Das in Abb. 3 auf Seite 12 mit DR gekennzeichnete Gerät ist das DVD-ROM-Laufwerk.

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1 DVD-ROM Das in Abb. 3 auf Seite 12 mit DR gekennzeichnete Gerät ist das DVD-ROM-Laufwerk. DVD-ROM-Laufwerke dienen zum Lesen von DVDs und CDs. Diese Laufwerke können also keine Daten aufzeichnen (ROM = Read Only Memory nur lesen), sondern sie lediglich lesen. Um den Aufbau eines DVD-ROM-Laufwerks leichter verstehen zu können, schauen wir uns erst einmal an, wie Daten auf einer DVD gespeichert werden. Wie in nachfolgender Abbildung gezeigt, besteht eine DVD aus Spuren, die spiralförmig von innen nach aussen verlaufen. Abb. 22: Spuren auf einer DVD 25

2 # efmipn Die Spuren bestehen dabei aus einer Folge verschieden langer Erhöhungen, den sog. Pits, die auf dem sog. Land aufgebracht sind. Pits Land Abb. 23: Pits und Land Pits und Land sind aus dem gleichen Material und mit einer Aluminium-Schicht verspiegelt, so dass sowohl Pits als auch das Land auftreffendes Licht reflektieren. Die reflektierende Seite ist mit einer Schicht aus Polycarbonat vor Kratzern geschützt, die andere Seite dient der Beschriftung der DVD. Von der Seite betrachtet, ergibt sich für Pits und Land somit folgendes Bild: Drehrichtung Beschriftung der DVD/Etikett Träger (Land) Pit Land Leseseite der DVD Polycarbonat reflektierende ALU-Schicht Abb. 24: Aufbau einer DVD-ROM 26

3 Zum Auslesen der DVD wird die Leseseite der DVD mit einem Laser bestrahlt und das von der ALU- Schicht reflektierte Laser-Licht von einem Photo-Detektor aufgefangen. Drehrichtung Beschriftung der DVD/Etikett Träger (Land) Pit Land Leseseite der DVD Polycarbonat reflektierende ALU-Schicht Halbdurchlässiger Spiegel Laser Photo-Detektor Auswertung der Signale Umwandlung in einzelne Byte Abb. 25: Prinzip-Darstellung eines DVD-ROM-Laufwerks Angenommen, die DVD bewegt sich in der angegebenen Drehrichtung. Was für ein Licht-Signal kommt dann beim Photo-Detektor an? Auf den ersten Blick scheint sich beim Photo-Detektor keine Änderung des Licht-Signals zu ergeben, da sowohl die Pits als auch das Land das Laser-Licht reflektieren. Wenn die Höhe der Pits auf dem Land jedoch ein Viertel der Wellenlänge des Lasers beträgt, erscheint das von den Pits reflektierte Licht wesentlich dunkler als das vom Land reflektierte Licht. Warum? Nachfolgende Abbildung zeigt mehrere Licht-Wellen. Die oberen beiden Wellen sind dabei in Phase, die unteren beiden sind gegenphasig, haben also einen Phasenversatz von 180. einzelne Lichtwellen Summe konstruktive Interferenz: destruktive Interferenz: Abb. 26: Konstruktive und destruktive Interferenz Man erkennt deutlich, dass sich bei der Addition beider Wellen bei gleichphasigen Wellen eine gleichartige Welle mit grösserer Amplitude ergibt. Die Wellen überlagern sich also konstruktiv, man spricht von konstruktiver Interferenz. 27

4 gegenphasigen Wellen beide Wellen genau auslöschen. Die Wellen überlagen sich also destruktiv, man spricht von destruktiver Interferenz. Betrachtet man die Pits und das Land auf der DVD von der Leseseite her, fällt folgendes auf: konstruktive Interferenz destruktive Interferenz Ansicht von unten (Leseseite) Laser Abb. 27: Auftreffen des Lasers auf der DVD Trifft der Laser auf reines Land, wird er einfach reflektiert. Trifft der Laser jedoch auf ein Pit, so trifft er neben dem Pit auch noch auf Land, da der Radius des Laserstrahls grösser ist als die Breite eines Pits. Das reflektierte Laser-Licht enthält also sowohl Licht, das vom Land reflektiert wurde, als auch Licht, das vom Pit reflektiert wurde. Nachfolgende Grafik zeigt diese Situation von der Seite betrachtet. Darunter ist das von der DVD-Spur reflektierte Laser-Licht abgebildet, das dann auf den Photo-Sensor trifft. Ansicht von der Seite (Querschnitt) qq.ie#eb8-ka von der Leseseite reflektiertes Laserlicht konstruktive Interferenz (es wird viel Licht reflektiert) destruktive Interferenz (es wird fast kein Licht reflektiert, da sich die Wellen gegenseitig auslöschen) Abb. 28: Reflexionen an der DVD 28

5 Die rotierende DVD reflektiert also beim Auftreffen des Laserstrahls auf Land das komplette Licht. beim Auftreffen des Laserstrahls auf Pits fast kaum Licht. Der Photo-Detektor bekommt dabei bei rotierender DVD eine Folge von Licht an/licht aus mit, die er als Rechteck-Spannung an einen im DVD-Laufwerk eingebauten Chip weiterleitet. Spannung + Abb. 29: Vom Photo-Detektor erzeugte Rechteck-Spannung Zeit Dieser Chip tastet die Rechteckspannung ab und wandelt die darin gespeicherte Information in Bits um. Die Bits sind jedoch nicht direkt als Pits und Land codiert. Das hat folgende Gründe: Sich rasch ändernde Bitfolgen wie z.b können vom Laser nicht mehr aufgelöst werden. Bei sich sehr langsam ändernden Bitfolgen wie z.b geht die Synchronisation verloren, d.h. es kann nicht genau gezählt werden ob jetzt bspw. 23 oder 24 Nullen in der Bitfolge vorkamen. Das liegt daran, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit der DVD während des Lesens schwanken kann und Zeitmessungen dadurch nur für relativ kurze Zeiten in die von der aktuellen DVD-Spur zurückgelegte Strecke (und damit die Anzahl der Bits) umgerechnet werden kann. Aus diesen Gründen hat man bei der Standardisierung der DVD folgendes festgelegt: es müssen auf der DVD immer zwei Pit-Stellen bzw. zwei Land-Stellen in Folge auftreten, d.h. es darf keine Kombinationen 101 oder 010 geben. nach spätestens zehn Pit-Stellen oder zehn Land-Stellen muss ein Wechsel stattfinden. Zwischen zwei Einsen können also zwei bis zehn Nullen auftreten. Dies führt zur sog. Eight-to- Fourteen-Modulation (EFM), in der ein Byte (8 Bits) durch 14 sog. Channel-Bits kodiert wird. 3 Damit auch beim Aneinanderfügen von Channel-Codewörtern die obige Forderung nicht verletzt wird, werden zwischen zwei Channel-Codewörtern noch drei sog. Merge-Bits eingefügt. Zur Codierung eines Bytes sind somit = 17 Bits notwendig. Diese Bits werden zusammen mit weiteren Bits zur Fehlerkorrektur und Adressierung als Pits und Lands auf die DVD gepresst. Aus Gründen der Fehlerrobustheit werden gesetzte Bits (1) dabei immer nur als Pit-/Land- bzw. Land- /Pit-Übergang codiert. Eine Folge von Pits oder Lands entspricht immer gelöschten Bits (0). 3 Von den mit 14 Bit darstellbaren 2 14 Bitkombinationen entsprechen lediglich 267 Kombinationen den oben genannten Forderungen. Von diesen 267 gültigen Folgen wurden 256 ausgewählt, um ein Byte (8 Bit, also 2 8 = 256 verschiedene Werte) zu codieren. 29

6 Abb. 30: Codierung der Bits in Pit-/Land-Übergange 30

7 Zur Erhöhung der Speicherkapazität können auf jeder DVD-Seite Daten auf zwei Ebenen, den sog. Layern abgespeichert werden. Der dem Laser nähere Layer ist dabei halbtransparent ausgeführt, so dass der Laser von diesem zwar reflektiert wird, der untere Layer aber auch noch erreicht werden kann. Die Auswahl der Layer erfolgt durch Einstellung des Brennpunkts des Lasers (Bewegung der Linse) entweder auf den einen oder den anderen Layer. reflektierender Layer halbtransparenter Layer verschiebbare Linsen Abb. 31: Doppel-Layer DVD Die Verschiebung der Linsen kann beispielsweise über Schrittmotoren oder Elektromagnete erfolgen. Nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer DVD-Mechanik. Linse DVD Antriebsmotor Gewindestange Spulen zur vertikalen Positionierung der Linse Motor zur horizontalen Positionierung der Linse Abb. 32: Prinzip-Aufbau einer DVD-Mechanik Im echten DVD-Laufwerk sieht das folgendermaßen aus: Abb. 33: DVD-Laufwerk 31

8 In der Grossaufnahme kann man den Motor zum horizontalen Verschieben der Linse gut erkennen: Auflagepunkt für die DVD (Antrieb) Motor zum horizontalen Verschieben der Linse Linse Abb. 34: Innenleben eines DVD-ROM-Laufwerks Die horizontale Positionierung der Linse erfolgt folgendermaßen: Zunächst wird die ungefähre Position der Linse durch Parameter wie Spurbreite, mittlere Pit- Länge etc. berechnet. Anschliessend wird die Linse an die berechnete Position gefahren und und es werden einige Daten gelesen; die gelesenen Daten enthalten dabei in einem Header abgelegte Adressinformation. Header mit Adress-Information Daten Trailer Abb. 35: Auf der DVD werden Adressinformationen im Header gespeichert Diese Adressinformation wird jetzt weiterverwendet, um eine genauere Positionierung der Linse vorzunehmen. 32

9 Vergrössert man den Bildausschnitt noch weiter, kann man auch gut die Elektromagnete/Spulen erkennen, mit denen die Linse vertikal positioniert wird: Spulen zur Positionierung der Linse Linse Spulen zur Positionierung der Linse Abb. 36: Vertikale Positionierung der Linse durch Elektromagnete/Spulen 33

10 DVD-Brenner Das in Abb. 3 auf Seite 12 mit DB gekennzeichnete Gerät ist ein DVD-Brenner. DVD-Brenner funktionieren im Prinzip genauso wie DVD-Leser. Die DVD-Medien sind jedoch anders aufgebaut: Unterhalb der Reflektierenden Schicht ist eine spezielle Schicht eingebracht, die sich bei Bestrahlung mit sehr starkem Laser-Licht dunkel färbt und das Licht dann nicht mehr so gut reflektiert. Auf diese Weise wird die gegenphasige Auslöschung der DVD-ROM nachgeahmt. Drehrichtung Beschriftung der DVD/Etikett Schutzschicht Pit reflektierende Schicht Land Leseseite nicht reflektierende schwarze Punkte Polycarbonat Abb. 37: Beschreibbare DVD (DVD-R) Bei beschreibbaren DVDs muss das Laufwerk die Adresse der zu beschreibenden Stellen finden können. Nachfolgende Grafik zeigt das Verfahren, das bei der DVD+RW angewendet wird: Die Pits werden in eine Art Spurrille, den sog. Grooves geschrieben. Die Seiten der Grooves sind jedoch nicht gerade, sondern durch eine Modulation von Sinus-Signalen geprägt. Diesen wellenförmigen Seiten kann das DVD-Laufwerk die Information über die aktuelle Position auf der DVD entnehmen und damit Daten adressieren. Grooves (Vertiefungen) Land Pits Abb. 38: Adressierung von beschreibbaren DVDs Im Gegensatz zu einmal beschreibbaren DVDs (DVD-R) müssen mehrfach beschreibbare DVDs auch gelöscht werden können. Dies wird durch eine spezielle Metall-Legierung als Reflexionsschicht erreicht: In Abhängigkeit der Stärke des Lasers, der die DVD beschreibt, wird das Material entweder amorph (ungeordnete Anordnung der Moleküle, schlecht reflektierend) oder kristallin (regelmäßige Anordnung der Moleküle, gut reflektierend). 34

11 Festplatte Das in Abb. 3 auf Seite 12 mit FP gekennzeichnete Gerät ist die Festplatte. Abb. 39: Festplatte Die Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium, das sehr grosse Datenmengen aufnehmen kann. Aufgrund des technischen Fortschritts können ca. alle 12 Monate Festplatten mit doppelter Kapazität hergestellt werden. Im Inneren bestehen Festplatten in der Regel aus ein bis vier drehbar gelagerten festen Platten (deswegen der Name Festplatte im Gegensatz zur biegsamen Floppy-Disk [engl. floppy = schlapp]), die übereinander montiert sind und immer gleichzeitig gelesen bzw. beschrieben werden. Die Platten sind in der Regel entweder aus Aluminium oder aus Glaskeramik gefertigt und mit einer magnetisierbaren Oberfläche (z.b. Eisenoxyd, Kobalt etc.) beschichtet, auf der noch eine Schutzschicht aus Graphit aufgebracht wird. Armpositionierung (Elektromagnet) Permanentmagnet Schreib-/Lese-Kopf schwenkbarer Arm magnetisierbare Speicherplatte Anschluss für die Elektronik Abb. 40: Aufau einer Festplatte 35

12 Das Abspeichern von Daten auf die Festplatte erfolgt durch die sog. Schreib-/Leseköpfe, die (wie bei einer Audio-Cassette) Teile der Plattenoberfläche magnetisieren (vgl. nachfolgende Abbildung). Magnetfeldlinien Spule + - Schreib-/Lesekopf N N S S N N S S N N S magnetisierbare Schicht Bewegungsrichtung der Platte Trägermaterial aus Glaskeramik Stromverlauf beim Schreiben t Abb. 41: Datenspeicherung auf der Festplatte durch Magnetisierung Nachfolgende Abbildung zeigt den Vorgang der Magnetisierung der Festplatte. + Spule - III Magnetfeldlinien geordnete Elementarmagnete ungeordnete Elementarmagnete N S Magnetisierung (Äquivalent-Magnet) keine Magnetisierung Abb. 42: Magnetisierung 36

13 Die Schreib-/Leseköpfe haben die Gestalt eines auf einer Seite aufgesägten O und sind mit einer Spule umgeben. Wird die Spule bestromt, bildet sich in ihr ein Magnetfeld, das durch den Schreib- /Lesekopf (eine Art Ferrit) geleitet wird. Da Feldlinien stets geschlossen sind, bildet sich zunächst im Luftspalt des Schreib-/Lesekopfes (die aufgesägte Stelle ) ein Magnetfeld. Wird der Spalt in die Nähe der magnetisierbaren Platte gebracht, schließen sich die Feldlinien nicht mehr über die Luft, sondern über das magnetisierbare Material, da sich Feldlinien leichter über magnetische Leiter als über magnetische Nichtleiter schließen. 4 Durch die magnetische Kraft der Feldlinien werden die im Plattenmaterial befindlichen Elementarmagnete dabei so geordnet, dass sie ihre Nord-Süd-Ausrichtung alle in dieselbe Richtung haben. Die Feldlinien der Elementarmagnete heben sich dann also nicht mehr gegenseitig auf (wie auf der rechten Seite von Abb. 42), sondern bilden zusammen einen Äquivalent-Magneten (linke Seite von Abb. 42). Diese Äquivalent-Magnete bilden die in Abb. 41 gezeigten Magnetfeldlinien, die dauerhaft erhalten bleiben. Schaltet man die Stromversorgung der Spule des Schreib-/Lesekopfes ab, lässt sich mit dem Schreib- /Lesekopf die zuvor auf die Platte aufgebrachte Magnetisierung wieder detektieren. Magnetfeldlinien Strommessung (siehe Stromverlauf) Spule N N S S N N S S N N S + OpAmp - Schreib-/Lesekopf magnetisierbare Schicht Bewegungsrichtung der Platte Trägermaterial aus Glaskeramik Stromverlauf beim Lesen t t 1 t 2 Abb. 43: Auslesen von der Festplatte Detektiert werden dabei lediglich die Grenzen unterschiedlicher Magnetisierung, die sich in kurzen Stromstößchen (einige µa) äussern (vgl. Abb. 43). Diese Unterschiede im Stromverlauf werden mit geeigneten elektrischen Schaltungen verstärkt, detektiert und dann ausgewertet. Die abgespeicherte Information steckt dabei in den unterschiedlichen Längen zwischen den Stromstößen. In Abb. 43 ist erkennbar, dass die Zeit t 1 wesentlich kürzer ist als die Zeit t 2. Diese Zeitunterschiede werden von dem auf der Festplatte integrierten Controllerchip (Festplatten-Controller) registriert, ausgewertet und in einzelne Byte dekodiert. Diese Byte stellen dann die auf der Festplatte abgespeicherte Information dar. Um die Oberfläche der Festplatte nicht zu beschädigen, sind die Schreib-/Leseköpfe auf einem sog. Schlitten montiert, der im Betrieb durch den von den Platten verursachten Luftzug nach oben gedrückt wird. Die Schreib-/Leseköpfe liegen also beim Schreiben/Lesen nicht auf den Platten auf, sondern schweben ganz knapp über ihnen. Wird die Festplatte ausgeschaltet, verringert sich die Rotation der Platten und der Luftzug reicht nicht mehr aus, um die Köpfe über den Platten schweben zu lassen. Deshalb wird der schwenkbare Arm, auf dem die Köpfe montiert sind, in eine Park-Position gezogen. 4 Das ist wie beim elektrischen Strom, der auch lieber durch einen Leiter als durch einen Nichtleiter fließt: Überbrückt man einen Widerstand (Nichtleiter) mit einem Draht (Leiter), dann fließt der ganze Strom durch den Draht und nicht durch den Widerstand. 37

14 Die Park-Position sind Spuren am Innenrand der Platten, da dort die Plattengeschwindigkeit am geringsten ist, der Abrieb beim Landen der Köpfe also gering bleibt. Da die Spuren im Landebereich der Köpfe nicht zum Abspeichern von Daten verwendet werden, tritt kein Datenverlust auf. Um auf der Festplatte gespeicherte Informationen zu finden, müssen die Daten auf der Festplatte in irgendeiner Form organisiert sein. Dazu werden die einzelnen Platten in sog. Spuren aufgeteilt. Zone Library Spur Yi. Sektoren Abb. 44: Spuren und Sektoren bei einer Festplatte Da die Platten übereinander montiert sind, bilden die übereinander liegenden Spuren jeweils einen Zylinder, weswegen man mit dem Begriff Zylinder alle übereinander liegenden Spuren meint. Platten Alle übereinander liegenden Spuren bilden jeweils einen Zylinder Abb. 45: Zylinder Aktuelle Festplatten verfügen über mehrere tausend Zylinder, also mehrere tausend Spuren pro Plattenoberfläche, wobei die Platten auch beidseitig beschrieben werden. Da die Spuren mehrere Mega- 38

15 byte (MB) gross sein können, werden die Platten zudem noch in Sektoren (vgl. Abb. 44) eingeteilt. Die Sektoren sind dabei so gross, dass sie (je nach Hersteller) ca. 570 Byte an Daten speichern können. Ca. 60 dieser Byte werden für Verwaltungsinformation verwendet. Werte zur Synchronisation für den Taktgenerator, der die Zeit zwischen zwei Stromstössen (vgl. Abb. 43) nur messen kann, wenn er die genaue Umdrehungsgeschwindigkeit der Platte kennt. Prüfsummen Speicherung der Nummer des aktuellen Zylinders Speicherung der Nummer des aktuellen Sektors Speicherung der Nummer des aktuellen Schreib-/Lesekopfs Start- und Ende-Marken für den Datenbereich mehrere Leer-Byte als Toleranzzone für unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeiten Die restlichen Byte sind die Nutzdaten des Sektors, welche in der Regel 512 Byte lang sind. Das Aufbringen dieser Verwaltungsinformation wird Grundformatierung genannt. Sie steht im Gegensatz zur logischen Formatierung, bei der Betriebssystem-spezifische Daten zur Verwaltung von Dateien auf die Platten geschrieben werden (z.b. ein Inhaltsverzeichnis). Um Daten aus einem bestimmten Sektor einer bestimmten Spur einer bestimmten Platte auslesen zu können, werden die Schreib-/Leseköpfe über dem gewünschten Zylinder positioniert und der von der Festplatte gelieferte Datenstrom gelesen. Der Festplatten-Controller wartet solange, bis er in dem Datenstrom des betreffenden Schreib-/Lesekopfs die gewünschte Sektor-Nummer detektiert, macht sich dann lesebereit und liest beim Auftreten der nächsten Start-Marke solange Werte ein, bis er eine Ende-Marke detektiert. Da alle Schreib-/Leseköpfe an einem einzigen schwenkbaren Arm befestigt sind, können alle zu einem Zylinder gehörigen Spuren gleichzeitig gelesen werden. Die Positionierung der Schreib-/Leseköpfe ist dabei eine sehr heikle Angelegenheit. Betrachten Sie dazu die in nachfolgender Tabelle angegebenen typischen Daten einer Festplatte: Abmessung der Schreib-/Leseköpfe Dicke des Luftkissens, auf dem die Köpfe schweben Umdrehungsgeschwindigkeit der äußeren Spuren (Radius = 4 cm, 7200 U/min) 0,3 mm x 0,1 mm 20 nm 110 km/h Spurabstand (bei 1500 Spuren pro cm) 6,7 µm Bit-Abstand 0,5 µm Abb. 46: Festplatten-Daten Um uns diese Daten besser vor Augen führen zu können, rechnen wir sie einmal so um, dass die Dicke des Luftkissens 1 cm beträgt, die Schreib-/Leseköpfe also 1 cm über den Platten schweben. Zur Skalierung müssen wir dann alle Festplatten-Parameter mit 1 cm / 20 nm = multiplizieren. Es ergeben sich dann folgende Werte: Abmessung der Schreib-/Leseköpfe Dicke des Luftkissens, auf dem die Köpfe schweben Umdrehungsgeschwindigkeit der äußeren Spuren (Radius = 4 cm, 7200 U/min) Spurabstand (bei 1500 Spuren pro cm) Bit-Abstand 150 m x 50 m 1 cm km/h 3,35 m 25 cm Abb. 47: Skalierte Festplatten-Daten 39

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