Festplatte / Harddisk
Die Festplatte ist ein Massenspeicher auf dem alle Daten und Anwendungen eines Computers gespeichert sind. Die Festplatte ersetzt den Festwertspeicher ROM und die Diskette als Speicher. Festplatten können mehr Daten speichern als Disketten. Im Gegensatz zu ROM kann man Daten von einer Festplatte nicht nur lesen, sondern auch darauf schreiben und jederzeit ändern.
Bei jedem Start eines Computers greifen die Startroutinen des BIOS auf die Festplatte zu und sorgen für das Laden und Ausführen des Betriebssystems. Über das Betriebssystem hat der Anwender die Möglichkeit auf seine Daten und Anwendungsprogramme zuzugreifen oder dauerhaft zu speichern. Die Festplatte bietet ein sehr gutes Preis/Leistungsverhältnis. Das bedeutet, geringe Kosten pro Byte bei hoher Zugriffsgeschwindigkeit.
Der Begriff Festplatte (engl. Harddisk, HDD) kommt durch die Unterscheidung zur inzwischen veraltete Diskette (engl. Floppydisk, FDD), die als wechselbarer Datenträger bekannt ist. Die Festplatte ist durch ihre Art, fest in das Gehäuse eines Computers eingebaut zu sein, benannt worden.
1954 wurden Festplatten erstmals industriell eingesetzt. Seit dem hat sich sehr viel getan. Vor allem die Speicherdichte führte zu den uns heute bekannten hohen Speicherkapazität. Im Prinzip funktioniert die heutige Festplatte genauso wie die ersten Modelle.
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| Fesplatte | Festplatte (geöffnet) |
Aufbau einer Festplatte
In einem geschlossenen Metallgehäuse befinden sich alle Komponenten, die für das Funktionieren der Festplatte wichtig sind. Um das Eindringen von Staub und Schmutz in das Gehäuse zu verhindern, ist die Festplatte in ein nahezu luftdichtes Gehäuse verschlossen. Als einziger Kontakt zum Computersystem dient eine Anschlussleiste für eine Schnittstelle (IDE, SATA, SCSI, etc.), über die die Daten wandern.
Der eigentliche Datenspeicher einer Festplatte ist eine oder mehrere Metallscheiben, die mit einem magnetisierbaren Material beschichtet sind. Um die Speichermenge zu erhöhen liegen mehrere Scheiben übereinander. Die Scheiben sind um eine Drehachse mittels Halteklammern befestigt und dadurch voneinander getrennt. Zwischen den Metallscheiben greifen die Schreib-Lese-Kopf-Arme hinein. Auf diesen Armen befindet sich eine federnde Aufhängung. Auf dieser ist der Kopf befestigt, der zum Lesen und Schreiben der Daten dient.
Der Abstand zwischen Kopf und Scheibe ist geringer, als ein Haar, Staub- oder Rauchpartikel. Die Berührung von Kopf und Scheibe führt zum Head-Crash, der wiederum zum Datenverlust führt. Dabei wird der Datenträger zerstört, was die Festplatte unbrauchbar macht. Normalerweise können sich Kopf und Platte nicht berühren. Denn bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten, bei der sich eine Festplatte dreht, bildet sich ein Luftpolster zwischen Kopf und Platte.
Die Schreib-Lese-Arme werden von einem Motor gesteuert, der zur Kopfpositionierung dient. Zur Steuerung des Motors befindet sich direkt daneben die Armelektronik. Unterhalb dieser ganzen Konstruktion befindet sich die Platine, auf der sich die Laufwerkselektronik befindet.
Während des Festplattenbetriebs rotieren die Scheiben ständig. Während des Schreib- oder Lese-Vorgangs werden die Arme und damit die Köpfe hin und her bewegt. Damit die Schreib-Lese-Köpfe beim Transport keinen Schaden nehmen, werden die Arme beim Stromverlust in eine Parkposition gebracht und arretiert. Der dafür nötige Strom wird von einem Generator erzeugt, der die Schwungmasse der Plattenrotation ausnutzt.
Schreib-Lese-Verfahren: Longitudial Recording
Ein Schreibkopf wird über die magnetisierbare Scheibe bewegt. Im Kopf befinden sich eine Spule, die von einem Strom durchflossen wird. Das entstehende Magnetfeld magnetisiert die Stelle unter dem Kopf. So entstehen viele kleine magnetisierbare Bereich die kreisförmig auf der Scheibe angeordnet sind.
Beim Lesen induzieren die kleinen magnetischen Bereiche ein Magnetfeld in der Spule des Kopfes. Es wird eine Spannung induziert. Diese wird verstärkt und als Datenstrom ausgelesen.
In der Entwicklung von der ersten Festplatte bis heute wurden die Schreib- und Lesevorgänge immer schneller und die Speicherstruktur immer kleiner. Diese Speicherstruktur muss man sich wie winzige Stabmagneten vorstellen, die in einer langen Kette hintereinander liegen. Man nennt dieses Schreib-Lese-Verfahren Longitudial Recording. Mit diesem Verfahren werden 120 GBit pro Quadratzoll Speicherdichte erreicht. Dieser Wert gilt als Grenze, bis zu der sich der superparamagnetische Effekt in den Griff bekommen lässt. Bei superparamagnetischen Effekt reichen bereits geringfügige äußere Einflüsse, z. B. Temperaturschwankungen, um die magnetische Ausrichtung der Speicherbereiche umzukehren. Die Daten wären dann verloren.
Schreib-Lese-Verfahren: Perpendicular Recording
Perpendicular Recording geht auf die Forschung des dänischen Wissenschaftlers Valdemar Poulsen zurück. Im späten 19. Jahrhundert zeichnete er Töne erstmals mit Perpendicular Recording magnetisch auf.
Der Name dieser Aufzeichnungstechnik kommt von der vertikalen Anordnung der Speicherbereiche auf der Oberfläche der magnetischen Scheibe. Der wesentliche Unterschied ist der geringe Platzverbrauch jedes einzelnen Speicherbereichs im Vergleich zu Longitudial Recording. Man spricht davon, dass 1 Tera Bit pro Quadratzoll möglich ist.
Für Perpendicular Recording muss ein neuer Schreibkopf und ein neues Speichermedium her. Die Feldlinien müssen über den Schreibkopf senkrecht in das Medium eindringen, um eine senkrechte Magnetisierung eines Speicherbereichs zu ermöglichen. Deshalb hat der Schreibkopf zwei unterschiedliche Schenkel. Im Medium wird der obere Schreibkopf durch eine zweite untere magnetische Schicht gespiegelt. Dieser Magnet ist nicht wirklich da. Die untere Schicht verhält sich jedoch so, also ob es ihn geben würde. Die Feldlinien treten aus dem breiten Schenkel heraus und in den dünnen Schenkel hinein. Die senkrecht verlaufenden Feldlinien erzeugen einen senkrecht ausgerichteten Speicherbereich.
Zum Lesen der Speicherbereiche wird ein üblicher Lesekopf verwendet.
Organisation der Daten auf einer Festplatte
Um die Daten, die auf den magnetischen Platten abgelegt werden, wieder gefunden werden, ist es notwendig eine Einteilung der Magnetscheiben vorzunehmen. Als erster Schritt wird eine herstellerseitige Low-Level-Formatierung vorgenommen. Dazu wird auf den Scheiben Spuren angelegt. Es handelt sich dabei um einen konzentrischen Kreis, der auf allen Magnetscheiben in der Festplatte gleich sind. die Spuren werden vom äußeren Rand der Platte nach innen, beginnend bei 0, durchnummeriert. Der Abstand der Spuren, die Spurdichte, bestimmt die Speichermenge. Diese Dichte wird in Spuren pro Zoll (Tracks per Inch, TPI) angegeben.
Die Anordnung mehrerer Spuren (durch übereinander gelagerte Magnetscheiben) nennt man Zylinder.
Die Spuren werden wiederum in kleinere Abschnitte eingeteilt. Dieser Abschnitt nennt sich Sektor und entspricht einem Kreisausschnitt.
Adressierung und Grenzen der Speicherkapazität
In der Vergangenheit kam es immer wieder vor, dass die Speicherkapazität neuer Festplatten in älteren Rechnern nicht vollständig angesprochen werden konnte. Das betraf die Adressierung der Sektoren auf IDE- bzw. ATA-Festplatten. Für die Adressierung werden 28 Bit verwendet. Bei Sektoren mit 512 Byte liegt die Grenze zur Adressierung bei 128 GByte. Ist die Festplatte größer, dann kann der Speicherbereich darüber hinaus nicht angesprochen werden. In der Vergangenheit gab es auch schon Grenzen bei 8, 32 und 64 GByte.
Um größere Festplatten über 128 GByte ansprechen zu können, wurde die 48-Bit-Adressierung eingeführt. Doch ältere Computer mit einem alten BIOS oder Betriebssystem kennen die 48-Bit-Adressierung nicht. Eine große Festplatte wird also mit maximal 128 GByte erkannt. Je nach Konstellation aus BIOS und Betriebssystem ist ein BIOS-Update, Treiber-Update oder Betriebssystem-Update erforderlich. Die erste Frage, die immer geklärt werden muss, ob das BIOS die Speicherkapazität der Festplatte vollständig erkennt. Es reicht nicht aus, wenn das BIOS die Festplatten-Bezeichnung korrekt anzeigt, sondern wie viel Speicherkapazität für die Festplatte angezeigt wird. Erst wenn das BIOS korrekte Werte anzeigt, kann man als nächsten Schritt nach einem neuen Treiber oder Betriebssystem-Update schauen.
Behelfen kann man sich auch dadurch, in dem man einen zusätzlichen Hostadapter in den Rechner einbaut. Neuere Adapter haben ein eigenes BIOS und eigene Treiber, die die 48-Bit-Adressierung beherrschen. Eine Alternative stellen externe Gehäuse für USB und Firewire dar. Die beherrschen die 48-Bit-Adressierung durchgängig.
Vorsicht: Festplatten, deren tatsächliche Speicherkapazität nicht vollständig erkannt wird, sollte man nicht betreiben. Unter Umständen kann es zu Datenverlust führen.
Zugriffszeit
Die Zugriffszeit hängt von zwei Faktoren ab: Als erstes braucht der Lesekopf eine bestimmte Zeit, um die richtige Position anzufahren. Danach dauert es etwas, bis die Daten unter dem Lesekopf vorbeikommen. Währenddessen können zwischen 4 und 20 Millisekunden zwischen Anfrage und Auslieferung der Daten vergehen.
| Mittlere Suchzeit | Die Zeit, die notwendig ist, um den Lese/Schreibkopf über einer bestimmten Spur zu platzieren. |
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| Latenzzeit | Die Latenzzeit ist die Zeit, die von der Positionierung des Lese-/Schreibkopfes auf der gewünschten Spur bis zum Erscheinen des richtigen Sektors vergeht. Die durchschnittliche Latenzzeit ist der Zeitraum einer halben Umdrehung der Festplatte. |
| Zugriffszeit | Die Access-Zeit wird auch als Datenzugriffszeit bezeichnet. Sie ist die Summe aus Such- und Latenzzeit. Je schneller sich die Platte dreht, desto geringer ist diese Zeit. |
NCQ - Native Command Queuing
Unter Command Queuing versteht man die Fähigkeit einer Festplatte, mehrere Kommandos entgegenzunehmen und in einer Warteschlange (Queue) zu verwalten. Anstatt sie nacheinander abzuarbeiten, sortiert die Festplatte die Kommandos so, dass die Schreib-Lese-Köpfe möglichst kurze Wege zurücklegen. So wird die Latenzzeit minimiert, die vergeht, bis der gewünschte Sektor unter den Köpfen vorbeikommt.
NCQ kann die Daten selbständig in den Hauptspeicher schreiben bzw. daraus lesen. Erst nach Beendigung eines oder mehrerer Kommandos wird das Betriebssystem informiert. Die Daten sind dann bereits im Puffer oder sogar weggeschrieben.
NCQ wurde in Serial-ATA-Festplatten eingeführt, da kannte man dieses Verfahren in SCSI-Festplatten schon länger. Dort wird das Feature als "Tagged Command Queuing" bezeichnet. NCQ in SATA-Festplatten ist eine neue Implementierung von Command Queuing.
Command Queuing erhöht den Datendurchsatz in Multi-Tasking-Umgebungen. Denn hier wollen viele Prozesse gleichzeitig auf die Platte zugreifen. Wenn Command Queuing tatsächlich die Kommando-Reihenfolge optimieren kann, dann wird der Datendurchsatz tatsächlich gesteigert.
Partitionierung
Das Partitionieren ist das Aufteilen eines physikalischen Laufwerks oder einer erweiterten Partition in mehrere kleinere logische Partitionen, um sie als eigenständige Laufwerke ansprechen zu können.
Fragmentierung / Defragmentierung
Unter Fragmentierung versteht man den Effekt, dass zusammenhängende Dateien nicht am Stück auf der Festplatte gespeichert werden. Sie werden verstreut auf der ganzen Festplatte verteilt. Das äußert sich das in einer geringeren Datentransferrate.
Energiespar-Festplatten
Festplatten mit Energiesparfunktionen können manuell oder automatisch schlafen gelegt werden. Insbesondere dann, wenn sie für eine gewisse Zeit keine Schreib- und Lesetätigkeiten ausführen, also untätig sind, macht es Sinn auf diese Weise Energie zu sparen. In der Praxis fallen die Pausen nicht sehr häufig und lange aus, weil Multitasking-Betriebssysteme, wie Windows immer einen Dienst im Hintergrund laufen haben, der auf die Festplatte zugreift.
Um Energie zu sparen arbeiten Energiespar-Festplatten mit einer variablen Drehzahl. Finden über eine längere Zeit keine Zugriffe statt, wird die Drehzahl automatisch von 7200 auf 5400 U/min reduziert. Außerdem werden die Schreib-/Leseköpfe während des Leerlaufs entladen.
Hybrid-Festplatten
Der Flash-Speicher in Hybrid-Festplatten bietet verschiedene Vorteile. Zum einen kann das Betriebssystem schneller booten. Die Zeit, bis der Computer gestartet und betriebsbereit ist, kann so deutlich reduziert werden. Dadurch, dass die Magnetscheibe der Festplatte nicht ständig rotieren muss, wird auch noch Strom gespart. Das ist besonders interessant bei Notebooks.
SSD - Solid State Disc
Bei den zukünftigen Festplatten wollen die Hersteller auf Flash-Speicher bauen. Somit werden alle beweglichen Teile einer Festplatte verschwinden. Doch bis es soweit ist wird es noch einige Jahre dauern. Zumindest so lange, bis Flash-Speicher schneller und günstiger sind und eine größere Speicherkapazität haben als Festplatten.
In Notebooks, in denen die Speicherkapazität der Festplatte keine so große Rolle spielt, werden bereits SSDs mit Flash-Speicher eingesetzt.
Übersicht: Festplatten
Übersicht: Schnittstellen für Festplatten
- IDE (AT-Bus)
- ATA / Ultra-ATA / EIDE
- SATA / Serial ATA
- SATA-II / Serial-ATA-II
- SATA-3 / SATA-600
- SCSI - Small Computer System Interface
- SAS - Serial Attached SCSI
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- Disketten
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- RAID - Redundant Array of Independent Disk
- Speicherangaben und Speicherkapazität
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