drei Jahre hinziehen wird.

Das Grundmaterial einer CD-ROM besteht aus Polykarbonat und ist wie die Abmessung des Datenträgers absolut identisch mit einer CD-Audio. Als eigentliche Speicherschicht wird eine hauchdünne Aluminiumoxydschicht verwendet, das heißt ein Material, das sich weder schädlich auf den Menschen auswirkt noch Probleme beim Recycling macht.

CD-ROM zeichnet Daten in Form einer Spirale auf

CDs bestehen aus drei Schichten, die von oben nach unten folgendermaßen angeordnet sind:

- Lackschutzschicht,

- reflektierende Aluminiumschicht und

- das eigentliche Trägermaterial aus Kunststoff (Polykarbonat).

Auch die Laser in den Laufwerken setzen unterschiedliche Techniken ein. Es gibt Laser mit einer Fokussierung über eine einzige Linse (Einstrahl-Laser), die den Lichtstrahl in drei Bereiche aufteilt, um die Lesespur exakt zu fixieren. Eine andere Technik erzeugt gleich drei Laserstrahlen, die das CD-ROM-Abspielgerät bei Fehlverhalten besser an schlechtere Betriebsbedingungen, zum Beispiel in einem fahrenden Auto, anpassen. Darüber hinaus ergeben sich aber keine Verbesserungen in der Grundqualität.

Beim Vergleich mit Festplatten lassen sich weitere wichtige Details auf einfache Weise erklären. Festplatte beziehungsweise Disketten speichern die Daten in konzentrischen Kreisen (Spuren), die wiederum in Sektoren eingeteilt sind. Je mehr sich die Spuren dem Mittelpunkt nähern, desto größer wird die Schreibdichte (Bit per Inch, abgekürzt: bpi.) Dagegen zeichnet die CD-ROM ihre Daten in Form einer Spirale auf, in der nicht nur die Sektoren alle gleich lang, sondern auch die Daten mit der gleichen Schreibdichte aufgezeichnet sind.

Als Folge der verschiedenen Aufzeichnungstechniken besteht auch ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen einer Festplatte und einer CD-ROM. Festplatten und Disketten arbeiten immer mit der gleichen Aufzeichnungsgeschwindigkeit und laufen stets mit der gleichen Drehzahl, Disketten sogar genormt mit 300 Umdrehungen pro Minute. Dagegen hängt die Geschwindigkeit, mit der sich die CD unter dem Lesekopf bewegt, davon ab, ob die Operationen in den Spuren am äußeren Rand der Platte, das heißt am Ende der Spirale, oder näher am Mittelpunkt ablaufen. je näher die Aufzeichnung beim Mittelpunkt liegt, desto höher wird die Drehzahl.

Speicherfläche optimal genutzt

Da die Spirale nur eine Breite von 6/10000 Millimeter hat und in einem engen Abstand von nur 1/1000 Millimeter geführt wird, nutzt eine CD-ROM ihre Speicherfläche optimal aus, weil die Bits räumlich sehr klein sind, sich die Aufzeichnungsdichte nicht ändert und die Sektoren gleich lang und in der Spirale mit 16 000 tpi (Tracs per Inch, das sind Spuren pro Zoll) - im Unterschied zur Diskette mit 96 tpi, eng nebeneinander angeordnet sind.

Der Hauptnachteil der CD-ROM liegt in der verhältnismäßig langen Zugriffszeit, die zwischen 400 Millisekunden und einer Sekunde betragen kann. Zum Vergleich dazu beträgt die Zugriffszeit bei Disketten zwischen 100 und 400 Millisekunden und bei Festplatten nur 20 bis 30 Millisekunden.

Die hohe Speicherkapazität einer CD-ROM basiert auf mehreren technischen Voraussetzungen. Zum einen liegen die Sektoren sehr dicht nebeneinander. Zum anderen belegen die Bits in der Aluminiumschicht nur kleinste Flächen, die als Vertiefungen, in diesem Fall "Pits" genannt, durch den Laserstrahl eingebrannt werden. Die ursprünglich unberührten glatten Flächen werden als "Lands" bezeichnet. Jede Änderung von einem Pit zu einem Land und umgekehrt stellt eine digitale "1" dar, während die digitale Null ("0") sich aus der Länge der Pits beziehungsweise Lands ergibt.

Anhand des "Channelcodes" erkennt das System die Länge des jeweiligen Zustands. So stellt zum Beispiel ein dauern- der Wechsel von Pits und Lands und umgekehrt eine Folge von Einsen dar, während jede Beibehaltung des jeweiligen Zustands, das heißt also jede Aufeinander- folge von Pits und Lands, als Null interpretiert wird.

Der Channelcode ermittelt nicht nur Anfang und Ende eines Binärzustandes, sondern fügt auch Adreßinformationen und Fehlercodes (Error Correction Code, abgekürzt: ECC) zur automatischen Fehlerkorrektur hinzu. Zusammen mit den jeweils darzustellenden Daten werden die Adreß- und Fehlererkennungsinformationen als binäre Signale an den Rechner übertragen, und zwar meistens zur schnellen Datenübermittlung über eine normale SCSI-Schnittstelle (Small Computer System Interface). Diese Schnittstelle verbindet das Plattenlaufwerk mit dem Platten-Controller, der sich normalerweise auf einer eigenen Steckkarte befindet. Diese Steckkarte oder Schnittstelle bietet ferner die Möglichkeit, maximal acht Platten- oder Diskettenlaufwerke hintereinander zu schalten.

Im Zuge der Datenformatierung erfolgt auch die Indizierung der einzelnen Informationsteile. Die Indizierung

- gibt jeder Informationseinheit einen unverwechselbaren Namen,

- weist der Informationseinheit einen festen Speicherplatz Zug

- legt die Länge jeder Informationseinheit fest.

Da der gesamte Index auf der CD-ROM gespeichert wird, erleichtert dies das Suchen und Wiederauffinden der Daten. Die Effektivität der Indizierung hängt einerseits von der Leistungsfähigkeit der Retrieval-Software und andererseits von der Dateistruktur beziehungsweise dem Platteninhalt ab. Als wichtiger Merksatz gilt: "Der Wert einer CD-ROM hängt vom Inhalt und vom Nutzen der Daten für den Anwender ab."

Außer den CD-ROMs als Datenträgern, dem Laufwerk als Lesestation und dem Computer als Verarbeitungs- und Steuerungseinheit ist noch ein spezielles Suchprogramm (Retrieval-Software) erforderlich, um auf bestimmte indizierte Daten schnell zugreifen zu können, beispielsweise um aus einer Million von Teilnehmern in Telefonbüchern mit Hilfe des Namens oder anderer Angaben wie der Postleitzahl, des Berufs, der Stadt, der Straße etc. in Sekundenschnelle eine Telefonnummer zu ermitteln. Das automatische Suchen setzt eine gute Retrieval-Software voraus. Welche Suchsoftware in Frage kommt, hängt sowohl von den Inhalten der gespeicherten Informationen als auch von dem jeweils eingesetzten Rechner beziehungsweise Betriebssystem ab.

Leider fehlen heute noch die Standards für eine Retrieval-Software, die sich generell für verschiedene Datenbanken wie auch in unterschiedlichen DV-Umgebungen einsetzen läßt.

Normalerweise werden CD-ROM-Platten für den Einsatz als optische Massenspeicher mitsamt der notwendigen Betriebssystem- und Anwendersoftware angeboten. Ein CD-ROM-Laufwerk kostet im Durchschnitt zwischen 1000 und 2000 Mark. Die Retrieval-Software schwankt in den Preisen sehr und ist ab 5000 bis 50 000 Mark je nach Komplexität zu haben.

Zunehmend bietet der Markt CD-ROM-Platten an, die außer dem eigentlich interessierenden Datenbestand auch noch das jeweils spezifische Suchprogramm zum Abfragen der Informationen enthält und das genau zu einer vorhandenen Systemumgebung paßt. So entwickelte beispielsweise Motorola intern eine CD-ROM, die in den drei Systemwelten MS-DOS, Unix und Macintosh lauffähig ist und damit einen großen Teil der vielseitigen Kundenwünsche nach Informationen zu den RISC-Rechnern abdeckt.

Allerdings fehlen noch die Erfahrungen, in welchen Märkten sich die CD-ROM auf Dauer durchsetzen wird. Zur Zeit laufen CD-ROMs hauptsächlich unter MS-DOS. Wird ein CD-ROM-Laufwerk in Verbindung mit dem MS-DOS-Betriebssystem eingesetzt, so muß der Treiber auch bei der Adressierung von externen Speicherplätzen die Hürde von über 32 MB überspringen. Jedes Peripheriegerät benötigt außerdem einen Treiber, um das Gerät an die Bedingungen des Rechners beziehungsweise des Betriebssystems anzupassen.

Aufgrund der Normung und der damit garantierten Kompatibilität können die Anwender zum Lesen (Abspielen) von CD-Platten die Laufwerke von verschiedenen Herstellern kaufen. Zum Abhören einer CD-Audio ist allerdings ein zusätzlicher Controller erforderlich, der das Laufwerk wie mit Hilfe einer "Fernbedienung" automatisch steuert, das heißt den Lesekopf positioniert. Ein anderer Unterschied besteht darin, daß der Controller für CD-ROM-Platten ein Verfahren zur Fehlerkorrektur enthält, obwohl die Schreib-Lese-Genauigkeit relativ hoch ist. Von 100 produzierten ROMs enthält durchschnittlich nur eine einen Fehler.

CD-ROMs erfordern ein anspruchsvolleres automatisches Fehlerkorrekturverfahren als Audio-CDs. Wenn bei Audio-Übertragungen im Millisekundenbereich ein Fehler auftritt, dann wirkt sich der auf das Hörerlebnis des Menschen kaum aus. Wenn aber auf der CD-ROM bei einer Zahl oder einem Namen ein Bit nicht mehr stimmt, dann wird die gesamte Information verfälscht.

Um die CD-ROM vor äußeren Einwirkungen weitgehend zu schützen, wird sie mitsamt einer Kassette in das Laufwerk eingelegt, die den Datenträger sowohl vor mechanischer Beschädigung in Form von Kratzern und Staub als auch vor Berührungen mit schwitzenden Händen schützt. Schweiß erzeugt nämlich leicht ein wenig Säure, die imstande sein kann, den Datenträger zu beschädigen und damit die Lebensdauer der Daten zu beeinträchtigen. Das Laufwerk öffnet die Kassette beim Einschieben automatisch und gibt somit über eine kleine Öffnung den Weg des Laserstrahls für das Lesen der Informationen frei.