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Einführung Datenverarbeitungssystemevon Prof. Jürgen Plate |
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Einführung Datenverarbeitungssystemevon Prof. Jürgen Plate |
programmierter E/A-Transfer.
Direkt- Speicher-Zugriff (DMA = Direct Memory Access) ohne Ablauf
eigener Programme.
Kanäle (Großrechner) oder I/O-Prozessoren
(Micro-Computer.). Kanäle gestatten eine eingeschränkte
Fehlererkennung.
Adressierung
erforderlich. Für die Adressierung der E/A-Schnittstellen gibt
es zwei Möglichkeiten:
geringfügige Einschränkung
des Speicheradreßraums. Die E/A-Adressen werden von der CPU
genauso behandelt und angesprochen, wie Speicheradressen.
E/A-Operationen werden mit den normalen Transportbefehlen
durchgeführt (z. B. Load, Store) Einsparung
zusätzlichen Aufwandes für Adreß-/Steuerleitungen
und für spezielle E/A-Befehle.
Warteschleife,
"Polling". Dabei können zwei "Randbereiche" Probleme verursachen:
es werden Ereignisse "übersehen".
Vorteil des programmierten Transfers: Sehr einfache Schnittstellen, die übersichtlich und leicht zu verwenden sind.
Nachteil des programmierten Transfers: Für den
Transfer jedes einzelnen Datenworts wird die CPU benötigt.
Diese muss dabei relativ viel Verwaltungsaufwand leisten
(Laden/lesen EASR, Interrupt-Behandlung) die maximale
Datenrate ist sehr begrenzt.
Datentransport zwischen Speicher
und Peripherie unter Umgehung der CPU. Selbst, wen die CPU in
dieser Zeit nichts anderes tut, ist ein wesentlich schnellerer
Datentransport möglich (weitgehender Wegfall der
Verwaltungsarbeit). Daher ist DMA für den schnellen Transfer
großer Datenmengen besonders geeignet. Zum Anstoßen des
DMA-Transfers übermittelt die CPU der DMA-Schnittstelle:
Initialisierung der
Schnittstelle.
Ablauf eines DMA-Transfers:
Cycle Stealing.
Transfer eines ganzen Datenblocks.
keine
Beeinträchtigung der CPU.
Relativbewegung zwischen Speichermedium und Erregerfeld
Ausrichtung der magnetischen Elementardipole in der
Bewegungsrichtung.
Induzieren einer Spannung.
Bei Systemen mit größerem Abstand der Spuren
voneinander (z. B. Floppy-Disk, bis zu 135 Spuren/Zoll) kann die
Positionierung des Kopfes mittels eines Schrittmotors geschehen.
Bei Systemen mit kleinem Spurabstand (z.B. Festplatte, bis zu 1000
Spuren/Zoll) verwendet man ein Tauchspulensystem mit Lageregelung
(closed loop), das eine sehr präzise Steuerung des Kopfes
erlaubt. Jede Spur ist durch eine Nummer gekennzeichnet, unter der
sie adressiert werden kann Spuradresse (äußerste
Spur: 0). Zur feineren Adressierbarkeit der gespeicherten
Information ist jede Spur in einzelne Abschnitte (Sektoren)
unterteilt Sektoradresse. Der Spuranfang wird oft durch einen
Schlitz oder ein Loch an bzw. auf der Platte (Indexschlitz,
Indexloch) festgelegt. Er markiert den Beginn des Sektors 0.
Die Festlegung der Sektoren erfolgt durch spezielle,
zusätzlich zu den Daten auf die Platte geschriebene,
Informationen. Das Aufschreiben der o.g. Verwaltungsinformationen
muss vor Verwendung der Platte erfolgen Formatierung. Ein
oder mehrere Sektoren bilden einen Block (Cluster), der mit einem
Zugriff zwischen Platte und CPU transportiert werden kann. Neben
den eigentlichen Daten enthält jede Spur Adress- und
Formatierungsinformationen:
Beim Plattenstapel wird oft die oberste und/oder unterste
Plattenfläche oft nicht für
Info-Speicherung verwendet (Schutz, Sektorplatte, Servoinfo
für Steuerung). Pro Fläche ein eigener Kopf; alle
Köpfe fest gekoppelt (Kamm).
Geschichtliches:
Kopf gleitet auf Luftpolster
(Bernoulli-Effekt).
mittlere Zugriffszeit = Positionierzeit + 1/2 Umdrehungszeit
Als "Zylinder" bezeichnet man die Gesamtheit aller senkrecht übereinanderliegender Spuren (bei Einzelplatten die beiden Seiten, bei Plattenstapeln alle aktive Flächen) = alle Spuren auf allen Flächen mit gleicher Nummer = alle Spuren, die mit einer Kopfpositionierung angesprochen werden. Die Spuradresse wird zusammengesetzt aus:
Die sogenannte Aufzeichnungsdichte wird in BPI (Bits per Inch = Bits pro Zoll) angegeben. Diese erreicht Werte von 40000 BPI und mehr. Ein ebenso gebräuchliches Maß für die Aufzeichnungsdichte ist "Flux Changes per Inch" (FCI). Übersetzt bedeutet das soviel wie "Flußwechsel pro Zoll" und gibt an, wie oft die Ausrichtung der Magnetpartikel pro Zoll geändert werden kann, denn der Abstand zwischen zwei Flußwechseln kann eine bestimmte Grenze aus physikalischen Gründen nicht unterschreiten. Je höher jedoch die Werte von BPI beziehungsweise FCI sind, desto mehr Daten lassen sich auf der Festplatte unterbringen.
Schon bald entwickelte man ein Verfahren, um den Platz auf den äußeren, längeren Spuren besser zu nutzen: "Zone-Bit-Recording" (ZBR). Die Platte wird hierzu in mehrere Spurgruppen eingeteilt. Dabei wird für jede Gruppe die maximale Anzahl von Sektoren pro Spur bestimmt. Je kleiner diese Gruppen sind, desto besser ist die Ausnutzung der Platte. Im Idealfall würde für jede Spur der optimale Wert errechnet. Der Rechneraufwand für den Controller würde in diesem idealen Fall stark ansteigen, da er bei jedem Zugriff erst berechnen müßte, wie viele Sektoren auf der zu lesenden Spur untergebracht sind. Um den Rechenaufwand gering zu halten, faßt man mehrere Spuren zu einer "Zone" zusammen, in der die Sektorenanzahl der Spuren gleich ist. Das Verfahren ist also ein Kompromiß aus Geschwindigkeit und Platzgewinn.
An ein normales E-IDE-System kann man normalerweise bis zu vier Gräte anschließen, dabei werden je zwei Geräte an einen IDE-Port angeschlossen. Die beiden Ports bezeichnet man als primären und sekundären Anschluss. Die beiden Geräte an jedem Port werden in Master und Slave aufgeteilt. Ein E-IDE-System bootet (normalerweise) von der Master-Platte am primären Port. Der IDE-Bus war ursprünglich nur zum Anschluss von Festplatten gedacht, mittlerweile kann man aber auch CD-ROM-Laufwerke und Brenner, Bandlaufwerke und große Diskettenlaufwerke anschließen.
Im Gegensatz dazu kann man an einem SCSI-Controller bis zu sieben Gräte betreiben, bei Wide-SCSI sogar bis zu 15 Geräte, die jeweils über eine eindeutige ID-Nummer angesteuert werden. SCSI war schon von Anfang an dafür ausgelegt, Geräte aller Art ansteuern zu können, so ist es nicht verwunderlich, dass man an den SCSI-Bus außer den Geräten, die man bei IDE findet, auch noch Dinge wie Scanner anschließen kann.
Da an den IDE-Bus nur je zwei Geräte angeschlossen werden können, sind keine besonderen Maßnahmen zur Abschirmung getroffen worden (das hat sich aber bei Ultra-ATA2 geändert, hier wird ein 80-poliges Kabel verwendet, wobei die 40 zusätzlichen Adern nur der Abschirmung dienen). Im Gegensatz dazu sind SCSI-Kabel robuster, was elektrische Störstrahlung angeht, des weiteren sorgen Terminatoren (Abschlusswiderstände) für Sicherheit. An jedem Ende des Busses muss ein Terminator befestigt werden, der eventuelle Signalreflexionen an den Kabelenden verhindert. (Beispiel: Nur interne Geräte --> Terminator am Hostadapter (meist automatisch) und am hintersten Gerät am Kabel; oder: interne und externe Geräte > Terminator am äußersten externen und äußersten internen Gerät, keine Terminierung am Hostadapter.)
Während bei SCSI-Platten die Ansteuerungselektronik zu großen Teilen auf einem (teilweise recht teuren) Host-Adapter untergebracht ist, befindet sich diese bei IDE-Platten im Festplattengehäuse.
Geschwindigkeit
Lange Zeit galt, dass SCSI-Platten besonders schnell sind, dies ist aber schon seit einiger Zeit nicht mehr so, denn auch die IDE-Front hat sich rasant entwickelt, so dass sich beide Systeme in punkto realer Plattengeschwindigkeit nichts mehr nehmen. Die Übertragungsgeschwindigkeit bei Festplatten hat sich in den letzten Jahren rasant gesteigert. Das führte aber teilweise zu Problemen, denn die Geschwindigkeitssteigerungen wurden durch eine Erhöhung der Taktfrequenz auf dem IDE bzw. SCSI-Bus erreicht. Dadurch wurde die Gefahr durch elektrische Störungen größer. Deshalb ist die maximale Kabellänge immer kleiner geworden, z. B. waren IDE-Kabel vor 5 Jahren noch fast einen Meter lang, heute soll man moderne Festplatten nur an Kabel anschließen, die maximal 45 cm lang sind. Bei SCSI wurde die Geschwindigkeit zwar auch durch Takterhöhungen realisiert, allerdings kam dazu eine Verdopplung der Busbreite von 8 auf 16 Bit (Wide-SCSI). Im gleichen Zuge wurde dabei auch die Abschirmung der Kabel verbessert. Mit der neuesten Technik (Ultra2-Wide) wurde die Signalqualität nochmals verbessert, so dass trotz erneuter Taktverdopplung auch die maximal zulässige Kabellänge vergrößert werden konnte. Die eben erwähnten Übertragungsprotokolle haben bei genauerer Betrachtung eigentlich recht wenig mit der eigentlichen Übertragungsrate eine Festplatte zu tun, sie zeigen nur, wie viele Daten theoretisch über die Schnittstelle transportiert werden könnten. Die reale Datenübertragungsrate hängt viel mehr davon ab, wie schnell die Scheiben mit den Daten rotieren und wie dicht die Daten auf ihnen gepackt sind. Je dichter die Daten gepackt sind und je höher die Umdrehungszahl ist, desto schneller können die Daten übertragen werden. Bei Festplatten für durchschnittliche Rechner sind 5400 U/min üblich, bei stärker belasteten Computern werden aber auch Festplatten mit 7200 oder sogar 10 000 U/min eingesetzt. Man muss dabei aber beachten, dass hohe Umdrehungszahlen auch zu einer starken Lärmbelästigung führen. Neben der reinen Datenübertragungsrate ist die durchschnittliche Zugriffszeit ein weiteres Kriterium für die Geschwindigkeit einer Festplatte. Die Zugriffszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um die angeforderten Daten zu lesen. Sie setzt sich zusammen aus der Zeit, die die Platte braucht, bis die richtige Stelle beim Lesekopf angekommen ist (also im Durchschnitt eine halbe Plattenumdrehung), was wiederum von der Umdrehungsgeschwindigkeit abhängt, und der Zeit, die der Lesekopf benötigt, um zur richtigen Spur auf der Platte zu gelangen.
"Spanabhebende Datenverarbeitung". Disketten
werden/wurden nach Durchmesser unterschieden:
sequentieller Zugriff.
Der Magnetkopf hat Kontakt mit dem Speichermedium. Um die
Abnutzung von Kopf und Band zu reduzieren, wird es nur im
Bedarfsfall (beim Zugriff) bewegt sehr schnelles Anfahren und
Abbremsen des Bandes notwendig. Dazu weist die Bandführung
Pufferschleifen auf, die in Unterdruckschächten geführt
werden. In einfachen Geräten mit geringer Geschwindigkeit
werden auch häufig Pufferarme eingesetzt. Durch den
Start-Stop-Betrieb entstehen nicht beschriebene
Blockzwischenräume. Der Magnetkopf weist getrennte
Spaltenzonen für Lesen und Schreiben auf. Zuerst läuft
das Band an der Schreibspalte vorbei, danach an der Lesespalte
sofortiges Lesen zur Schreibkontrolle.
Bandanfang und - ende werden durch Reflektormarken auf der
Bandrückseite gekennzeichnet und durch Photozellen detektiert.
Heute sind Magnetbänder im herkömmlichen Stil (Bandbreite 1/2",
7/) Spuren, Bitdichte 800/1600/6250 bpi, Bandlänge 730 m)
kaum noch in Verwendung. Jedoch werden Magnetbandkassetten (auch DAT-Bänder)
als Backup-Medium eingesetzt.
Sie sind einfacher, billiger und robuster als große
Magnetbandstationen. Es gibt verschiedene, herstellerabhängige
Ausführungsformen. Einige Formate sind genormt. Die
Aufzeichnung erfolgt byteweise bitseriell in einer Spur (MSB zuerst
- wie bei Platte) in Datenblöcken, die aus Präambel,
Datenteil und Postambel bestehen (Präambel/Postambel jeweils
01010101). Der Datenteil kann zwischen 32 und 2064 Bit lang sein
(einschl. 16 CRC-Bits = 2 CRC-Bytes). Als Aufzeichnungsverfahren
wird i.a. Richtungstaktschrift (phase encoding) verwendet. Andere
Bauformen, z.B. 14"-Kassetten werden vor allem zum
Datenaustausch und zur Datensicherung bei Festplattensystemen
(Winchester!) eingesetzt Streamer.
Die optische Platte dreht sich mit einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit (z.B. 150 U/min). Mit dem Laserstrahl wird über ein Fokussierungs- und Spurnachführungssystem die ca. 300 Angström dicke Speicherfläche der Platte abgetastet. Der reflektierte Strahl wird in einem halbdurchlässigen Spiegel geteilt. Er trifft einmal auf eine geteilte Photodiode, den Spurfehlerdetektor, der die Nachführung des Stahls auf der Spur regelt. Das durch den Spiegel abgelenkte Strahlenbündel gelangt auf den kombinierten Fokus- und Lesedetektor. Auch dieser Detektor besteht aus einer geteilten Photodiode. Die Stromdifferenz steuert die Fokussierungseinrichtung und die Summe der Ströme bildet die Dateninformation. Der Lesekopf wird zunächst sehr schnell auf etwa 10 Spuren genau an das Ziel herangeführt. Danach erfolgt das Anfahren der richtigen Spur mittels des optischen Regelsystems auf 0.1 µ genau. Die Positionierzeit beträgt etwa 100 ms. Je nach Typ der Platte unterscheiden sich die einzelnen Systeme ein wenig. Es gibt derzeit folgende Typen von optischen Speicherplatten:
Die Kopie wird vom Laserstrahl abgetastet, der durch die unterschiedliche Stuktur der Speicherfläche mit einer digitalen Information moduliert wird. Die Spurdichte beträgt bis zu 16'000 Spuren/Zoll. Als Aufzeichnungsstandard hat sich das Format ISO 9660 durchgesetzt (Transferrate: 1,2 MBit/s, Kapazität: ca. 600 MByte). Die CD-ROM dient haupsächlich der Verbreitung größerer Datenmengen und jüngst als Photo-CD.
Durch unterschiedliche Fokussierung des Lasers wird die richtige Schicht angesteuert. Damit sind 8,5 GB möglich. Und dann gibt es das ganze noch zweiseitig. Damit sind 17 GB Daten auf einer einzigen DVD möglich. Die ersten Laufwerke kommen jetzt gerade auf den Markt und können einschichtige, einseitige DVDs lesen. Leider gibt es im Moment noch wenig DVD-Titel mit Videos. Die Videos werden in MPEG-2 kodiert, was eine sehr gute Qualität bei der Wiedergabe ergibt. Auch die ersten Brenngeräte für einseitige, einschichtige DVDs sind schon vorgestellt worden, der Brenner von Pioneer war im Herbst 97 für etwas über 10000 Mark auf den Markt gekommen. Aufgenommen wird mit ca. 1 - 2 MB/s, und speichern kann er maximal 3,9 GB. Inzwischen sind die Preise auf dem Niveau von CD_ROM-Laufwerken.
Die Lesegeräte können auch normale CDs lesen, jedoch meist keine CD-Rs, also die beschreibbaren CDs. Dies kommt daher, daß ein Laser mit einer kürzeren Wellenlänge verwendet wird, der die selbstgebrannten CDs nicht mehr richtig lesen kann.
Die Zeit der DVD als "Nur-Lese-Medium" währte nur recht kurz. Seit der Jahrtausendwende gibt es auch DVD-Brenner. Viele Konsumenten werden vom Kauf eines DVD-Brenners allein deshalb abgehalten, weil sie nicht wissen, welcher der von den Firmengruppen propagierte Standard sich langfristig durchsetzen wird. Hier ein kleiner Überblick. DVD+R, DVD+RW, DVD-R, DVD-RW und DVD-RAM und sind allesamt Standards für widerbeschreibbare DVDs.
Die DVD-R ist ein einmal brennbarer Rohling für DVD, die DVD-RW ist ein wiederbeschreibbares DVD-Medium (ähnlich verwendbar wie die CD-RW). Diese Aufzeichnungsformate werden u. a. von Panasonic und Pioneer propagiert. DVD-R Medien können von vielen, aber nicht allen DVD-Laufwerken gelesen werden. Bei neuen DVD-Laufwerken ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, nach Marktumfragen bei etwa 95%. Anfängliche Kompatibilitätsprobleme konnten inzwischen mit neuer Brenn-Software behoben werden. Im Zweifelsfall hilft nur probieren. DVD-R-Medien sind in DVD-R for Authoring: DVD-R(A) und DVD-R for General: DVD-R(G) aufgeteilt. DVD-R(A)-Medien werden bei der Produktion von DVD-Inhalten eingesetzt und dienen im Presswerk als Vervielfältigungsvorlage. DVD-R(G)-Medien sind für den privaten Gebrauch gedacht. Im Gegensatz zu DVD-R(A)-Medien lassen sich mit DVD-R(G)-Rohlingen keine 1:1-Kopien kopiergeschützter DVDs anfertigen. DVD-R(A) und DVD-R(G) sind beide kompatibel mit DVD-ROM Laufwerken und DVD-Playern. Aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen des Schreiblasers (635 nm für DVD-R(A) und 650 nm für DVD-R(G)) können die Rohlinge nur in den entsprechenden Recordern beschrieben werden.
Sowohl im Aufbau der Medien als auch in der Struktur, wie die Daten auf die DVD gebrannt werden, können auch DVD+R/DVD+RW-Medien von nahezu allen Geräten (ebenfalls ca. 95%) verarbeitet werden. Das bedeutet, dass eine im Computer hergestellte DVD+RW auf nahezu jedem DVD-Player oder auch auf nahezu jedem Computer-DVD-ROM-Laufwerk abgespielt werden kann, nur nicht auf einem DVD-R- bzw. DVD-RW-Laufwerk (und umgekehrt). DVD+R (DVD+Recordable) ist als Bestandteil des DVD+RW-Standards definiert. Die DVD+R Medien sind wesentlich günstiger als DVD+RW Medien; der Anwender hat aber die gleichen Möglichkeiten, die er mit einer DVD+RW hat, abgesehen davon, dass sich das Medium nicht löschen lässt. DVD+R Medien können in DVD+RW-Geräten beschrieben werden. Die DVD+R hat die gleichen Charakteristika wie eine DVD+RW (abgesehen von der Möglichkeit des Löschens und Neubeschreibens) wie auch den gleichen Grad an Kompatibilität in bezug auf DVD-Player und DVD-ROM-Laufwerken, die gleiche Kapazität (4.7 GB) und wird über die gleichen Programme beschrieben.
Das Phase-Change-Aufzeichnungsverfahren findet bei DVD-RW wie auch DVD+RW Anwendung. Bei den Phase-Change-Medien besteht die Aufzeichnungsschicht aus vier Lagen: einer unteren dielektrischen Schicht, der Aufzeichnungsschicht (recording layer/alloy), der oberen dielektrischen Schicht und aus der Reflexionsschicht, welche meistens aus einer Aluminium- oder Messing-Legierung oder Gold besteht. Die Aufzeichnungsschicht wird mit einem Laserstrahl auf ungefähr 200 Grad Celsius erhitzt. Dadurch ordnen sich die Atome innerhalb der Metalllegierung kristallin an. Dieser Zustand wird durch langsames Abkühlen beibehalten, wodurch dieser Bereich einen hohen Reflexionsgrad besitzt. Er wird als "Land" oder logische 0 interpretiert. Durch Erhöhen der Leistungsstufe des Lasers erhitzt sich das Material auf 500 bis 700 Grad Celsius und die Atome geraten in einen amorphen, das heißt nichtkristallinen Zustand. Ein starker Wärmeentzug durch die beiden dielektrischen Schichten kühlt die Metallschicht schnell ab. Die Atome erstarren in ihrem ungeordneten Zustand und reflektieren nun weniger Licht.
DVD-RAM verwendet eine vollständig andere Speichertechnologie, die mit dem DVD-Standard in keiner Weise vereinbar ist. Die einzige Ähnlichkeit, die das Medium eventuell mit einer DVD besitzen könnte, ist seine ähnliche Kapazität - mehr nicht. Kein auf dem Markt befindlicher DVD-Player kann diese Medien lesen. DVD-RAM-Medien sind in einem Caddy untergebracht - und auch wenn man Medien ohne Caddy herstellen wird, so wird dies nicht von Erfolg gekrönt sein. Die Laufwerke und Medien sind also nur zur Datenspeicherung bzw. zum Datenaustausch von PC zu PC geeignet.
Aktuell werden CD-R und CD-RW von vielen Usern als preiswertes Medium für das Speichern von Daten und Audio verwendet. Daran wird sich auch die nächsten Jahre nicht viel ändern. DVD+RW-Geräte werden von Personen verwendet, die große Datenmengen sichern (PC-Anwender) oder aber auch für Videoanwendungen (Heimelektronik/PC). Mittel- bis langfristig werden wohl die DVD+RW-Geräte die CD-Brenner im Heim-PC ablösen, da die DVD+RW-Geräte auch in der Lage sind, CD-R- und auch CD-RW-Medien zu verarbeiten (nur schneller und zuverlässiger). Für ganz vorsichtige Anwender gibt es inzwischen Geräte, die alle erwähnten Formate (außer DVD-RAM) verarbeiten können (z. B. von SONY), man muss aber mit einem Mehrpreis von etwa 50% rechnen.
Das magneotoptische Material hat bei Zimmertemperatur eine hohe Koerzivität, bei hohen Temperaturen jedoch eine niedrige Koerzivität. Deshalb kann ein kleiner Bereich der Platte, wenn er durch den scharf fokussierten Laserstrahl erhitzt wird, durch ein angelegtes Magnetfeld magnetisiert werden.
Zum Lesen wird der Kerr-Effekt genutzt. Danach dreht linear polarisiertes Licht bei der Reflexion an einen magnetischen Medium seine Polaritätsebene. Je nach Polung des Magnetfeldes im oder gegen den Uhrzeigersinn. Beim Lesen arbeitet der Laser mit verminderter Leistung, sodaß die Magnetisierung erhalten bleibt.
Die Magnetschicht besteht aus einer Kombination von Terbium (seltene Erden) und Eisen-Kobalt (Übergangsmetall). Die magnetischen Momente der Terbium-Atome sind entgegengesetzt zu denen der Übergangsmetall-Atome.
Beim Schreiben wird durch den Laserstrahl eine Stelle der Platte bis knapp unter die Neel-Temperatur aufgeheizt (geringe Koerzitivität). Es reicht nun ein relativ schwaches Magnetfeld aus, um die Magnetisierungsrichtung der Übergangsmetalle umzu- kehren. Nahe der Kompensationstemperatur (Zimmertemperatur) ist die Koerzivität hoch und die Information bleibt erhalten. Der Bereich des Magnetfeldes kann also wesentlich größer sein als die durch den Laser erhitzte Stelle. Es ergibt sich so eine höhere Speicherdichte als bei der Magnetplatte.
Da es Schwierigkeiten macht, die Magnetisierung mit der für die hohen Datenraten erforderlichen Geschwindigkeit umzukehren, wird eine neu zu beschreibende Spur zunächst gelöscht (gleiche Ausrichtung aller Bereiche) und bei der folgenden Umdrehung neu beschrieben.
Inzwischen konnte gezeigt werden, daß auch in einem magnetooptischen Material direktes Überschreiben möglich ist. Der Trick besteht darin, das entmagnetisierende Feld (Terbium) der Beschichtung groß genug zu machen (Koerzitivität bei hoher Temperatur hinreichend niedrig). Die Magnetisierung eines Bereichs kehrt sich immer dann um, wenn der Bereich aufgeheizt wird. Ein äußeres Magnetfeld ist dann nicht mehr notwendig.
heute das verbreitetste
Dialoggerät Standard-Kommunikationsgerät bei DVS
Heutige Terminals sind i. a. mikroprozessorgesteuert; u.U. sogar
durch mehrere Mikroprozessoren. Oft werden Auch PCs als "Terminalersatz" verwendet.
Verbindung zur CPU meist über serielle Schnittstelle
Die Darstellung der Information erfolgt auf einer
Kathodenstrahlröhre nach dem gleichen Prinzip, wie bei einem
Fernseh-Monitor. Einfache Systeme liefern sogar ein geeignetes
Signal zur Ansteuerung von handelsüblichen
Fernsehgeräten. Ein Elektronenstrahl wird periodisch über
ein festgelegtes Zeilenraster geführt. Die darzustellenden
Zeichen werden durch Modulation der Stahlintensität abgebildet
Raster-Abtast-Verfahren, Raster-Scan-Verfahren. Während
des schnellen Strahlrücklaufs wird der Strahl dunkelgetastet.
In Fernsehgeräten wird das Zeilensprungverfahren (interlace)
angewendet. Die Darstellung erfolgt in zwei zeilenversetzten
Halbbildern, d.h. es werden zunächst die Zeilen 1, 3, 5, 7,
... und danach die Zeilen 2, 4, 6, 8, ... auf den Bildschirm
geschrieben. Die Bildwechselfrequenz beträgt dabei 50 Hz. Das
Gesamtbild (625 Zeilen) wird dann mit 25 Hz wiederholt
flimmerfreie Darstellung bei niedriger Bildwechselfrequenz.
DSG arbeiten in der Regel ohne Zeilensprung (non-interlaced),
aber mit einer Bildwiederholrate von 50 .. 100 Hz und wesentlich
höherer Rasterzeilenzahl (bis 4096 Zeilen). Um die
Anforderungen an den Monitor bei sehr hohen Auflösungen
niedriger zu halten, wird in manchen Fällen auch hier mit dem
Zeilensprungverfahren gearbeitet. Jede Zeile wird in Bildpunkte
zerlegt. Zur Darstellung von Grafik kann bei geeigneten DSG jeder
Bildpunkt angesteuert werden. Zur alphanumerischen Darstellung wird
jedes Zeichen als Punktraster in einer rechteckigen Matrix
beschrieben und dargestellt. Es gibt unterschiedliche
Matrixgrößen, z.B. 5 x 8, 8 x 8, 7 x 9, ... Die
eigentliche Darstellungsmatrix wird um eine Zeile/Spalte zur
Trennung der einzelnen Zeichen ergänzt Zeichenfeld ist
größer, z.B. bei 5 x 8: 7 x 10. Alle nebeneinander
dargestellten Zeichen bilden eine Reihe. Der Bildschirm wird in
Zeichenfelder unterteilt:
Am häufigsten sind Geräte mit Textdarstellung von 24/25 Reihen zu 80 Spalten. Die Abbildung der Zeichen erfolgt (Raster-)zeilenweise für alle Zeichenfelder der einzelnen Reihen von oben nach unten.
Bei der Darstellung von Schwarzweiß-Grafik (Ansprechen jedes Bildpunkts möglich) muss jedem Bildpunkt ein Bit des Speichers zugeordnet werden (benötigte Speicherkapazität hoch). Bei der alphanumerischen Darstellung wird eine effektivere Form der Speicherung verwendet: Die einzelnen Zeichen werden codiert (z.B. in ASCII) im Bildwiederholspeicher gehalten. Die benötigte Speicherkapazität ist viel geringer (z.B. bei 25 x 80 Byte: 2 KByte). Die Umsetzung der Zeichencodes in die Matrixdarstellung erfolgt mittels eines Zeichengenerators (character generator). Dieser ist heute i. a. als Festwertspeicher (ROM, PROM, ...) realisiert.
Bei der farbigen Darstellung enthält die Bildröhre drei Elektronenstahl-Kanonen, die eine, punktweise in den drei Grundfarben rot, grün und blau eingefärbte, Leuchtschicht des Bildschirms anregen. Zur "sauberen" Darstellung der Farben befindet sich innerhalb der Bildröhre ein Schlitz- oder Lochmaske. Bei der digitalen Ansteuerung ist die Zahl der darstellbaren Farben begrenzt (8 - 16 Farben). Bei der analogen Ansteuerung können praktisch beliebig viele Farben erzeugt werden. Je nach Auflösung ist die maximale Zahl der darstellbaren Farben begrenzt (m aus n Farben bei Grafik). Manche DSG bieten die Möglichkeit aus den zur Verfügung stehenden Farben eine Auswahl zu treffen. Dazu wird zwischen Bildwiederholspeicher und Analogausgang eine Tabelle für die Farbzuordnung geschaltet (Color Look Up Table, CLOUT).
bei einer Auflösung von 640 x 480
Punkten: 921600 FETs. Durch TFT sind Kontrastwerte bis zu 100:1 und
2 ms Ansteuerperiode möglich.
Tastatur
Sie ist der Eingabeteil des DSG. Die Tastenanordnung ist
ähnlich, wie bei der Schreibmaschine. Das Betätigen einer
Taste erzeugt ein Codewort (im 1 aus m-Code) Codierung des
mit der Taste eingegebenen Zeichens erforderlich (meist ASCII, aber
auch andere Codes (z.B. IBM-PC)). Die Tasten sind mehrfach belegt.
Es gibt Tasten zur Umschaltung der Bedeutung, die gleichzeitig mit
einer anderen Taste betätigt werden müssen:
Großbuchstabe/Sonderzeichen)
Erzeugen einer Spannung
(Hall-Spannung)
Druckerhöhung
Tintentröpfchen wird ausgestoßen. Max. 300
Zeichen/s - leise, nahezu verschleißfrei.
unempfindlich
gegen elektrische Felder. Der Schreibkopf besteht aus
übereinander angeordneten Schreibspitzen, die mit Hilfe einer
Gegenelektrode ein elektrisches Feld erzeugen. Auf dem Papier
entsteht ein latentes Ladungsbild. Das Papier durchläuft
anschließend ein Tonersystem. Hier wird ein sehr feines
Tonerpulver durch die Ladungen auf dem Papier angezogen. In der
nachfolgenden Fixierstation wird das Tonerpulver durch
Erwärmen fest mit dem Papier verbunden. Ca. 300 Zeilen/s.
Photoqualität mit
nahezu beliebig vielen Zwischentönen.
Dieser Vorgang muss nacheinander für vier Farben wiederholt werden.
Die Verbrauchsmaterialien sind recht teuer (Zweiblattprozess,
Farbband und Empfangsschicht). Die Bilder sind mechanisch sehr robust, da die
Farbstoffe in die Empfangsschicht eingedrungen sind. Die Feuchte- und
Hitzebeständigkeit ist aber auch bei den besten Vertretern noch
geringer als die der Farbfotografie.
Beim Flachbettplotter sind auf einer Grundplatte oben rechts zwei Schrittmotoren angeordnet. Der X-Schrittmotor bewegt über ein Zugseil den X-Schlitten nach rechts oder nach links. Der Schlitten sitzt auf einer stationären, festen Schlittenführung. Der Y-Schrittmotor dreht eine meist mehrkantige Antriebswelle, auf der verschieblich ein Rad angebracht ist. An diesem Rad ist das Zugseil für den Y-Schlitten befestigt, so dass der Y-Schlitten durch Drehen der Antriebswelle hin- und her bewegt werden kann. Da der Y-Schlitten auf einer Schlittenführung läuft, die am X-Schlitten befestigt ist, kann der daran befestigte Stift in X- und Y-Richtung bewegt werden.
Unter dem Begriff "Zeichenstift" sind die
unterschiedlichsten Zeichenwerkzeuge zu verstehen: Kugelschreiber
und Tintenkugelschreiber, Gasdruckkugelschreiber, Faserschreiber,
Keramik- und Fiberstifte, Tuschestifte und Tuschespitzen,
Bleistifte, Schneidwerkzeuge für Folien, ...
Die meisten Plotter besitzen eine Aufnahmevorrichtung für
mehrere Stifte und erlauben daher mehrfarbige Zeichnungen. Ein
Plotter kann von sich aus nur in 8 Richtungen zeichnen
Elementarschritte. Das Charakteristikum des
Schrittmotorantriebs liegt im quantenweisen Betrieb des
Bewegungssystems. Jede zu zeichnende Kurve muss durch diese acht
möglichen Grundschritte approximiert werden. Um eine
hinreichende Genauigkeit zu erreichen, muss ein Elementarschritt
möglichst klein sein (typisch 0.1 ... 0.025 mm). Eine
Verbesserung würde sich durch die Verwendung von Servomotoren
ergeben, die jede beliebige Bewegungsrichtung zulassen. Hier ist
jedoch ein Meßsystem zur Positionsbestimmung nötig.
Neben der Auflösung ist die Wiederholgenauigkeit ein wichtiges Leistungskriterium bei Plottern. Sie liefert eine Aussage darüber, wie genau ein bestimmter Punkt beim mehrfachen Anfahren derselben Koordinaten getroffen wird (wichtig beim Ansetzen nach einem Stiftwechsel). Ein weiteres Kriterium stellt die Maximalgröße der Zeichenfläche (bei Flachbettplottern) bzw. die maximale Rollenbreite (bei Trommelplottern) dar. Da das Zeichnen relativ langsam erfolgt (relativ große bewegte Massen) besitzen neuere Plottersysteme (Graphtec) ein eingebautes 3½-Zoll-Diskettenlaufwerk zur Pufferung der vom Rechner eingehenden Daten. Die Zeichnung wird dann quasi offline erstellt. Zur Wiederholung derselben Zeichnung ist keine Neuberechnung am Computer mehr nötig.
Die Lochstreifengeräte in der Datentechnik haben sich aus der Fernschreibtechnik entwickelt. Dort werden 5-Kanal-Lochstreifen mit einer zusätzlichen Transportlochung verwendet. Aus der Transportlochung kann auch ein Synchronisationssignal für die Abtastung gewonnen werden. Bei Geräten der Datenverarbeitung verwendet man 6-, 7- oder 8-Kanal-Lochstreifen. Der Transport des Lochstreifens erfolgt bei langsamen Geräten (bis 50 Zeichen/s) durch ein Zahnrad, das in die Transportlochung greift. Bei schnellen Geräten (bis 1000 Zeichen/s) wird der Streifen durch Friktionwalzen transportiert. Abtastverfahren siehe Umdruck.
Die Maus wurde schon 1961 erfunden. Sie ist nichts anderes als ein umgedrehter Trackball. Um die Maus verwenden zu können, braucht man ein Stück freie Schreibfläche, auf der die Maus "herumgefahren" wird. Es gibt auch Mäuse ohne Mechanik, die per Fotozelle eine spezielle Unterlage abtasten ("optische" Maus).
Trackball und Maus sind Eingabegeräte für relative Positionierung des Cursors oder Fadenkreuzes. Meist sind noch ein oder mehrere Tasten auf dem Gehäuse, mit denen, abhängig von der Software, gewisse Funktionen ausgelöst werden.
Elektromagnetische Digitalisierer verwenden ebenfalls ein feines Netz von vertikalen und horizontalen Drähten. Eine Interface-Schaltung stellt die Positionen eines Stiftes mit einer Aufnehmerspule fest. Das Arbeitsprinzip ist das gleiche, wie beim kapazitiven Digitalisierer.
Nach einem ähnlichen Verfahren arbeiten die magnetorestriktiven Digitalisierer. Hier besteht das Netz aus ferromagnetischen Stahldrähten. Solche Stoffe besitzen die Eigenschaft, ihre Form unter magnetischen Einfluss geringfügig zu verändern. Eine Sendespule erzeugt im Draht eine magnetorestriktive Welle. Diese Längenänderung pflanzt sich als mechanische Spannungswelle (Geschwindigkeit ca. 5000 m/s) längs des Drahtes fort. Diese Welle induziert in der Aufnehmerspule eine Spannung. Aus der Laufzeit kann die Position des Stiftes ermittelt werden. Die mechanischen Anforderungen sind gering: die Drähte müssen nicht exakt parallel laufen und können einen Abstand von 2-3mm besitzen.
Die Detailauflösung eines Scanner wird angegeben in dpi (dots per inch, Bildpunkte pro Zoll) Typischer Wert: 300 dpi 1 Zoll = 2,54 cm
Eine weitere Möglichkeit der Abtastung ist die Digitalisierung eines Videobildes mit einem sogenannten 'Frame-Grabber'. Das Fernsehbild kann über eine relativ einfache Schaltung in einzelne Bildpunkte zerlegt werden:
Ein CCD-Sensor besteht aus einem geometrisch sehr exakten Raster von lichtempfindlichen
Zellen (Pixeln). Bei Lichteinfall (Photonen) auf einer dieser Zellen, wird
eine Ladung (Elektronen) in dieser Zelle aufgebaut. Je mehr Licht oder je länger
Licht auf die Zelle fällt, desto größer wird die Ladung (Zahl der
Elektronen), die sich in der Zelle sammelt. Hier wird auch deutlich, daß
die weitverbreitete Meinung falsch ist, die Bildinformation läge auf dem Sensor
bereits in digitaler Form vor. Die Information wird durch die Anzahl der
Elektronen in den Zellen repräsentiert und ist daher analog.
Die einzelnen Pixel berühren sich nicht direkt, sondern sind je nach Sensortyp
voneinanderdurch Stege oder Potentialwälle getrennt. So wird einerseits
verhindert, daß die Ladungsträger (Elektronen) von der einen Zelle in die
andere überlaufen, zum andern sind diese Stege auch für das Auslesen des
Zelleninhalts von Bedeutung. Folglich füllen je nach Sensortyp die lichtempfindlichen
Zellen nicht den ganzen Sensor, sondern ein Teil der Sensorfläche wird als
Transport- bzw. Sperrflächen genutzt. Die von lichtempfindlichen Elementen bedeckte
Fläche bezeichnet man auch als Fillfaktor. Ein Fillfaktor von 100%
würde bedeuten, daß die ganze Fläche lichtempfindlich wäre. In
der Realität ist der Fillfaktor immer kleiner als 100%, da die lichtunempfindlichen
Sperr- und Transportmechanismen Platz beanspruchen. Nach der Belichtung der einzelnen
Zellen werden die Ladungen ausgelesen. Dieser Vorgang erfolgt bei allen Sensortypen
nach dem sogenannten Eimerkettenprinzip.
Die Ladungen aus den Pixelelementen werden über Schieberegister ausgelesen. Im Schieberegister wird der Inhalt einer Zelle einer benachbarten Zelle übergeben. Dies kann durch verschiedene Schaltungen erreicht werden, welche die Barrieren zwischen zwei Zellen (Eimern) auf- oder abbauen. Um die Ladungen aus den Pixeln gerichtet zu transportieren, wird im allgemeinen ein Verfahren verwendet, das auf einem 2-, 3- oder 4-Phasen-Schieberegister aufbaut. Am Beispiel eines 4-Phasen-Schieberegisters soll hier das Verfahren beschrieben werden. Ein Schieberegister ist aus einzelnen 4-Phasen-Elementen aufgebaut.
Jede der vier Zellen eines solchen Elements kann einzeln angesteuert werden. Durch eine geeignete Ansteuerung (4-Phasen-Clocking) kann erreicht werden, daß die Ladungen in dem Schieberegister gerichtet bewegt werden. Der Transport wird durch Auf- und Abbau von Ladungsschwellen und -Senken bewirkt.
Mit Hilfe dieses Schieberegisters kann der CCD-Sensor ausgelesen werden. Alle gängigen Flächensensoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Die Methode, mit der die Daten aus dem Sensor geschoben werden ist einfach und soll an einem vereinfachten Sensor gezeigt werden.
Als Signalquellen können Schallempfänger (Mikrofone) oder Speichereinrichtungen,
wie Magnetbandgeräte, Schallplatten- und CD-Abspielgeräte, dienen.
Rundfunkempfangseinrichtungen (Tuner) oder die Audioteile von Videorecordern
sind ebenfalls häufig Signalquellen für solche Anlagen.
Mikrofone geben eine Spannung von ungefähr 2 mV/Pa ab. Da die menschliche Stimme
einen Schalldruck von ca. 0,5 Pa erzeugt, liefern Mikrofone eine Spannung von ca. 1 mV.
In der gleichen Größenordnung liegen die Spannungswerte des
Tonabnehmers am Schallplattenspieler. Wesentlich höhere Spannungswerte erhält
man aus CD-Spielern, Magnetbandgeräten und dem Rundfunkempfangstuner, nämlich
100 ... 200 mV.
Das Eingangsteil einer elektroakustischen Anlage hat die wichtige Aufgabe, die verschiedenen
Pegel der Signalquellen aneinander anzupassen. Hier sind spezielle Eingänge für
ein oder mehrere Mikrofone vorhanden, die mit zusätzlichen Vorverstärkern
ausgestattet sind. Einen Vorverstärker hat auch der Eingang für den Plattenspieler
mit elektromagnetischem Abtastsystem. Allerdings ist dieser gleichzeitig mit Korrekturgliedern
zum Anpassen an die Schneidkennlinie der Schallplatten ausgestattet. Bei diesen werden
nämlich, um einen geringen Rillenabstand und damit lange Spielzeiten zu erzielen, die
tiefen Töne beim Aufnehmen mit konstanter Auslenkung und nicht mit
ihrem tatsächlichen Stichelausschlag in die Platte geschnitten. Das hat zur Folge, dass
die tiefen Frequenzen bei der Wiedergabe mit geringerer Spannung als die mittleren und
hohen Frequenzen abgegeben werden. Sie müssen folglich mit Korrekturgliedern
gegenüber diesen angehoben werden.
Auf Verstärker und Korrekturglieder kann bei piezoelektrischen Kristalltonabnehmern
verzichtet werden, weil diese ohnehin eine höhere Spannung als die mit
elektromagnetischem Abtastsystem abgeben und die tiefen Frequenzen von Natur aus anheben.
Wegen ihrer mäßigen Qualität (Verzerrungen, Frequenzgang) verwendet man
sie in Beschallungsanlagen nur in Notfällen.
Wie man im Schnitt des Tauchspulmikrofons erkennt, ist die Schwingspule mit einer Membran
verbunden, die den Schalldruck direkt in Spulenbewegungen umsetzt.
Eine besondere Form des elektrodynamischen Mikrofons ist das Bändchenmikrofon. Bei ihm
schwingt zwischen den Polen eines Magneten ein zwei Mikrometer dickes und vier Millimeter
breites Metallbändchen, das gleichzeitig als Membran dient. Durch seine
geringe Masse erhält man geringe Verzerrungen und ebenso hochwertige Aufnahmen wie
mit Kondensatormikrofonen. Leider liefern sie nur geringe Ausgangsspannungen, sind recht
groß und schwer und dazu noch relativ teuer. Deshalb werden sie kaum noch verwendet.
Zu den Mikrofonkenngrößen, die nicht vom Wandlungsprinzip abhängen,
zählt die Richtcharakteristik. Die Richtcharakteristik gibt die Empfindlichkeit in
Abhängigkeit vom Schalleinfallswinkel an. Durch konstruktive Maßnahmen lassen
sich Kugel-, Achter- und Nierencharakteristik erzielen.
Bei den Lautsprechern hat sich auch das dynamische Wandlerprinzip durchgesetzt, bei dem
sich eine vom Signalstrom durchnossene Spule im Luftspalt eines Permanentmagneten bewegt und
eine Membran antreibt.
Bei der Lautsprecheranordnung müssen die akustischen Eigenschaften des Raumes
unbedingt berücksichtigt werden. Unterlässt man das, so erhält man
Zustände wie auf vielen Bahnhöfen. Für eine verständliche
Sprachdurchsage haben sich Hornlautsprecher bewährt. Das sind
Kalottenlautsprecher mit vorgesetztem Exponentialtrichter. Mit ihnen lassen sich hohe und
mittlere Frequenzen bei gutem Wirkungsgrad abstrahlen. Sie werden auch
Druckkammerlautsprecher genannt, weil die Kalotte die Luft in eine
abgeschlossene Kammer geringeren Querschnitts hineindrückt. Dabei findet eine
sogenannte Geschwindigkeitstransformation statt, das heißt, die Geschwindigkeit
der Luftteilchen erhöht sich im Verhältnis zwischen Kalottenquerschnitt und
Druckkammerquerschnitt. Mit den schnellen Luftteilchen wird ein vor die Druckkammer gesetzter
Exponentialtrichter, ähnlich wie ihn viele Blasinstrumente haben, angeregt.
Für tiefe Frequenzen müsste der Trichter zu große Abmessungen
haben. Deshalb wird er meistens gefaltet.
f(t) = a*sin(2*PI*f*t)
Wie man sieht, hat die Funktion nur zwei Parameter, die sich variieren lassen:
Die Amplitude a (= Lautstärke, gemessen in dB) und und die
Frequenz f (= 1/Wellenlänge = Tonhöhe). Eine einfache
Sinusschwingung gibt somit einen recht langweiligen Ton.
Um unterschiedliche Klangfarben zu erzeugen, muß man verschiedene Wellenformen wählen und diese Wellenformen miteinander mischen. Bezeichnet wird die Wellenform nach Ihrem Aussehen auf dem Bildschirm eines Oszilloskops. Die "reinste" Form ist die oben erwähnte Sinuslinie. Eine Dreieckschwingung klingt schon härter. Sie wird folgendermaßen aus Sinusschwingungen zusammengesetzt:
Die Rechteckschwingung (praktisch das Ein- und Ausschalten des Stroms) hat den schärfsten Klang. Sie entsteht ebenfalls aus einem Gemisch von Sinusschwingungen:
Durch Überlagern und Mischen von unterschiedlichen Schwingungsformen von verschiedener Frequenz entstehen dann ganz charakteristische Klänge. Die Erzeugung dieser Töne faßt man unter dem Begriff 'Klangsynthese' zusammen.
Fourier: Jede Schwingung kann als Summe von Sinusschwingungen dargestellt werden:
Der additiven Synthese liegt die Idee zugrunde, komplexe Schwingungen durch Addition von einfachen zu erhalten, wie es die Fourier-Methode ermöglicht. Sie heißt daher auch Fourier-Synthese. Als Ausgangspunkt dienen Sinusschwingungen, die im richtigen Mischungsverhältnis, d.h. mit passender Tonhöhe und Lautstärke, gleichzeitig erklingen. Dadurch entstehen die oben beschriebenen Wellenformen (Dreieck-, Sägezahn- oder Rechtecksschwingungen).
Die additive Synthese spielte besonders in frühen elektronischen Instrumenten wie der Hammond-Orgel eine wichtige Rolle. Bei den Konstrukteuren digitaler Computer ist die additive Synthese wegen ihres hohen Rechenaufwandes wenig beliebt. Eine weitere sehr interessante Anwendung ist das Erzeugen akustischer Illusionen. Man kann Töne synthetisieren, die die Illusion erzeugen, ständig höher zu werden, ohne jemals den Hörbereich zu verlassen (Shepard-Effekt).
Führt bei der additiven Analyse der Syntheseweg von einfachen Klanggemischen zu Komplizierten, so ist es bei der subtraktiven Synthese gerade umgekehrt. Aus einem komplexen Signal, das möglichst viele Teiltöne enthält (z. B. ein Rechtecksignal), werden die unerwünschten Komponenten ausgefiltert.
Viele der ersten Synthesizer benutzen diese Anordnung, z. B. die
Moog-Synthesizer. Auch bei Elektroorgeln sind Sägezahnwellen, die (fast)
alle Teiltöne enthalten, oder Rechteckswellen beliebt.
Die subtraktive Synthese ist auch das natürliche Prinzip, nach dem
traditionelle Instrumente wie Flöte, Geige, Klavier usw.
funktionieren, denn bei ihnen wirken Stoff und Form der Resonanzmaterialien
wie Holz, Metall, Darm usw. als natürliche Filter. Resonanz bedeutet, daß auf
Grund der Eigenschaften eines Materials bestimmte Frequenzbereiche besonders
hervorgehoben werden.
Ausgeprägte Resonanzen über feste Frequenzbereiche heißen Formantbereiche.
Für den Vokal 'u' liegt ein solcher Bereich beispielweise zwischen 200 und 400 Hz,
beim 'o' von 400 bis 600 Hz und beim 'a' zwischen 800 und 1200 Hz. 'e' und 'i'
haben sogar jeweils zwei Formanten, das 'e' bei 400 bis 600 Hz bzw. 2200 bis
2600 Hz, das 'i' bei 200 bis 400 Hz bzw. 3000 bis 3500 Hz.
Mund- und Zungenstellung wirken dabei wie Filter, die bestimmte Frequenzen
durchlassen oder abschwächen. In der Elektronik kann sich Resonanz so stark
aufschaukeln, daß selbständige Töne entstehen (Selbsterregung). Für solche
Effekte wurden besonders die Filter der Moog-Synthesizer berühmt.
Man baut also mit elektronischen Mitteln natürliche Modelle nach, und das
Basismodell, auf dem die subtraktive Synthese beruht, besteht darin, daß die
Klänge einer irgendwie angeregten Klangquelle einem Resonanzsystem zugeführt
werden.
Kombiniert man additive und subtraktive Synthese, erhät man weitere Variationsmöglichkeiten.
Man verwendet für FM-Synthese im einfachsten Fall zwei Freqenzgeneratoren, wobei der eine Generator die 'Trägerschwingung', also den eigentlichen Ton, erzeugt. Der zweite Generator erzeugt die 'Modulatorschwingung', welche die Trägerschwingung beeinflusst. Das Signal besteht also aus der Addition beider Schwingungen und folgt dann der (nichtlinearen) Gleichung:
f(t) = a1*sin(2*PI*f1*t + a2*sin(2*PI*f2*t))
Während der Träger direkt mit dem Ausgang verbunden ist, hört man den Modulator nur in seiner Auswirkung auf den Träger. Die Veränderungen des Trägers sind durch die Ausgangslautstärke des Modulators einstellbar. Die Veränderung dieses Ausgangspegels kann durch eine Hüllkurve erfolgen, wodurch der Ton lebendiger und dynamischer wird. In der Praxis wird die FM-Synthese noch mit diversen Rückkopplungsmöglichkeiten verknüpft. Dazu schaltet man den Ausgang des Trägers zurück auf seinen Modulationseingang, wie dies im Bild obe durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.
Bei einem Klang, zum Beispiel der Ton eines Klaviers, sind aber noch weitere
Parameter zu berücksichtigen. Der wichtigste Parameter ist hier wohl
die Änderung der Lautstärke über die Zeit. Wenn Sie eine
Taste anschlagen, hört nach dem Loslassen der Taste der Ton ja nicht
sofort auf, sondern er fällt langsam ab. Man bezeichnet den Verlauf
der Lautstärke als Hüllkurve. Die einzelnen Teile der Hüllkurve
haben alle eine bestimmte Bedeutung. Beim Anschlagen der Taste (Anblasen
einer Flöte, Streichen mit dem Bogen) "Attack" steigt die
Lautstärke von Null auf ihr Maximum, um dann sofort wieder abzufallen
"Decay". Läßt sich der Ton halten ("Sustain")
sinkt die Lautstärke nur auf den Haltewert, um dann nach den Ausschalten
auf Null abzusinken ("Release").
Man kann den Ton nun weiter manipulieren. Durch einen weiteren Generator mit sehr niedriger Frequenz (LFO) kann man ein Vibrato erzeugen, indem man die Frequenz des Tons mit dieser Niedrigst-Frequenz (einige Hertz) moduliert. Hinter die Frequenzerzeugung lassen sich Filter schalten, die den Klang weiter verändern. Das läßt sich zum Teil sogar ohne jegliche Hardware rein rechnerisch machen; viele Computer verwenden jedoch bestimmte integrierte Bausteine für diesen Zweck, sogenannte Soundgeneratoren. Die von diesen Bausteinen erzeugten Töne klingen je nach dargestelltem Instrument stärker oder weniger stark "künstlich".
Um die Klänge realer Instrumente naturgetreu wiederzugeben, läßt sich aber auch eine andere Methode verwenden. Man schließt an den Computer einen Analog-Digital-Wandler an, der die komplette Wellenform von Klängen aufzeichnet. Um hier gute Ergebnisse zu erzielen, braucht man nicht nur Bausteine, die sehr schnell arbeiten, sondern der Computer benötigt auch einen großen Speicher zur originalgetreuen Aufzeichnung der Klänge. So aufgezeichnete Instrumente klingen dafür auch sehr realistisch. Früher hat man solche Klänge nur extern gespeichert (z. B. auf der Festplatte) und per Abspielprogramm wiedergegeben. Heute bieten auch die Soundkarten bereits gespeicherte Klänge ('Wavetable-Modul').
Digitalisierung ist ein Prozeßblock, der aus zwei Teilen besteht. Der erste hat die Aufgabe, das aufgezeichnete Material in eine computergerechte Form zu bringen, es wird analog/digital gewandelt (A/D-Wandlung). Das folgende Bild zeigt, wie aus einer analogen Sinuskurve eine Wavetable, d. h. eine Zahlenmenge, wird. Der zweite Teil muß die Ergebnisse der Arbeit des Computers wieder den menschlichen Sinnen zugänglich machen, und zwar durch den umgekehrten Vorgang, die Digital-Analog-Wandlung (D/A-Wandlung).
Das entscheidende Charakteristikum der Digitalisierung besteht darin, daß aus einem kontinuierlichen Kurvenzug mit unendlich vielen Zwischenwerten eine kleine Menge diskreter Punkte wird. Der analoge Ton kann rein theoretisch in unendlich viele Werte zerlegt werden, er ist ein kontinuierliches Signal, das durch den Digitalisierungsvorgang in eine endliche Anzahl von Einzelpunkten aufgelöst wird. Auch wenn eine analoge Schwingung nur die endliche Zeitdauer von einer Sekunde hat, setzt sich diese doch aus unendlich vielen Zeitpunkten zusammen. Die Digitalisierung ändert daher eine wichtige Eigenschaft des analogen Signals, indem sie es aus einem kontinuierlichen und unendlichen in ein diskretes und endliches verwandelt.
Wie läuft so etwas technisch ab? Der Schlüsselbegriff der modernen Digitaltechnik heißt Sampling (sample = Beispiel, Muster). Ein digitales Signal entsteht dadurch, daß von einem analogen Signal Samples genommen werden. Diese Abtastung geschieht in regelmäßigen Abständen mit hoher Geschwindigkeit, typisch sind 40 bis 50 kHz. Die 'Löcher' der digitalen Welle im Bild oben werden dadurch gefüllt, es entsteht eine treppenförmige Kurve. Der Abstand jedes Punktes von der Null-Linie ist der Digitalwert, der als reiner Zahlenwert gespeichert wird. Mit einer für Soundadapter üblichen Sampling-Rate von 48 KHz sind das 48000 Werte pro Sekunde, die einen entsprechenden Speicherplatzbedarf haben. Ein zweites Kriterium ist die Auflösung eines Samples, d. h. in wieviele Stufen der Spannungsbereich zwischen Null und der maximalen Ampkitude aufgeteilt wird.
Die Digitalisierung führt zu einer Reihe von störenden Nebenwirkungen, die grundsätzlicher Natur sind und durch besondere Maßnahmen beseitigt werden müssen. Sie treten bei der Wiedergabe, d. h. der D/A-Wandlung, auf. Angenommen man hätte pro Welle einer Schwingung nur ein einziges Sample genommen. Dann gibt es bei der D/A-Wandlung mehrere (!) Möglichkeiten, aus diesem eine analoge Schwingung zu rekonstruieren. Da man dann nicht weiß, wo die negative Halbwelle liegt, paßt z. B. auch eine Welle mit halber Frequenz zu diesem Wert. Wir brauchen also mindestens zwei Werte, um eine Schwingung aus Wellenberg und Wellental richtig vermessen zu können. Die folgende Grafik illustriert diese Problematik:
Daraus erklärt sich auch z. B. die bei CD-Spielern verbreitete Sampling-Rate von 44,1 KHz. Da der Mensch Töne bis etwa 20 kHz hören kann, müssen diese mit der doppelten Frequenz abgetastet werden, damit sie eindeutig analysierbar sind. Man kann beweisen, daß bei Erfüllung der beiden folgenden Forderungen keine Informationsverluste entstehen, wenn das digitale Signal wieder in ein analoges zurückverwandelt wird:
Beide Forderungen folgen aus zwei wichtigen Forschungsergebnissen der Nachrichtentechnik und Informationstheorie. Harry Nyquist formulierte 1928 das Nyquist-Kriterium, nach der man eine Sampling-Frequenz finden kann, mit der es möglich ist, ein digitalisiertes Signal verlustfrei wieder zurückzuverwandeln. Der amerikanische Mathematiker Claude E. Shannon stellte 1949 das Abtasttheorem auf. Es gibt an, wie viele Werte man für eine verlustfreie Rekonstruktion des Ausgangssignals benötigt. Aus technischer Sicht folgt aus allem, daß man unbedingt sicher gehen muß, daß keine höheren, möglicherweise außerhalb des Hörbereichs liegende Frequenzen in dem zu digitalisierenden Signal enthalten sind. Andemfalls treten hörbare Störungen auf, die man als Aliasing (von lat. alias = anders) bezeichnet. Daher wird am Eingang eines A/D-Wandlers ein Tiefpaßfilter eingesetzt, das alle unerwünschten Frequenzen unterdrückt. Die moderne CD-Technik erleichtert dies noch durch Oversampling. Dabei wird das Eingangssignal mit einer sehr hohen Frequenz abgetastet (bis zu 6 MHz), die die Filterung verbessert, wonach dann die erhaltenen Werte auf die eigentliche Sampling-Frequenz (z. B. 48 kHz) heruntergerechnet werden.
Zur Wiedergabe wird umgekehrt ein Digital-Analog-Umsetzer
verwendet, der die digitalisierten Wellenformen wieder in analoge
Spannungsschwankungen umsetzt. Danach kann über einen Verstärker
und Lautsprecher die Umsetzung in akustische Schwingungen erfolgen.
Die 'Lücken' bzw. 'Treppen' eines digitalen Signals müssen
wieder durch ein Filter beseitigt werden. Auch hier hilft Oversampling
bei der Unterdrückung von Störungen, u. a. bei der Reduzierung
von Quantisierungsrauschen, das während des Digitalisierungsprozesses
entsteht.
Die Manipulation der Abtastrate ermöglicht aber auch typische Sampler-Effekte.
Wird etwa das Sample bei der Wiedergabe mit einer anderen Abtastrate als bei
der Aufnahme abgespielt, ändert sich die Tonhöhe.
Mit der Wavetable-Synthese wird eine Kompromißlösung beschrieben. Hier werden die Klangformen digital abgespeichert und nur die Tonhöhe und Dauer programmiert. Damit lassen sich natürlich klingende Instrumente erzeugen ohne zuviel Speicher zu belegen.
Will man noch mehr Flexibilität, so kann die gesamte Wellenform digitalisiert werden. Damit lassen sich dann auch Sprache und Geräusche auf dem Rechner wiedergeben. Zur Aufnahme wird ein Analog-Digital-Umsetzer verwendet, der die vom Mikrofon, oder der Audio-Quelle stammenden analogen Signale in digitale Werte umwandelt.
Soundkarten erlauben meist unterschiedliche Werte für die Abtastrate: 11 kHz, 22 kHz, 44 kHz und 48 kHz oder stufenlose Einstellung. Um den Alias-Effekt bei niederen Abtastraten zu vermeiden, ist meist ein Filter vorhanden, der höhere Frequenzanteile unterdrückt, also werden beispielsweise bei einer Abtastrate von 11 kHz Frequenzen die höher als 5.5 kHz sind unterdrückt.
Wenn man Stereo-Sound ausgeben will, so benötigt man für jeden Kanal eine Wave-Datei. Die Wave-Dateien benötigen der Abtastrate entsprechend viel Speicherplatz. Bei 22 kHz sind das entsprechend 22000 kByte pro Sekunde Audio. Die Werte liegen bei den Soundkarten im übrigen nicht genau bei 11 kHz, 22 kHz oder 44 kHz, sondern es sind 11025 Hz, 22050 Hz und 44100 Hz.
Diese Werte kommen nicht von ungefähr, sondern sind typische Werte aus dem täglichen Leben. Dazu ein paar Beispiele:
| Qualität | Abtastrate [kHz] | Auflösung [bit] | Mono/Stereo | Datenrate [KByte/s] | Telefon | 8 | 8 | Mono | 8 | AM Radio | 11 | 8 | Mono | 11 | FM Radio | 22 | 16 | Stereo | 88 | CD | 44 | 16 | Stereo | 176 | DAT | 48 | 16 | Stereo | 192 |
In dieser MIDI-Norm wurde festgelegt, wie ein Steuercomputer mit den Musik-Geräten
wie Synthesizer, Keyboard oder Drum-Box zu kommunizieren haben.
Die Signale werden seriell, also Bit für Bit gesendet und empfangen
und zwar mit einer Geschwindigkeit von 31250 Bits/Sekunde. Die Übertragung
erfolgt asynchron, das heißt, daß den Daten ein Starbit vorangestellt
wird und ein Stopbit folgt:
Das Datenformat erinnert stark an die Übertragung mit der seriellen V.24-Schnittstelle, lediglich die elektrischen Eigenschaften sind anders. Man kann aber die gleichen Schnittstellen-Bausteine verwenden, die man auch für die serielle Computerschnittstelle verwendet. Die Datenbits, die zum Beispiel vom Keyboard an die anderen Geräte gesendet werden, haben unterschiedliche Funktionen. Zuerst wird ein Statusbyte gesendet, das durch ein Einsbit an der ersten Stelle erkennbar ist. Dieses Byte beschreibt den Inhalt und die Anzahl der nachfolgenden Datenbits und bestimmte logische Einheiten des angesprochenen Geräts selektiert. Mit den Datenbytes, deren erste Stelle immer Null ist, lassen sich dann Informationen über die gerade gedrückte Taste, die Stärke des Anschlags, Änderungen in Klangfarbe, Tonhöhe oder Hüllkurve übermitteln. Steuert man zum Beispiel mit einem Keyboard weitere Keyboards, dann verhalten sich alle angeschlossenen Klaviaturen so, als würde bei ihnen die gleiche Taste mit der gleichen Anschlagstärke gedrückt.
Ist nun ein Computer als 'MIDI-Sequencer' ans Keyboard angeschlossen,
kann er die Daten aufnehmen und speichern. Durch späteres 'Abspielen'
der MIDI-Daten lassen sich die elektronischen Musikinstrumente wieder ansteuern.
Man kann die Daten aber auch auf einem Sythesizer (extern oder auf der Soundkarte
ausgeben und so die Instrumente 'simulieren'.
Die MIDI-Schnittstelle kann insgesamt 16 verschiedene, voneinander unabhängige Übertragungswege (Kanäle) auf einer Leitung bedienen. Die gesteuerten Instrumente werden dabei jeweils mit ihrem MIDI-IN-Eingang an die MIDI-THRU-Buchse des Vorgängers angeschlossen. Das erste geseuerte Gerät wird an den MIDI-OUT-Ausgang des steuernden Instruments angeschlossen.
Das MIDI-Betriebssystem bietet drei Betriebsarten (Modi) um die
Informationsübertragung auch sinnvoll zu nutzen: Omni-, Poly- und Mono-Mode.
Diese Betriebsarten werten die Informationen, die von der Schnittstelle kommen,
unterschiedlich aus:
Auch die Schaltung der MIDI-Schnittstelle unterscheidet sich von der seriellen Computerschnittstelle. Damit sich die verschiedenen Musik-Maschinen der unterschiedlichsten Hersteller auf jeden Fall gut vertragen, ist der MIDI-Eingang durch einen Optokoppler elektrisch vollkommen von der Schaltung des jeweiligen Geräts getrennt (so kann auch durch einen Kurzschluß nicht die gesamte Anlage 'in die Luft gehen'). Vom Optokoppler geht es dann zum Schnittstellenbaustein (UART), der aus den seriellen Bits wieder ein Byte zusammensetzt. Gleichzeitig läuft das Signal zu einer Buchse (MIDI-THRU), die das Signal an nachfolgende Geräte weitergibt. Der Ausgang des Geräts (also vom UART) geht direkt an die Ausgangsbuchse. Zur Verbindung der Geräte werden die im Audio-Bereich üblichen 5poligen DIN-Buchsen verwendet und man kann beliebige Verbindungskabel mit 5poligen DIN-Steckern zum Koppeln der einzelnen Geräte verwenden.
Aber auch mit solchen Sicherheits-Schaltungen gibt es Probleme, wenn die Kette aus zuvielen Geräten besteht. Es entstehen geringe Laufzeiten und Signalverzerrungen. Man greift dann zu einen MIDI-Verteiler und bedient die angeschlossenen Geräte sternförmig vom Sequencer aus.
Bei den meisten Soundkarten, z. B. Soundblaster, ist dieser Teil der MIDI-Schnittstelle nicht auf der Karte enthalten, er befindet sich in der externen MIDI-Box. Die folgende Schaltung zeigt, wie so eine MIDI-Box aussehen könnte. Die Pinnummer auf der rechten Bildseite bezeichnen die Pins der 15poligen SUB-D-Buchse auf der Soundkarte, die Pinnummern auf der linken Seite die Anschlüsse der MIDI-DIN-Buchse.
Es gibt noch zahlreiche weitere E/A-Geräte, die hier nicht besprochen wurden, z. B. Lesegeräte für Strichcodes, berührungsempfindliche Bildschirme, "Datenhandschuhe" mit Lageerkennung (X-, Y-, Z-Koordinate im Raum) und Dehnmessstreifen in den Fingern, Datenhelme mit Lageerkennung und integriertem Stereo-Monitor sowie die gesamte Prozessperipherie (Robotersteuerung, Mustererkennung, etc.).
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