CD-ROM

Grundprinzip und Bedeutung

Die CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) ist ein optisches Permanentspeichermedium für digitale Daten. Sie wurde nach der Audio-CD zur zweiten wichtigen Anwendung der Compact Disc und diente vor allem zur Verteilung von Software, Nachschlagewerken, Lernmedien, Spielen und Datenbanken. Philips und Sony entwickelten das Format; ein erstes Laufwerk wurde 1985 vorgestellt, die breite Vermarktung wurde nach Veröffentlichung der Norm ISO 9660 im Jahr 1988 möglich. Die CD-ROM löste in vielen Bereichen die Diskette ab und wurde später vor allem durch DVD-ROM, USB-Stick und Internet verdrängt.

Eine normale CD-ROM hat einen Durchmesser von 12 cm, ist 1,2 mm dick und speichert üblicherweise 650 oder 700 MiB. Das entspricht etwa 74 beziehungsweise 80 Minuten Musik auf einer Audio-CD. Beschreibbare 100-Minuten-CDs können bis zu 879 MiB aufnehmen, sind aber nicht mit allen Brennern und Laufwerken kompatibel. Beim „Überbrennen“ werden Daten außerhalb des standardisierten Bereichs gespeichert; dabei können Fehler oder Datenverluste auftreten.

Aufbau und Lesen der Daten

Der Träger besteht aus einer Polycarbonat-Scheibe. Auf ihr verläuft eine einzige spiralförmige Datenspur von innen nach außen. Die Informationen werden durch unterschiedliche Strukturen dargestellt: „Pits“ sind gepresste Bereiche, „Lands“ die übrigen reflektierenden Flächen. Ein schwacher Laser tastet die Spur ab. Ein Übergang von Pit zu Land oder von Land zu Pit bildet eine 1; bleibt die Struktur gleich, also Land/Land oder Pit/Pit, entsteht eine 0.

Damit bei aufeinanderfolgenden Einsen keine zu kurzen Pits und Lands entstehen, werden die Daten mit der 8-zu-14-Modulation umkodiert. Zusammen mit drei trennenden Merge-Channelbits ergeben sich 17 Kanalbits für ein Datenbyte.

Am Anfang der Spur liegt ein Inhaltsverzeichnis. Bei Daten-CDs enthält es normalerweise nur die Positionen der Tracks. Die Positionen der Dateien und Verzeichnisse stehen dagegen im Dateisystem innerhalb dieser Tracks. ISO 9660 ermöglicht das Lesen auf verschiedenen Computersystemen. Darauf aufbauende Spezifikationen sind Rock Ridge für UNIX, Joliet für Windows und El Torito für startfähige, also bootfähige, CD-ROMs.

Für eine gleichmäßige Datenabtastung wird die Drehzahl an die Position des Lasers angepasst. Bei einfacher Geschwindigkeit dreht sich die CD innen mit ungefähr 520 Umdrehungen pro Minute und außen mit ungefähr 210 Umdrehungen pro Minute. Die Nutzdatenrate beträgt dabei etwa 153,6 kB/s im CD-ROM Mode 1; eine Audio-CD erreicht 176,4 kB/s. Bei maximal 72-facher Lesegeschwindigkeit sind bis zu 11,06 MB/s möglich. Zusätzlich werden Informationen für Synchronisation, Codierung und Fehlerkorrektur gelesen.

Industrielle Herstellung

Die industrielle Produktion beginnt mit dem Premastering. Dabei werden die Nutzdaten zusammengestellt und um Synchronisationsbytes, Header-Informationen sowie einen Fehlererkennungscode ergänzt. Zur Korrektur von Lesefehlern dient der Cross-interleaved Reed-Solomon Code (CIRC).

Beim anschließenden Mastering überträgt ein starker Laser die vorbereiteten Daten auf eine lichtempfindliche Schicht. Diese wird ausgewaschen und versilbert, sodass ein Glasmaster als Negativ der späteren CD-ROM entsteht. Meist wird er mit Nickel galvanisiert; das dadurch erzeugte Werkzeug heißt „Vater“.

Die eigentliche Pressung erfolgt durch Spritzprägen. Flüssiges Polycarbonat wird mithilfe des Masters in eine Form gepresst. Danach erhält die Scheibe eine Aluminiumschicht und wird versiegelt. Häufig wird auf der Oberseite im Siebdruckverfahren ein Label angebracht. Weil die CD von oben geprägt, aber von unten gelesen wird, erscheinen die Pits von der Leseseite aus als Erhebungen. Beim Abtasten machen die Übergänge zwischen Pit und Land die gespeicherten Signale erkennbar.

Normen, Medienarten und Formate

Die technischen Grundlagen der CD-ROM sind im „Yellow Book“ für Daten-CDs festgelegt; das „Orange Book“ behandelt beschreibbare CD-Formate mit Multisession-Fähigkeit. Nur bei Einhaltung der entsprechenden Spezifikationen darf das von Philips vergebene Compact-Disc-Logo verwendet werden. Weitere maßgebliche Standards sind ISO/IEC 10149 und der identische Standard ECMA-130. Innerhalb der maximalen Toleranzen der CD-Norm liegen höchstens 359849 Extents zu jeweils 2048 Bytes beziehungsweise 79:59,74 Minuten.

Wichtige Medienarten sind:

• CD-ROM: industriell gepresste und beliebig oft vervielfältigte, nur lesbare Compact Disc.
• CD-R: einmal beschreibbare CD.
• CD-RW: löschbare und mehrfach wiederbeschreibbare CD.
• DVD: Nachfolger der CD mit vielfacher Speicherkapazität.
• HD-ROM: Weiterentwicklung der CD-ROM von Norsam Technologies und IBM.

Zu den Formaten und möglichen Inhalten gehören CD-DA für Audio, das inzwischen veraltete Multimedia-Format CD-i, MiniDVD mit DVD-konformen Daten auf einer Standard-CD, die aus zwei Datenbereichen und einem Trennbereich bestehende GD-ROM sowie CD-MRW für das Beschreiben von CD-R- und CD-RW-Medien in Mount-Rainier-fähigen Laufwerken. Neben ISO 9660 kann UDF (Universal Disk Format) als plattformunabhängiges Dateisystem für optische Medien ISO 9660 ergänzen oder ersetzen. Weitere spezielle Formen sind CD-ROM XA („eXtended Architecture“) und CD-Extra.

Lebensdauer und Archivierung

Die Lesbarkeit einer CD hängt von der Produktqualität, den Lagerbedingungen, dem Trägermaterial, der Reflexionsschicht und der Schutzlackierung ab. Als Reflexionsmaterialien kommen Aluminium, Silber oder Gold vor; der Datenträger besteht meist aus Polycarbonat, in einzelnen Fällen aus Glas. Ungeeignete Lacke, Farben oder Beschriftungen mit Permanentmarker oder Kugelschreiber können die Reflexionsschicht innerhalb weniger Monate bis Jahre beschädigen. Schlecht produzierte CDs können bereits nach einigen Jahren Lesefehler zeigen.

Viele CDs aus den 1980er und 1990er Jahren sind bei nicht zu ungünstiger Lagerung weiterhin lesbar. Die Angaben zu optimalen Bedingungen unterscheiden sich: Genannt werden Temperaturen zwischen −10 °C und +23 °C sowie 20 % bis 50 % relative Luftfeuchtigkeit. Häufig werden nur sehr geringe zeitliche Schwankungen empfohlen, bis hinab zu 0,6 K innerhalb von 24 Stunden beziehungsweise 5 % relativer Luftfeuchtigkeit innerhalb von 24 Stunden. Licht, Kratzer und mechanische Belastungen sollen vermieden werden; zur Aufbewahrung werden Jewel Cases empfohlen.

Die in den 1980er Jahren geplante Century-CD sollte einen Glasträger und eine Goldbeschichtung besitzen. Vorgesehen waren mindestens 100 Jahre garantierte und wahrscheinlich mehr als 1000 Jahre tatsächliche Haltbarkeit; über eine praktische Umsetzung ist heute kaum etwas bekannt. Nach dem im Artikel genannten Erkenntnisstand eignen sich DVDs besser für die Langzeitspeicherung, weil ihre Informationsschicht im Inneren besser geschützt ist. Dauerhafte Archivierung hängt jedoch nicht nur vom Medium ab: Auch passende Lesegeräte sowie die spätere Interpretierbarkeit des Dateisystems und der gespeicherten Daten müssen erhalten bleiben.

Multimedia und Computerspiele

Seit Mitte der 1990er Jahre verbreiteten sich mit CD-ROM-Laufwerken zahlreiche Lexika, Bildungs-, Unterhaltungs- und Edutainment-Produkte. Sie wurden häufig mit Director von Macromedia, seltener auf HTML-Basis erstellt. Museen und Ausstellungen nutzten CD-ROMs außerdem in Informationsterminals, um Texte, Bilder, Audio und Video interaktiv zu präsentieren. Noch zu Beginn der 2000er Jahre galt die interaktive Multimedia-CD-ROM als technisch und konzeptionell aktuelles Medium. Danach wurde sie durch die größere Speicherkapazität von DVD-ROM und USB-Stick sowie durch das schnellere und zunehmend multimediale World Wide Web weitgehend abgelöst. Sie blieb in Nischen erhalten, etwa für manche jährlich aktualisierten professionellen Datenbanken oder als Ergänzung zu Printmedien. Ein Vermarktungsproblem ist die einfache Kopierbarkeit: Digitale Abbilder lassen sich verbreiten und durch virtuelle Laufwerke wie eingelegte physische CDs verwenden.

Die ersten Multimedia-Computerspiele auf CD-ROM erschienen 1991; zuvor waren für ein Spiel oft mehrere Disketten nötig. Als erstes solches PC-Spiel nennt der Artikel „Sherlock Holmes: Consulting Detective“. Frühe Konsolenlösungen waren der FM Towns Marty von Fujitsu aus dem Jahr 1991 mit eingebautem Laufwerk und die PC Engine, für die ab 1988 ein externes CD-ROM-Gerät verfügbar war. Frühe CD-Spiele entsprachen häufig weitgehend ihren Diskettenfassungen, boten aber teilweise zusätzliche Zwischensequenzen und Musik, die während des Spiels direkt von der CD abgespielt wurde.