Festplatte

Gliederung


1. Entwicklung der Festplatte
2. Aufbau und Funktionsweise
3. Aufbau der einzelnen Platten
4. Aufzeichnungsverfahren
5. Formatierungsmöglickeiten
6. Schnittstellen
7. RAID

Entwicklung der Festplatte


1973: lief bei IBM ein Projekt mit dem Decknamen "Winchester" an, was sich damit befasste einen rotierenden Speicher mit einem nicht entnehmbaren Medium zu entwickeln.

1978: Die SCSI Schnittstelle wird entwickelt, der Standard wird ständig erweitert.

1979: wurden die ersten 8-Zoll Winchester Laufwerke vorgestellt, die sehr schwer und sehr teuer waren. Eine Festplatte mit einer Speicherkapazität von 5 MB kostet 10.000DM.

1984: Die IDE-Schnittstelle (auch AT-Bus-Schnittstelle genannt) wurde von Conner entwickelt.

1993: EIDE ist eine von Western Digital in Leben berufene Weiterentwicklung der IDE Schnittstelle.

Kosten pro Megabyte:
1980: 300DM
1990:  10DM
2000: 0,015DM
2001: 0,006DM
2002: 0,0025€

Aufbau und Funktionsweise

Eine Festplatte (HDD - Hard Disk Drive) besteht in der Regel aus mehreren übereinander liegenden Magnetplatten. Zwischen diesen Platten gibt es jeweils einen beweglichen Arm, ähnlich wie bei Plattenspielern, der die Schreib- und Leseköpfe trägt. Die Köpfe gleiten auf einem Luftpolster in einem schmalen Abstand über die Magnetplatten. Der Arm mit aufmontiertem Kopf wird heutzutage durch einen Servomotor bewegt, der ein stufenloses Anfahren der gewünschten Position erlaubt. Der Spindelmotor dreht die einzelnen Platten mit einer konstanten Geschwindigkeit von bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute - abhängig von Bauart. Die Flughöhe des Lese- und Schreibkopfes beträgt etwa 0,2µm. Durch die hohe Geschwindigkeit der Platten wird ein Luftkissen zwischen den empfindlichen Platten und dem Lesekopf aufgebaut. Ein Aufsetzen des Lesekopfes verursacht einen "Headcrash" und zerstört dabei die komplette Festplatte oder Plattenteile und soll unter allen umständen vermieden werden. Mein Herunterfahren werden die Lese- und Schreibköpfe zur Sicherheit bei Erschütterung in eine sichere Parkposition gefahren.
Die größte derzeit für privaten Gebrauch im Handel erhältliche Festplatte fasst 200GB.
Auf der Platine einer Festplatte befinden sich noch ein 12V Spannungsanschluss (außer Serial-ATA), ein Anschluss für die entsprechende Schnittstelle, weitere Verarbeitungsbausteine und ein Cache, der die Vorgänge bei Schreib- und Leseoperation beschleunigen soll und bei heutigen Festplatten zwischen 2 und 8MB groß ist.


Aufbau der einzelnen Platten

Der Aufbau der Platten besteht aus mehreren Schichten. Die erste Schicht, direkt auf dem Metall, besteht aus einem Aluminium- bzw. Aluminium-Magnesium-Substrat. Darüber liegt eine Zwischenschicht aus Nickel und Phosphor. Die eigentliche "Festplatte" besteht aus einem hauchdünnen, im Nanometerbereich liegenden ferromagnetischen Schicht. Diese Ferromagnetische Schicht besteht aus Kobalt-, Kobalt-Nickel- & Chromlegierungen mit Phosphor, auf der ein Karbonfilm die hochempfindliche Schicht schützt.

Die Daten auf einer Festplatte sind in Zylinder, Tracks (Spuren) und Sektoren organisiert.

Sektor: Im Sprachgebrauch bezeichnet man die kleinste Einheit der Festplatte als „Sektor“. Ein Sektor speichert 512 Datenbytes = 4096 Datenbits. Um es genau zu nehmen, unterteilen Sektoren die Spuren einer Zone aber nur in diese kleinsten Einheiten (und sind es nicht selbst!). Man benutzte die Sektorenangabe im CHS-Verfahren, um einen genauen Datenabschnitt bezeichnen zu können.

Spur: Auf den Platten sind je nach Spurdichte viele konzentrische Ringe

Zylinder: Sind mehrere Platten in der Festplatte vorhanden, so werden die Spuren, die genau übereinander liegen, als Zylinder bezeichnet.

CHS Adressierung: Die Abkürzung steht für Zylinder (Cylinder), Kopf (Head) und Sektor (Sector). Nach diesem Schema werden IDE-Festplatten bis 504 MByte von Betriebssystemen über das BIOS des Rechners angesprochen. Diese Begrenzung ist eine Erblast aus der Anfangszeit des PC: Die Schnittstelle zwischen IDE und Bios reserviert nur 16 Bits für die Zylinder (maximal sind also 65.536 möglich), 4 Bits für die Köpfe (maximal 16) und 8 Bits für die Sektoren pro Spur (maximal 256). Das Bios hat 10 Bits für die Zylinder zur Verfügung (1024), 8 Bits für die Köpfe (256) und 6 Bits für die Sektoren (63, da ab 1 gezählt wird). Bei diesen Grenzen ist jeweils der niedrigere Wert entscheidend, so daß alte Bios-Versionen nur 1024 x 16 x 63 x 512 Bytes = 504 MB adressieren können (ein Sektor ist 512 Bytes groß). Neuere BIOS-Versionen können bis zu 255 Schreib/Leseköpfe adressieren und kommen so auf eine ansprechbare Kapazität von knapp 8 GByte. Erst die erweiterten Funktionen des so genannten Interrupt 13h, die vom BIOS und vom Betriebssystem unterstützt werden müssen, ermöglichen eine Nutzung auch größerer Festplatten.


Aufzeichnungsverfahren

Doch wie werden die Bits und Bytes in magnetische Form gebracht? Die 0- und 1-Informationen werden auf verschiedene Codierungsarten in verschieden gerichtete Magnetpartikel umgesetzt. Die Ausrichtung links/rechts könnte dabei beispielsweise dem magnetischen Nord-/Südpol entsprechen. Der Schreib-/Lesekopf besitzt dazu eine Spule. Wird diese Spule von Strom durchflossen, so bildet sich ein je nach Stromrichtung anders ausgerichtetes Magnetfeld, welches die Plattenoberfläche entsprechend magnetisiert.

Schreibmodus: Lässt man einen elektrischen Strom durch den Schreib/Lese-Kopf fließen, wird der Kopf magnetisch. Das Magnetfeld bewirkt eine Magnetisierung des Teils der Platte der sich gerade unter dem Kopf befindet.

Lesemodus: Ist der "Schreibstrom" ausgeschaltet, so wird durch die bestehende Magnetisierung der Platte ein Stromfluss im Schreib/Lese-Kopf hervorgerufen (Induktion). Dieser Strom repräsentiert die Daten auf der Festplatte.



 

Formatierungsmöglichkeiten

Unformatierte Festplatte können von Betriebssystemen nicht verwendet werden, sie müssen erst mit einem Dateisystem formatiert werden. Die meisten Dateisystem legen eine Datenbank auf der äußersten Spur der Festplatte an. In dieser Datenbank legt das Betriebssystem die Zeiger auf die einzelnen Dateien ab. Beim Zugriff auf Daten wird somit als erstes in der Datenbank "nachgeschaut" wo sich die Datei auf der Festplatte befindet. Ein Dateisystem ist ein Ordnungs- und Zugriffssystem für Daten. Nahezu jedes Betriebssystem besitzt eigene Dateisysteme, wobei FAT16 (File Allocation Table) von fast allen Betriebssystemen gelesen werden kann, aber dieses sich nicht als des effektivste und sicherste herausgestellt hat und auch nur Partitionen bis 2Gb unterstützt. Windows95/98 nutzen das verbesserte Dateisystem FAT32, WindowsNT Systeme (WinNT, Win2000, WinXP) können sowohl mit FAT32 arbeiten als auch mit NTFS (New Technology File System, dieses ist schneller bei großen Partitionen und sicherer), OS/2 nutzt HPFS (High Performance File System), Linux nutzt EXT2FS (extended filesystem 2) und Apple HFS/HFS+ (Hirachical File System).

FAT32: Dateisystem von Windows 95 OSR2 und Windows 98. Bei diesem Dateisystem sind die FAT Einträge als auch die Sektoradressen auf 32bit erweitert worden. Die zusätzlich Verwaltung der 32bit Clusteradressen benötigt jedoch mehr Zeit und führt so zu Geschwindigkeitseinbußen gegenüber FAT16. Die Clustergröße beträgt bei 8GB Partitionsgröße 4KB und bis zu 32KB ab 32GB Partitionsgröße.

NTFS: New Technology File System von Windows NT, bietet max. 4KB große Cluster, eine 64bit Adressierung und kann so künstlich beschränkt Partitionen bis 2TByte verwalten. Auch NTFS verwaltet Cluster. An die Stelle der FAT tritt die Master File Table (MFT), die im Gegensatz zu FAT in Form von Dateien existiert. Kleinere Dateien und Ordner befinden sich vollständig in dieser Tabelle, so dass ein sehr schneller Zugriff möglich ist. Aufgrund der Überprüfung der Datei- und Ordner-Berechtigungen ist NTFS geringfügig langsamer als FAT.

Schnittstellen

Der Datenaustausch zwischen Systemspeicher und der Festplatte läuft natürlich über genormte Schnittstellen, von denen heute drei existieren: IDE (Integrated Drive Electronic), SCSI (Small Computer System Interface) und S-ATA (Serial ATA). Dabei wird IDE oftmals in PCs für den privaten Gebrauch integriert, S-ATA ist dabei der Nachfolger der EIDE Schnittstelle, die mehr Leistung bringen soll und vor allem Platzersparnis. SCSI wird aufgrund des höheren Anschaffungspreises vermehrt in professionellem Bereichen eingesetzt. Heutige IDE Schnittstelle mit UDMA133 müssen sich bei weitem nicht mehr hinter SCSI Festplatten verstecken und sind diesen in Übertragungsgeschwindigkeiten beinahe ebenbürtig.

ATA: Abkürzung für "Advanced Technology Attachments"; amerikanische Industriestandards. Sie beschreiben das Signalverhalten und das Protokoll für das IDE-Bussystem. Der ATA-Standard regelt die Kommunikation zwischen PCs und Speichergeräten.

DMA: Direct Memory Access (direkter Speicherzugriff); Datenübertragungsverfahren, bei dem der Datentransfer zwischen Systemkomponenten ohne die Hilfe der CPU erfolgt. Es gibt derzeit vier Standards - nämlich Ultra-DMA/33, 66, 100 und 133, die (theoretisch, soweit sie nicht von anderen Komponenten, wie z.B. von der Festplatten-Schreib- und Lesegeschwindigkeit gebremst werden) eine externe Datentransferrate von 33, 66, 100 bzw. 133 MB/s erreichen.


RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks)

Hinter dem Begriff verbirgt sich das Zusammenschalten mehrerer Festplatten, mit dem Ziel die Datensicherheit zu verbessern. Ferner will man sicherstellen, dass die Daten auch dann verfügbar bleiben, wenn eine Festplatte ausfällt. Unternehmen, die auf den Datenbestand angewiesen sind, waren schon sehr früh bereit Geld für dieses Mehr an Sicherheit aus zu geben.

Die Level 1, 3, 4 und 5 sind es, die als echte RAID Levels mit dem Anspruch auf Datensicherheit heute in der PC Umgebung eingesetzt werden. Das vielfach benannte Level 0 ist kein echtes RAID Level, da keinerlei Redundanz eingebaut ist. Lediglich in Verbindung mit einem anderen Level bietet dieses einen echten Vorteil.

Raid 0: Hohe Geschwindigkeit, bei Ausfall einer Platte kompletten Datenverlust



Raid 1: Hohe Datensicherheit, nur Kapazität einer Festplatte kann genutzt werden, auf der anderen werden die Daten zur Sicherheit gespiegelt



Raid 3 und Raid 4 werden in der Praxis eher selten benutzt und werden daher hier nicht weiter betrachtet.

Raid 5: Wann immer von RAID die Rede ist, handelt es sich in erster Linie um ein System nach dem Level 5. Wie bei den anderen vorgestellten Systemen werden auch hier die Daten zerlegt. Es wird allerdings keine dedizierte Platte für die Checksumme eingerichtet, sondern die Checksumme auf die nächste erreichbare Platte geschrieben. Dadurch ist jede der Platten, in unserem Beispiel, zu 4/5 Datenplatte und zu 1/5 Checksummen Platte. Der Vorteil bei einer solchen Installation ist die Flexibilität was die Menge der Platten betrifft. Damit ist dann auch die Grenze der Kapazität sehr viel höher als bei den anderen, insbesondere dem Level 3, Versionen. Zusätzlich werden hier Vorteile aus dem Level 0 (Geschwindigkeit) und dem Level 1 (Redundanz und daraus resultierende Sicherheit)

Quellen

www.tomshardware.de

PCGames Hardware

www.fachinformatikers.de

www.zork.nu/referate/festplatte

www.computerlexikon.de