Die Festplatte

Kategorie: Speicher Erstellt: Dienstag, 02. Oktober 2012 Zuletzt aktualisiert: Dienstag, 02. Oktober 2012

Die Festplatte, auch Hard Disk genannt, ist das wichtigste Speichermedium für Daten in einem Computer. Auf ihr wird das Betriebssystem gespeichert, das den Computer erst benutzbar macht, die Software, mit der man arbeitet und schließlich auch noch die Daten, die man mit diesen Programmen erzeugt.

Mechanisches - Aufbau einer Festplatte

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Eine Festplatte besteht im Wesentlichen aus mehreren übereinander angeordneten Scheiben, die mit einer Eisenoxid-Schicht (chemisch gesehen eine Art Rost, aber praktisch doch ein bisschen anders) überzogen sind. Diese Scheiben sind an einer Spindel befestigt, die von einem Motor angetrieben wird. Ein weiterer Präzisionsmotor bewegt die Arme mit den Schreib-/Leseköpfen über die Plattenoberfläche. Zu guter Letzt kommt noch eine Ansammlung diverser Chips und Interfaces dazu. Das ganze befindet sich dann in einem luftdicht verschlossenen Gehäuse aus Metall oder Kunststoff.  hdd intEs ist hier sehr wichtig, dass die Motoren sehr zuverlässig und gleichmäßig arbeiten: Der Motor, der die Scheiben antreibt, darf auf keinen Fall ausfallen, denn die Schreib-/Leseköpfe bewegen sich sehr dicht über der Plattenoberfläche auf einem Luftkissen, dass sofort zusammenbricht, wenn die Größenvergleich Drehgeschwindigkeit nachlässt, wodurch auch die Datenschicht zerstört werden kann (der so genannte "Headcrash", der oft von lauten, quietschenden Geräuschen begleitet wird). Auch der Motor, der die Schreib-/Leseköpfe positioniert, muss sehr genau arbeiten, da die Datenspuren nur wenige Mikrometer auseinander liegen. Da die Festplatte ein so empfindliches Gerät ist, ist es selbstverständlich, dass sie luftdicht abgeschlossen ist, denn schon ein Staubkorn kann eine ganze Datenscheibe unbrauchbar machen.

Köpfe und Zylinder - Aufteilung der Daten

hdd chsDie Daten werden dabei auf der Festplatte prinzipiell nach Köpfen, Zylindern und Sektoren geordnet angesprochen. Dabei entspricht die Nummer des Kopfes der Scheibe, auf der die Daten untergebracht sind (orange), der Zylinder entspricht dem "Datenkreis" (blau) und die Sektornummer zeigt schließlich auf einen konkreten, 512 Byte (neuerdings auch 4096 Byte) großen, Bereich auf der Festplatte (grün).

Bis in die erste Hälfte der 90er Jahre war es üblich, auf jedem Zylinder eine gleiche Anzahl von Sektoren unterzubringen, denn diese Art der Ansteuerung war am einfachsten zu realisieren (Bild links oben). Allerdings wurde dabei viel Platz verschenkt, denn auf den äußeren Spuren einer Festplatte lassen sich eigentlich mehr Daten unterbringen als auf den inneren. Daher änderte man die Sektoradressierung vom CHS (Cylinder, Head, Sector) -Prinzip zur LBA-Technik (Large Block Access), bei der die Sektoren von außen nach innen Stück für Stück durchnummeriert werden. Somit kann man auf den äußeren Spuren mehr Sektoren unterbringen.

Ansteuerung

Es gibt mehrere Arten von Interfaces zur Festplattenansteuerung, die in der Computerwelt sehr verbreitet sind. Auf der einen Seite das kostengünstige Serial-ATA-Protokoll (S-ATA), das wegen seiner größeren Flexibilität und Leistungsfähigkeit seinen Vorgänger IDE (Integrated Drive Electronics, auch als ATA, AT Attachement, bekannt) mittlerweile nahezu vollständig abgelöst hat.

Auf der anderen Seite gibt es das teurere SAS-Protokoll (Serial Attached Small Computer Systems Interface), das seinen Vorgänger SCSI (Small Computer Systems Interface) seit 2004 schrittweise abgelöst hat. Der für den Normalanwender offensichtlichste Unterschied zwischen beiden Techniken ist der Preis. SCSI-Festplatten sind bei gleicher Größe und Geschwindigkeit ungefähr doppelt bis dreifach so teuer wie S-ATA-Laufwerke. Dies hat natürlich seine Gründe im Aufbau der Platten.

S-ATA (Serial ATA)

Bei S-ATA und dessen Evolutionsstufen werden alle Geräte einzeln an den S-ATA-Controller mittels recht schmaler, serieller Kabel angeschlossen. Seriell bedeutet hier, dass die Bits quasi einzeln über die Leitung transportiert werden. Dies senkt die Störanfälligkeit erheblich und erlaubt somit relativ hohe Taktfrequenzen und damit hohe Geschwindigkeiten der Verbindung. Die kleinen Kabel sind nicht nur handlicher, sondern erlauben auch eine bessere Luftzirkulation im Gehäuse und es lassen sich auch schlichtweg mehr Anschlüsse unterbringen. Durchschnittliche Hauptplatinen bieten mindestens vier, meistens sogar acht Anschlüsse.

Über S-ATA kpönnen sowohl Festplatten und SSDs als auch optische Laufwerke angeschlossen werden. Des weiteren ist es über eSATA (External SATA) auch möglich, externe Lufwerke mit voller Geschwindigkeit zu betreiben. Da mit USB 3.0 aber mittlerweile ein "bequemerer" Standard zur Verfügung steht, sind eSATA-Laufwerke nicht übermäßig verbreitet.

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Ein Stecker für den internen S-ATA-Anschluss

E-IDE (=Enhanced IDE, alias Parallel AT Attachement=P-ATA)

Mittlerweile fast vom Markt verschwunden ist das parallele ATA-Protokoll, auch als E-IDE bekannt. 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.

Ein IDE-Flachbandkabel hat 40 Adern, für Ultra-ATA2-Systeme werden Kabel mit 80 Adern, von denen aber wiederum nur 40 zum Stecker geführt werden, verwendet. Dies dient zu besseren Abschirmung der Kabel gegen Störeinflüsse. Von den 40 "echten" Adern werden aber nur acht für den eigentlichen Datentransport verwendet, d.h. die acht Bit für ein Byte können gleichzeitig (=parallel) übertragen werden. Die anderen Adern dienen für Steuerbefehle und als Masse-Leitungen.

Bei höreren Taktfrequenzen, die nötig sind um schnellere Datenübertragungen zu ermöglichen, wird es immer schwieriger, die 8 Bits synchron ans Ziel zu bringen, auch die Abschirmung wird komplizierter. Daher ist der Wechsel auf die serielle Übertragung erfolgt.

Der IDE-Bus war ursprünglich nur zum Anschluss von Festplatten gedacht, man kann inzwischen aber auch CD/DVD-ROM-Laufwerke und Brenner, Bandlaufwerke und große Diskettenlaufwerke anschließen.

SCSI / SAS

Auch bei SCSI (Small Computer Systems Interface) ist der Wechsel von paralleler auf serielle Übertragung mit dem SAS-Standard (Serial Attached SCSI) erfolgt. SAS hat letztendlich mehr Ähnlichkeit mit S-ATA als mit SCSI.

Beheimatet ist SAS/SCSI schon seit Jahren nur noch in professionellen Servern oder Workstations. Grund dafür ist nach wie vor der hohe Preis für Controller und die anzuschließenden Geräte. Der Nutzer erhält dafür aber auch Geräte, die wesentlich mehr auf Langlebigkeit und Stabilität ausgelegt sind, als Consumer-Geräte mit S-ATA-Schnittstelle.

Eine Besunderheit bei SAS-Festplatten ist die Möglichkeit, eine Festplatte mit zwei SAS-Kabeln anzuschließen, entweder um die Übertragungsgeschwindigkeit zu verdoppeln oder um die Platte aus Redundanzgründen an zwei Controllern anzuschließen.

Während SAS eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung wie bei S-ATA darstellt (ein Anschluss am Controller führt zu einem Gerät), ist der Vorgängerstandard SCSI darauf ausgerichtet, bis zu sieben Geräte in Reihe zu betreiben, im Wide-SCSI-Modus sogar bis zu 15 Geräte.

Am SCSI-Controller können nicht nur Laufwerke angeschlossen werden, sondern auch Peripheriegeräte wie z.B. Flachbettscanner. Dieser Vorteil ist mit dem Aufkommen schnellerer Bussysteme wie dem USB aber verloren gegeangen, wobei der Anschluss über USB auch wesentlich simpler funktioniert als über SCSI.

Ein großes Thema bei SCSI sind die Terminatoren (Herr Schwarzenegger hat damit nichts zu tun), die jeweils am Ende des Busses angebracht werden mussten, um Signalreflexionen am Kabelende zu minimieren. Mit SAS ist dieses Thema auch erledigt.

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.

Geschwindigkeiten

Im Laufe der Zeit haben sich sowohl bei SAS/SCSI als auch bei S-ATA/IDE verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten verbreitet. Hier eine kurze Übersicht (es handelt sich nur um theoretisch erreichbare Geschwindigkeiten):

IDE
Protokoll Geschw.
PIO Mode 1 3,33 MB/sec
PIO Mode 2 >6,7 MB/sec
PIO Mode 3 12 MB/sec
PIO Mode 4 16,6 MB/sec
Ultra-DMA 2 33,3 MB/sec
Ultra-DMA 4 66,6 MB/sec
Ultra-DMA 5 100 MB/sec
Ultra-DMA 6 133 MB/sec
S-ATA
Protokoll Geschwind.
S-ATA 150 MB/sec
S-ATA2 300 MB/sec
S-ATA3G 600 MB/sec

SCSI
Protokoll Geschw.
SCSI-1 5 MB/sec
SCSI-2 10 MB/sec
Ultra SCSI 20 MB/sec
Wide SCSI 20 MB/sec
Ultra-Wide SCSI 40 MB/sec
Ultra2-Wide SCSI 80 MB/sec
Ultra-320-SCSI 320 MB/s
SAS
Protokoll Geschwind.
SAS 1 3 MBit/s
SAS 2 6 MBit/s
SAS 3 12 MBit/s (in Planung)

Mehr bei Wikipedia

hdd_wd1.jpgWie man leicht erkennt, hat sich die Übertragungsgeschwindigkeit bei Festplatten 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 1994 noch fast einen Meter lang, bei den letzten P-ATA-Kabeln Betrug die Länge maximal 45 cm. S-ATA-Kabel sind zwar weniger kritisch, aber auch nicht länger als einen halben Meter. 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. Auch kamen bei der letzten parallelen SCSI-Version (Ultra-320 SCSI) noch weitere Leitungen zur Abschirmung hinzu, um höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen.

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 7200 U/min üblich, bei High-End-Systemen werden aber auch Festplatten mit 10 000 oder gar 15000 U/min eingesetzt, während die langsameren Platten mit 5400 U/min eher in Systemen eingesetzt werden, bei denen es auf geringen Energieverbrauch oder eine niedrige Geräuschkulisse ankommt, da hohe Umdrehungszahlen auch zu einer starken Lärmbelästigung und Hitzeentwicklung 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.