Die magnetische Festplatte
Die Festplatte, auch Festplattenlaufwerk oder Hard Disc genannt, ist das Herz eines Rechners. Es handelt sich um ein magnetisches Speichermedium, das alle Daten und Programme enthält.
Die Rolle der Festplatte
Die Festplatte ist das Speichermedium des Computers, das die Daten dauerhaft aufbewahrt, im Gegensatz zum Arbeitsspeicher, der bei jedem Hochfahren vom Computer gelöscht wird. Aus diesem Grund gehört eine zu den Massenspeichern.
Die Festplatte ist mit dem Motherboard über die Festplattensteuerungseinheit verbunden, die die Schnittstelle zwischen dem Prozessor und der Festplatte bildet. Der Kontroller der Festplatte verwaltet auch andere mit dem Computer verbundene Festplatten, interpretiert die Befehle die vom Prozessor gesendet werden und führt sie der entsprechenden Festplatte zu.
Man unterscheidet meist die folgenden Schnittstellen: IDE, SCSI und Serial ATA.
Mit der Norm USB sind externe Gehäuse erschienen, mit denen es möglich ist, Festplatten über einen USB-Anschuss anzuschließen. Somit ist es einfach, Festplatten zu installieren und Speicherkapazität für Sicherheitskopien hinzuzufügen. Man spricht von externen Festplatten im Gegensatz zu internen Festplatten, die direkt an das Motherboard angeschlossen sind. Es handelt sich aber um die gleichen Festplatten.
Struktur einer Festplatte
Eine Festplatte besteht nicht aus einer, sondern aus mehreren harten Platten (daher englisch hard disk) aus Metall, Glas oder Keramik, die mit sehr geringem Abstand übereinanderliegen und Scheiben (platters) genannt werden:
Die Scheiben drehen sich sehr schnell im umgekehrten Uhrzeigersinn um eine Achse (mit mehreren Tausend Umdrehungen pro Minute). Ein Computer funktioniert auf binäre Weise, das heißt dass alle Daten in Form von Reihen aus den Zahlen 0 und 1 gespeichert werden, den sogenannten Bits. Auf einer Festplatte gibt es Millionen dieser Bits, die sehr nah beieinander gespeichert werden, auf einer sehr dünnen magnetischen Schicht, nur wenige Mikrometer dick und selbst noch von einer Schutzschicht überzogen.
Das Lesen und Schreiben der Daten erfolgt mittels beweglicher Schreib- und Leseköpfe (heads). Diese Köpfe sind Elektromagnete, die sich nach unten oder oben bewegen, um Informationen zu lesen oder zu schreiben. Die Köpfe befinden sich nur wenige Mikrometer von der Oberfläche entfernt, getrennt durch eine Luftschicht, die durch die Umdrehungen der Platten hervorgerufen wird (die Umdrehungen rufen Luftbewegungen von rund 250 km/h hervor). Außerdem sind die Köpfe seitlich beweglich, um die ganze Oberfläche der Platte erfassen zu können:
Die Köpfe sind untereinander verbunden, so dass nur einer gleichzeitig lesen oder schreiben kann. Alle vertikal gespeicherten Daten auf allen Scheiben werden Zylinder genannt.
Diese ganze Präzisionsmechanik befindet sich in einem vollständig hermetischen Gehäuse, denn der kleinste Partikel kann die Plattenoberfläche beschädigen. Eine Festplatte hat einen Schutzdeckel, der deren Dichtigkeit garantiert. Nur die Festplattenhersteller sollten diesen öffnen in gesicherten, partikelfreien Räumen.
Funktionsweise einer Festplatte
Schreib- und Leseköpfe arbeiten induktiv, das heißt sie erzeugen ein magnetisches Feld. Das ist insbesondere beim Schreiben der Fall. Indem sie positive oder negative Felder schaffen, polarisieren sie die Plattenoberfläche an einer kleinen Stelle, was sich beim Ablesen in Polaritätsänderungen äußert, welche zu Strom im Lesekopf führen. Dieser wird wiederum von einem analogen Wandler (CAN) in 0 und 1 übersetzt:
Die Köpfe schreiben anfangs die Daten im Außenbereich der Platte (Spur 0) und begeben sich dann zur Mitte hin. Die Daten werden in konzentrischen Kreisen organisiert, die Spuren genannt und durch die Formatierung geschaffen werden.
Die Spuren werden in Viertel geteilt (zwischen zwei Radien), die man Sektoren nennt und die die Daten enthalten (meist mindestens 512 Oktett/Byte pro Sektor):
Zylinder nennt man die gesamten Daten, die sich auf der gleichen Spur, aber auf verschiedenen Scheiben befinden (also vertikal übereinander), denn sie bilden räumlich gesehen einen Zylinder aus Daten.
Die kleineste Einheit, die eine Datei auf der Platte einnehmen kann, nennt man Cluster (oder auf Deutsch Zuordnungseinheit). Auf älteren Platten erfolgte die Adressierung iner Datei, indem die Position der Daten durch die physische Position angegeben wurde: Zylinder / Kopf / Sektor oder CHS (Cylinder / Head / Sector).
Blockmodus
Der Blockmodus ist der 32-Bits-Transfer, der es gestattet, die Leistung ihrer Festplatte voll auszunutzen. Der Blockmodus besteht darin, die Datenübertragungen blockweise vorzunehmen, das heißt in Paketen von meist 512 Oktett/Byte, wodurch es dem Prozessor erspart wird, eine große Anzahl an winzigen Paketen von einem Bit zu bearbeiten. So hat der Prozessor mehr Zeit für andere Operationen.
Neuere Betriebssysteme benutzen allerdings ihren eigenen Festplattenverwalter.
Eine Option des BIOS (IDE HDD block mode oder Multi Sector Transfer) erlaubt es manchmal, die Anzahl der Blöcke festzustellen, die gleichzeitig verwaltet werden können. Diese Anzahl bewegt sich zwischen zwei und 32. Wenn Sie sie nicht kennen, können Sie im Handbuch der Festplatte nachsehen.
Der Blockmodus kann jedoch unter manchen Systemen Fehler generieren wegen einer Festplatten-Verwalter-Redundanz. Die Lösung besteht dann darin, einen der beiden Verwalter abzuschalten, den vom BIOS oder den vom Betriebssystem.
Technische Eigenschaften einer Festplatte
Kapazität: Datenvolumen, das auf der Platte gespeichert werden kann.
Übertragungsrate (oder Geschwindigkeit): Datenmenge, die auf der Platte pro Zeiteinheit geschrieben oder gelesen werden kann. Sie wird in Bits pro Sekunde angegeben.
Rotationsgeschwindigkeit: Geschwindigkeit, mit der sich die Scheiben drehen. Sie wird Umdrehungen pro Minute (U/min.) angegeben. Die Geschwindigkeit einer Festplatten liegt etwa zwischen 7200 und 15000 U/min. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit einer Platte ist, desto besser ist ihre Übertragungsgeschwindigkeit. Allerdings ist eine Festplatte mit hoher Rotationsgeschwindigkeit meist auch laut und wird schnell heiß.
Latenzzeit (auch Rotationszeit genannt): Zeitraum zwischen dem Moment, wo die Platte die Spur findet, und dem Moment, wo sie die Daten findet.
Mittlere Zugriffszeit: Durchschnittliche Zeit, die der Kopf braucht, um sich auf der richtigen Spur zu positionieren und zu der Datei zu gelangen, also die Zeit zwischen dem Moment, wo die Platte den Befehl erhält, Daten zu liefern, und dem Moment, wo sie sie tatsächlich liefert. Sie sollte so kurz wie möglich sein.
Radiale Dichte: Anzahl der Spuren pro Zoll (tpi, Track per Inch).
Lineare Dichte: Anzahl der Bits pro Zoll auf einer gegebenen Spur (bpi, Bits per Inch).
Oberflächendichte: Verhältnis der linearen Dichte zur radialen Dichte (ausgedrückt in Bits pro Quadratzoll).
Cache-Speicher (oder Pufferspeicher): Größe des Zwischenspeichers der Festplatte. Im Cache-Speicher werden Daten gespeichert, auf die der Computer am häufigsten zugreift, um so seine globale Leistung zu verbessern.
Schnittstellen: Anschlusstechnik der Festplatte. Die wichtigsten Schnittstellen für Festplatten sind IDE/ATA, SCSI und Serial ATA. Es gibt auch externe Gehäuse, die es ermöglichen, Festplatten über USB oder Firewire anzuschließen.
SSD: elektronische Festplatten
Magnetische Festplatten werden immer mehr durch SSD (Solid State Drive oder Solid State Disk) ersetzt. Hierbei handelt es sich um elektronische Speichermedien, die keine beweglichen Teile mehr enthalten (und deshalb auch nicht im eigentlichen Sinne als Drive zu bezeichnen sind).
SSD sind wesentlich robuster und ermöglichen schnellere Zugriffszeiten. Dafür sind sie auch rund zwei- bis zehnmal so teuer wie die bisherigen magnetischen Festplatten.
Foto: © Andrii K. - Shutterstock.com
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