AUSARBEITUNG
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2. Der Aufbau einer Festplatte, Funktionsweise
2. DER AUFBAU EINER FESTPLATTE, FUNKTIONSWEISE
2.1. Das Festplattengehäuse
Das Festplattengehäuse ist in erster Linie dazu da um Dreck und Flüssigkeiten von den empfindlichen
Teilen abzuhalten. Es besteht aus Metall oder Kunststoff und ist außerdem komplett Luftdicht verschlossen
und das Vakuum im Gehäuseinneren bleibt somit erhalten. Es befinden sich fast nur höchst empfindliche
Teile in einem Festplattengehäuse; bereits Staub oder ein menschliches Haar ist größer als der
Schreib-/Lesekopf! Würden sie in das Gehäuse dringen wäre der Kopf sofort kaputt.
2.2. "Kreise, Arme und Köpfe"
Auf der Scheibe einer Festplatte liegen die Werte in einer festen Anordnung: Es befinden sich sehr kleine Kreisbahnen
auf der Platte. Die Kreise liegen nicht wie bei einer Schallplatte in einer Spiralform vor, es liegen einfach nur
viele Kreise hintereinander und der Radius dieser Kreise nimmt zu, je weiter der Kreis außen auf der Platte liegt.
Dann gibt es einen Arm, der wie bei einem Schallplattenspieler, über diese Scheiben schebt. Jeder dieser Platten
wird ein Kopf (auch genannt Head) zugeordnet. Als Zylinder wird ein Kreis bezeichnet, auf dem sich wiederrum Sektoren befinden.
Die Köpfe bieten eine wichtige Grundlage
für das Funktionieren der Festplatte: Sie können auf den darunterliegenden Platten Lesen und Schreiben. Die Köpfe sind
am Ende der beweglichen Arme befestigt. Dadurch, dass die Arme beweglich sind und sich die Scheiben ständig mit einer
hohen Geschwindigkeit drehen, können alle Köpfe jeden Bereich auf ihrer zugehörigen Scheibe erreichen. Und jetzt stellt
sich heraus warum Festplatten so empfindlich sind: Die Köpfe schweben beim Lesen und Schreiben mit einem Abstand von
weniger als einem Millimeter über den Festplatten. Bei einem Stoß könnte der Kopf auf die Platte aufschlagen und würde
alle Informationen unwiderruflich zerstören!
2.3. Ansteuerung
Es gibt mehrere Interfaces (zu Deutsch: Schnittstellen), die zur Festplattensteuerung verwendet werden.
Die zwei am häufigst auftretenden Schnittstellen sind IDE (bzw EIDE für Enhanced IDE) und SCSI.
Bei der IDE-Schnittstelle (Integrated Device Equipment) wird davon ausgegangen, dass die angeschlossenen Geräte
über einen eigenen Controller verfügen. Mit diesem eingebauten Controller können sie mit der Schnittstellenkarte
(dem so genannten "Host Adapter") kommunizieren. IDE-Geräte werden mit einem Flachbandkabel an die
40polige Schnittstelle des PCs angeschlossen. Man kann zwei Geräte pro Anschluss anschließen und diese werden
eingeteilt in Master (Primär) und Slave (Sekundär). Der ursprüngliche IDE-Standard wurde vom Enhanced IDE
abgelöst, durch den Datenübertragungsraten von 2,2 MB/s bis zu 16 MB/s möglich wurden.
Eine Alternative ist der SCSI-Anschluss. Ein großer Vorteil ist, dass man bis zu 7 Festplatten an einen
SCSI-Controller anschließen kann. Viele andere Vorteile, wie höhere Geschwindigkeit und größere Datensicherheit,
sind für viele nicht ganz so wichtig. Wichtiger sind die Kosten und SCSI-Festplatten sind im Vergleich zu
IDE-Modellen zwei bis drei mal so teuer. Im Gegensatz zu IDE sind SCSI-Kabel robuster, was elektrische
Störstrahlung angeht.
(IDE Kabel und Schnittstelle)
2.4. Speichern und Lesen von Informationen bzw Daten
Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster Flächen einer
Schicht ferromagnetischen Materials (lat.: ferrum = Eisen; griech.: magnetis (lithos) = Stein aus Magnesien),
die entsprechend ihrer Polarität den Wert 0 oder 1 annehmen. Der Schreib-/Lesekopf, im Prinzip ein winziger
Elektromagnet, polarisiert die einzelnen Sektoren unterschiedlich und speichert so die Daten.
Vor dem Schreiben der Daten werden diese in speziellen Verfahren kodiert. Ein logisches Bit steht daher
nicht mehr physikalisch als magnetsierte oder nicht magnetisierte Einheit auf der Plattenoberfläche. Durch
die Schreibverfahren wird auch eine Kompression erreicht, so dass die Datendichte steigt.
Das Auslesen der Daten wird durch Induktion des Magnetfelds der polarisierten Fläche in der Spule des
Schreib-/Lesekopfes erreicht. Induktion heißt Erzeugen elektrischer Spannung durch ein veränderliches
Magnetfeld. Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muß vor dem Zugriff auf einen bestimmten Sektor
der Schreib/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte
der Sektor unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen heutzutage
bei ca. 5-10 ms. Für den Arbeitsspeicher würde dieser kurze Zeitraum eine Ewigkeit bedeuten. Um eine hohe
Performance zu erreichen muß eine Festplatten soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in
aufeinanderfolgenden Sektoren lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib/Lesekopf nicht neu positioniert
werden muß. Es ist logisch: Kurze Distance = weniger Bewegung nötig = mehr Speed! Dies erreicht man,
indem man möglichst viele Operationen im RAM durchführt und auf der Platte, die die Positionierung der
Daten auf die Zugriffsmuster abstimmt.
Über die Jahre wurden die Flächen, die einzelne Bits speichern, immer kleiner - bei gleich großer Fläche
wurde die Datendichte erhöht. Das wurde durch kleinere Leseköpfe und besseres Trägermaterial sowie
durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.
2.5. CHS-Adressierung und die Datei-Zuordnungstabelle
CHS heißt Cylinder, Head, Sector (zu deutsch: Zylinder, Kopf, Sektor).
Das ist die Adressierung von Informationen. In der Datei-Zuordnungstabelle wird diese Adresse einer Information gespeichert.
Braucht man jetzt eine Information würde die Festplatte ewig suchen, bis sie genau diese Information in all den Sektoren
finden würde. Somit wird zuerst in der Datei-Zuordnungstabelle geprüft an welcher Stelle die Information auf der
Festplatte zu finden ist. Nach dem CHS-Prinzip wird die Info in 3 Werten gespeichert: X, Y und Z. X ist der Kopf,
Y der Zylinder und der Sektor wird in Z gespeichert, außerdem wird der dazugehörige Dateiname in der Datei-Zuordnungstabelle
gespeichert.
2.6. LBA-Technik
LBA steht für "Large Block Access" und diese Technik hat nur ein Ziel: Mehr Kapazität zu gewinnen.
Dies schafft sie nur, indem sie die alte CHS-Technik erweitert. Früher war es aus technischen Gründen üblich,
dass in jeder Spur, egal ob dicht am Kern oder ganz außen, die gleiche Anzahl von Sektoren zu finden war.
Die Eigenschaft eines Kreises bedingt allerdings, dass äußere Kreisbahnen länger als die inneren sind und
so auch bei gleicher Anzahl von Segmenten pro Bahn, diese von innen nach außen größer werden. Ist der
Bereich auf einer inneren Spur sehr klein, um durch die Ausrichtung sehr weniger Teilchen eine 0 oder 1
darzustellen, ist der auf einer äußeren Bahn extrem groß. Hier könnte man eigentlich mehrere Bits speichern.
Bei den ersten Festplatten war das noch kein großes Problem. Aber die neuen Generationen erreichen ihre
enormen Kapazitäten nicht nur durch zahlreiche Platten, sondern auch durch extremere Dichte der
magnetisierbaren Schicht und damit größerer Datendichte.
Was ändert die LBA-Technik jetzt? Mit der neuen LBA-Technik ermöglicht man eine variable Sektor-Anzahl,
die mit jeder weiteren Spur von innen nach außen zunimmt. Der Bereich, der für jedes Bit zur Verfügung
gestellt wird, ist nun auf jedem Teil einer Platte annähernd gleich groß und eine Verschwendung der Kapazität
wird möglichst gering gehalten. Die neue Technik wird von jedem heutigen Computer (ca. seit der Pentium
1-Generation) unterstützt. Die Sektoren werden hier von außen nach innen kontinuierlich durchnummeriert;
es wird von keiner festen Anzahl pro Spur ausgegangen. Die Adresse einer Information ist nun der
Kopf und der Sektor, bzw. Cluster. (CHS-Adressierung!)
Aber auch in älteren Computern ohne LBA-Unterstützung
lassen sich grundsätzlich moderne Festplatten einbauen und betreiben (Allerdings nur, wenn das
Controller-System und Verkabelung kompatibel sind). Für die Adressierung wird eine feste Sektoren-Anzahl
für jede Spur angenommen. Natürlich ist die Kapazität dieser Festplatte dann deutlich geringer als
vom Hersteller mit LBA-Modus zugesichert (eine Halbierung der Kapazität kann das häufig schon sein).
Der LBA-Modus wird im BIOS des Computers aktiviert. Heutige Rechner haben eine automatische Erkennung
der Festplatten und wählen diesen Modus automatisch aus.
2.7. Der „Head Crash“
Man spricht von einem "Head Crash" wenn die Köpfe auf die Platten stoßen. Dies passiert schnell,
wenn eine Festplatte umgekehrt horizontal eingebaut wurde oder die Festplatte einen sehr starken Schlag
abbekommt. Ein Datenverlust ist die Folge. Heutige Festplatten haben zusätzliche Befestigungen an den
Armen, so dass sie in aller Regel auch starke Erschütterungen und Schläge aushalten.