CD-ROM-Formate

War am Anfang mit der Audio-CD noch alles ganz einfach, gibt es seit dem Eingreifen des Computers in die CD-Entwicklung ein ziemliches Dickicht an Informationen und verschiedenen Formaten. Wir möchten nachfolgend dem Interessierten ein paar grundlegende Information rund um CDs und deren Formate liefern.

CD-ROM ist die Abkürzung für „Compact Disk Read Only Memory“ und wurde 1985 von Philips und Sony spezifiziert, was im sogenannten „Yellow Book“ festgeschrieben ist. Die CD-ROM ist eine Erweiterung der Musik-CD und wurde spezifiziert, um digitale Computerdaten auf der Compact-Disk abzulegen, auf der aber auch digitale Töne gespeichert werden können, die allerdings in einem anderen Datenformat gespeichert sind. Die Datenformate sind durch die zwei neuen Sektorarten, Mode 1 (Computerdaten) und Mode 2 (komprimierte Musik- oder Video-/Grafikendaten) spezifiziert. Hierzu beschreibt das Yellow Book das physikalische Format der Daten, wie sie auf der CD organisiert und abgelegt werden, die durch die Art der Datenstruktur, der Fehlerkorrektur (Error Correction), durch die Anzahl der Sektoren und die Kodierungsart der Computerdaten definiert sind. Ein CD-ROM-Laufwerk für den Computer kann die CD-ROM und die CD-DA (Digital Audio) lesen, da das Aufzeichnungsformat physikalisch und die Lesetechnik vollkommen identisch sind mit denen einer Audio-CD.

Die Mode-1- und Mode-2-Daten können von einem normalen CD-ROM-Laufwerk gelesen werden, da es einfache Datenspeicherungsmodi sind. Allerdings wird im Mode 1 der gleiche Speicherbereich der CD für Audiodaten und für andere Daten benutzt. Grafikdaten werden in Mode 1 separat vom Audio Track aufgezeichnet, da ein CD-ROM-Laufwerk nicht gleichzeitig mehrere Spuren lesen kann. Mit dem Einlesen von einem Red Book Audio Track ist die maximale Datentransferrate des Laufwerks erreicht, und es kann keine anderen Daten lesen. Aus diesem Grund müssen die Programminformationen und die Daten zum Lesen eines solchen Tracks erst auf eine Festplatte kopiert werden, und erst anschließend besteht ein kontinuierlichen Zugriff auf die Audiodaten der CD.

Bei der Wiedergabe von gemischten CDs (Mixed Mode CD) verhält sich der Computer wie ein Steuergerät, in dem die Daten immer wieder in den Computerspeicher geladen und dann die Audiodaten gespielt werden. Dies verursacht Verzögerungen bei der Datenpräsentation auf dem Bildschirm, da die Audiosignale oft nicht mehr synchron zu den Computerdaten sind. Durch das ständige Einlesen und Speichern der Daten reduziert sich aber die Übertragungsgeschwindigkeit sehr stark.

Der Mode 2 wurde erst mit CD-I- und CD-ROM-X A-Standard definiert. Die CD-ROM-Kapazität hängt von dem benutzten Sektorformat oder von der Spielzeit ab und wird für Mode 1 mit 553 MBytes und für Mode 2 mit 618 MBytes angegeben.

Yellow Book Modes

Der interessante Teil des Yellow Books sind die Sektoren mit dem 4-Byte-„Sector Header“. Der „Sector Header“ im Yellow Book ist definiert als 3-Byte für Adressen plus 1-Byte als Mode-Byte. Das Mode-Byte definiert 3 Typen von Sektoren, die den Inhalt der Daten des Datenfeldes beschreiben. Die Sektorgröße ist bei Mode 1 und Mode 2 identisch, aber die verwendbare Datengröße von Mode 1 reduziert sich durch die erforderlichen Korrekturen.

Abb. 1: Diese Standards zeigen den Weg, wie die Photo-CD geschrieben ist und mit welchem Typ von CD-Laufwerk sie gelesen werden kann.

Mode 0
Das Datenfeld beinhaltet nichts als Nullen.

Mode 1
Der Wert 1, bekannt als Mode 1, beschreibt die Speicherung von Computerdaten: 2048 Bytes pro Sektor und 280 Bytes für ECC/ EDC [Error Correction and Detection Code, dieser zusätzliche Fehlerkorrekturaufwand wurde von den Anwenderdaten (User-Sector-Data) weggenommen], 12 Bytes für Synchronisation, 8 Bytes Nullen (sind reserviert), 4 Bytes für den Header (Sektor-Identifikation). Die CD-ROM-Mode-1 -Datentransferrate beträgt 150 KB/ s.

Mode-1-Sektor
Computerdaten benötigen eine höhere Dateni ntegrität als Musikdaten, darum sind zusätzliche Korrekturmaßnahmen (EDC/ ECC) erforderlich. Die nicht benutzten 8 Bytes (NULL) sind neu definiert durch CD-I und CD-ROM XA. Die überwiegende CD-ROM-Computer-Software benutzt Mode 1.

Abb. 2: Diese Abbildung zeigt die verschiedenen CD-ROM-Produkte, wie CD-DA, CD-ROM, CD-ROM-XA, CD-I und CD-R und die Media- und Gerätebeschreibungen in den Rainbow Books.

Die Rainbow Books

Die einzelnen CD-ROM-Standards sind niedergeschrieben in den farbigen CD-ROM-Standard-Büchern der Firmen Philips und Sony, die auch als die sogenannten Rainbow Books (Red, Yellow, Green, Orange) bezeichnet werden. Der Erwerb dieser Rainbow Books ist nur etwas für Entwickler, aber es gibt auch öffentlich zugängliche Beschreibungen, die die CD-ROM-Technologien und das Konzept der verschiedenen CD-Modes beschreiben.

IEC 908

Compact Disk Audio System Specification (Common Document equivalent to RED BOOK)

ISO 9660

Volume and file structure of CD-ROM for Information interchange

ISO 10149

Optical Digital Data Disk Specification (Common Document equivalent to YELLOW BOOK), beschreibt die CD-ROM-Technologie, die Charakteristik der Disk und das Konzept von Mode-1- und Mode-2-Daten.

Mode 2
Der Wert 2 steht für den Mode 2, der eine CD-ROM ohne zusätzliche Korrekturmaßnahmen (ECC/EDC) definiert. Den Sektoren in Mode 2 stehen somit 2,336 Byte unkorrigierter Anwenderdaten zur Verfügung. Der Mode 2 im Yellow Book wurde für nicht so sensible Daten wie Musik(PCM Audio)-, Video- oder Bilddaten reserviert, also Daten, die ohne zusätzlichen Fehlerkorrekturaufwand auskommen. Mode 2 wurde weiter spezifiziert im „Green Book“ in Form 1 und Form 2 (CD-I-Daten) und wird ausschließlich im CD-ROM-XA-Standard verwendet. Die CD-ROM-Mode-2-Datentransferrate beträgt 172 KB/s.

Mode-2-Sektor
Mode 2 kann von einem normalen CD-ROM-Laufwerk,aber nur mit speziellen Software-Treibern, gelesen werden.

Dateisysteme

Der Nachteil des Yellow Books war, daß es die Dateistruktur für die CD-ROM nicht beschrieb. Dies führte dazu, daß einige CD-ROM-Produzenten eigene Dateisysteme für ihre CD-ROM entwickelten. Folglich waren in den Anfängen der CD-ROM-Technik die Daten-CDs und die Laufwerke untereinander nicht kompatibel. Es mußten also erst internationale Standards bezüglich Datenstruktur und -Zugriff und ihre Schnittstellen geschaffen werden.

ISO-9660

Um einen einheitlichen Standard festzulegen, trafen sich alle an CD-ROM-Entwicklungen beteiligten Firmen im Hotel High Sierra Lodge, Lake Tahoe, Kalifornien, und erarbeiteten ein einheitliches CD-Format für die Datenspeicherung (Dateiaufzeichnungsverfahren), ähnlich einer Formatierung, genannt High-Sierra-Format. Dieses Format wurde modifiziert und erweitert und als ISO-9660-Standard festgeschrieben und ist damit heute ein Weltstandard. Das bedeutet, daß eine CD-ROM, sofern ihr Datenformat den ISO-9660-Spezifikationen entspricht, in jedem Laufwerk der verschiedenen Hersteller gelesen werden kann.

ISO-9660 definiert ein hierarchisches Dateisystem mit Verzeichnissen, Unterverzeichnissen und Pfaden. Der ISO-9660-Standard beschreibt zwei Levels, das Interchange/Level 1 (8 Buchstaben für den Namen und 3 Buchstaben für die Extension) und Interchange/Level 2 (keine Einschränkung in der Namenslänge/z.B.: CDTV ist nicht kompatibel zu CD-ROM-Laufwerken).

Der Vorteil von ISO-9660 liegt darin, daß nicht für jede Anwendung eine eigene Treiber-Software geschrieben werden muß. Um ISO-9660-Dateien auf unterschiedlichen Betriebssystemen zu lesen, wird aber eine Betriebssystem-Software-Ergänzung erforderlich. ISO-9660 beinhaltet leider aber nur eine Inhaltstabelle („Table of Contents“), wodurch die Daten nur als Single Session gespeichert werden können.

Die Dateistruktur der abgespeicherten Photo-CD-Bilder entspricht ISO-9660, nach dem Green Book, Mode 2, Form 1.

CD-ROM-XA (eXtended Architecture)

Der CD-ROM-XA-Standard, auch als das Extended Yellow Book bezeichnet, ist eine Erweiterung des Yellow Books und wurde entwickelt, um eine Brücke zwischen dem Consumer-Markt (CD-I) und der Computerwelt (CD-ROM) herzustellen. Nachdem Philips und Sony das Multimediasystem CD-I (CD Interactive Media) spezifizierten, erweiterten Philips, Sony und Microsoft den CD-ROM-Standard zum CD-ROM-XA-Standard für Multimediaanwendungen. Im Frühjahr 1989 wurde er vorgestellt und im Herbst 1991 wurde er abgeschlossen.

Der CD-ROM-XA-Standard definiert betriebssystemunabhängige CD-ROM-Formate, einschließlich des Inhalts von Mode 1 und Mode 2. Die Probleme mit gemischten Daten auf der CD-ROM wurden mit der Spezifikation von Mode 2 beendet. XA-Daten können binäre Daten, Text, Grafik, Video- und Musiksequenzen enthalten und können in Echtzeit abgespielt werden. Der Format- und Dateiaufbau entspricht weiterhin dem ISO-9660-Standard.

CD-ROM-XA ist Teil vom CD-I, und Teile, wie das Audiokompressionsverfahren ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation), sind Bestandteil vom CD-ROM-XA. Allerdings können CD-ROM-XA-Laufwerke; die die Norm erfüllen, nur Level B und C des ADPCM-Audiokompressionsverfahrens wiedergeben. Auch die Speicherung von digitalisierten Bildern (Auflösung: 640x480 Bildpunkte und 256 Farben) wird im CD-ROM-XA-Standard beschrieben. Die nächsten Schritte sind, daß Microsofts MCI (Media Control Interface) zum CD-ROM-XA-Standard kompatibel wird, und in Phase 3 soll auch MPEG-Video (Bewegtbildkompression) vom CD-ROM-XA oder CD-I unterstützt werden. CD-ROM-XA-Laufwerke sind abwärtskompatibel und können CD-ROM-Mode 1 lesen.

Der Vorteil dieser Technologie liegt darin, daß gemischte CDs mit unterschiedlichen Dateien, bestehend aus binären Daten, digitalen (komprimierten) Audiodaten, Sprache, Video, Text, Bild und Grafiken, erstellt werden können. Die gemischten Dateien können sich in zwei unterschiedlichen Sektoren (Form 1 und Form 2) befinden, die abwechselnd in Beziehung stehen und auf der gleichen Spur gespeichert sind, um diese Informationen separat oder kombiniert in Echtzeit wiederzugeben. Direkt hintereinander aufgezeichnete Audiodaten mit Daten oder Bildern werden als Interleave-Audio oder Interleaving (Verschachtelung von Dateien und Sektoren) bezeichnet. Ohne Interleave-Audio müßten die Audiosequenzen auf die Festplatte oder in den Arbeitsspeicher ausgelagert werden, während CD-ROM-Daten gelesen werden. Interleaving ermöglicht also das Aufzeichnen von verschiedenen Datenformaten und Dateien direkt hintereinander in einer CD-Spur und die synchronisierte Wiedergabe von Sprache und Bild oder mehrsprachigen CDs in Echtzeit. Die Möglichkeit des Medienmix erklärt, warum das CD-ROM-XA-Format auch als das Multimediaformat bezeichnet wird. Ein normales CD-ROM-Laufwerk kann die auf CD-ROM-XA enthaltenen Audioinformationen nicht oder zumindest nicht schnell genug verarbeiten, um eine kontinuierliche Tonwiedergabe zu gewährleisten. Eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit ist mit CD-ROM-XA-Laufwerken möglich, vorausgesetzt, ein entsprechend großer Pufferspeicher ist verfügbar (Controller oder Laufwerk), der den Computer entlastet, um die Audio- oder Bilddaten zwischenzuspeichern. Zur Speicherung werden, im Gegensatz zur Audio-CD, die Audiodaten nach dem ADPCM-Verfahren komprimiert gespeichert.

Das Auslesen von ADPCM-komprimierten Audioinformationen erfordert eine spezielle Hardware mit einem ADPCM-Decoder. Ein CD-ROM-XA-Controller entlastet den Bus und den Computerprozessor, indem die Audiodaten vom Datenstrom getrennt werden und über einen speziellen Audioprozessor dem Ausgang übergeben werden.

Mode 1 und Mode 2

Ein CD-ROM-XA-kompatibles Laufwerk muß Mode 2 lesen können. XA-Laufwer-ke sind kompatibel zu anderen CD-Platt-formen wie CD-I, Photo-CD und Sony PC/CD ROM Bookmann. Viele bestehende CD-ROM-Laufwerke können nicht auf CD-ROM-XA erweitert werden, da diese eine spezielle Firmware und/oder einen bestimmten XA-Controller für das Lesen und Dekodieren der komprimierten Daten benötigen.

Abbildung 2 zeigt den Unterschied zwischen Mode-1- und Mode-2(CD-ROM-XA-Computerdaten oder Photo-CD-Bilddaten)-Sektoren. Der einzige Unterschied zwischen den Formaten besteht darin, daß die 8 Bytes (NULL oder Reserved) nach den 2048 Bytes der Anwenderdaten durch Versetzen vor den User-Sector-Data-Block von Mode 1 zu Mode 2 werden. Mode 1 hat sich hier nicht verändert und entspricht den Spezifikationen vom Yellow Book. Diese Ähnlichkeit veranlaßte einige Lieferanten, die Gerätetreiber-Software entwickeln, den vollständigen Mode-2-Sektor (2336 Bytes) zu extrahieren, um daraus die korrekten Anwenderdaten zu gewinnen.

Mode-1-Sector
Die meisten CD-ROM-Computerdaten sind Mode-1-Daten. Die 8 Bytes, die zwischen EDC und ECC verfügbar sind, sind in Mode 1 nur mit Nullen gefüllt. Mode 1 erlaubt nur einen Mode pro Spur und kann darum nicht für gemischte Daten benutzt werden.

Mode-2-Form-1-Sector
Der einzige Unterschied zu Mode 1 ist, daß die 8 ungenutzten Bytes zwischen EDC und ECC herausgenommen und als Subheader hinter die 4 Header-Bytes gesetzt sind. Die 8 Bytes mehr in dem Daten-Header (Subheader) sind der Hinweis für XA und sagen dem auslesenden System, welche Art von Sektoren und Daten vorliegen.

Mode-2-Form-1 und -Form-2
Die Sektorformate der CD-I-Spezifikation Mode 2 wurden übernommen und aufgeteilt in zwei unterschiedliche Sektorformate, genannt Form 1 für Daten und Form 2 für Musik. Form 1 speichert ähnlich wie Mode 1 die Daten und wird für Daten mit hoher Datenintegrität eingesetzt. Form 2 wird für Video- und Audiodaten genutzt, die in 16 Audio-Kanäle und in 128 Byte Blöcke aufgeteilt sind. Die beiden unterschiedlichen Sektorformate und Datentypen können in einer Spur verschachtelt (Interleaving) sein. Die Speicherung der Audiodaten wird in das komprimierte Datenformat ADPCM verschlüsselt. Diese Methode ermöglicht, daß entweder 16 verschiedene Sprachen oder acht verschiedene Stereokanäle auf einer CD gespeichert werden können. Form 2 wurde auch in den Spezifikationen der Kodak-Photo-CD beschrieben. Sie benutzt gegenwärtig die XA-Mode-2-Form-1 - Architektur. XA-Laufwerke können nicht nur normale CDs lesen, sondern auch Photo-CDs mit der entsprechenden Software.

Mode-2-Form-1-Sector
Form 1: 2048 User Bytes (Anwenderdaten) pro Sektor mit zusätzlichen EDC-/ ECC-Fehlerkorrekturen werden benutzt. Form 1 wird für Computerdaten eingesetzt und entspricht der CD-ROM-Mode-1-Sektorstruktur. Die Datenrate beträgt etwa 150KB/s und die Kapazität etwa 540 MB. Die Bilddaten der Photo-CD werden im CD-ROM-Mode-2-Form-1 gespeichert. CD-ROM-XA-Laufwerke können Kodak-Portfolio-CDs (Bilder mit Interleave-Audio) an einem Computer abspielen. Einige Software-Gerätetreiber (Trantor Systeme) können Mode-2-Sektoren in Mode-1-Treiber unterstützen.

Mode-2-Form-2-Sector
Form 2: 2328 User Bytes (Anwenderdaten) pro Sektor ohne zusätzliche EDC-/ ECC-Fehlerkorrekturen. Der größere User-Sector-Data-Bereich bietet etwa 13% mehr Speicherplatz und damit auch eine höhere Datentransferrate (1,4 KBit/s). Die Datentransferrate beträgt etwa 174KB/s und die Kapazität etwa 613,8 MB, Mode-2-Form-2 ist meistens identisch mit CD-ROM-Version Mode 1. Die reservierten 4 Bytes am Ende können für die Qualitätskontrolle während der Disk-Produktion benutzt werden. Das Problem mit dem Mode-2-CD-ROM-XA-Format ist, daß die meisten der ersten CD-ROM-Laufwerkgenerationen es aus zwei Gründe nicht lesen können.

  1. Der 8-Byte-Subheader wird von dem Laufwerks-Controller nicht erkannt und wird als ein Teil der Daten gelesen.
  2. Der Laufwerks-Controller ist nicht ausgelegt, um die verschiedenen Interleave-Formate zu lesen.

Einige ältere CD-ROM-Laufwerke können durch entsprechende Firmware-Änderungen auf XA-Kompatibilität aufgerüstet werden. Der Vorteil der XA-Funktionen liegt darin, daß sie Daten mit MPEG, FSFMV oder ADPCM-Musik abspielen können. Durch die Verschiebung der 8-Bytes von Mode 1 zu Mode 2 haben sich auch die 2048 Bytes Anwenderdaten verschoben. Diese Ähnlichkeit ermöglicht einigen Gerätetreiber entwicklern, die zu lesenden Mode-2-Sektoren aus den 2336 Bytes unkorrigierten Daten herauszuziehen und die korrekten Anwenderdaten herauszunehmen. Damit ist es möglich, mit neuen Gerätetreibern ältere CD-ROM-Laufwerke so zu unterstützen, daß sie die Photo-CD lesen können. Aber damit werden die Korrekturmaßnahmen nicht mehr von der Controller-Hardware ausgeführt, sondern auf den Rechner verlagert. Jedoch ist die Rechnerzeit für die Korrekturen der EDC- und ECC-Werte mit den Software-Gerätetreibern sehr langsam, was die Leistungsfähigkeit (Lesegeschwindigkeit der Sektoren) der Laufwerke reduziert.

Um eine Photo-CD mit Interleave-Audio (Kodak Portfolio CD) lesen zu können, wird ein CD-ROM-XA-Laufwerk mit einem XA-Controller und XA-fähigen Software Gerätetreibern benötigt.

Vorteile CD-ROM-XA

Es besteht die Möglichkeit, zeitabhängige Daten, wie in Multimedia vorhanden, einzusetzen. Computerdaten und komprimierte Audiodaten sind in abwechselnden Sektoren, aber im gleichen Track, gespeichert. Mit einem entsprechenden Controller (Adapter-Karte) können die Audiodaten, separiert durch den Controller, separat ausgelesen werden, und nur die Computerdaten gehen über den Computer. CD-ROM-XA unterstützt ADPCM-Audio und einige Videoformate (CD-I spez.)

Die Redaktion ist weiterhin bemüht, im Rahmen der „CD-News“ verschiedene CDs vorzustellen, die für den ATARI sinnvoll sind. Unter anderem gibt es schon einige ATARI-spezifische CDs. Auf dem Markt befinden sich aber auch etliche CDs mit Sourcen, Bildern, Sounds und Fonts, die, obwohl für andere Systeme gedacht, auch für den ATARI-Anwender interessant sind. Des weiteren sind wir bemüht, funktionstüchtige Hardware-Konfigurationen vorzustellen.

JH


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