Die Festplatte

Die Festplatte

1. Das Speichermedium Festplatte

2. Aufbau und Zusammensetzung
2.1 Gehäuse
2.2 Magnetplatten und Schreib- Leseköpfe
2.3 Spuren, Sektoren und Zylinder
2.4 Motorik

3. Funktion und Kommunikation
3.1 Magnetisierungsvorgang
3.2 Controller und Bus- System
3.3 Interleave
3.4 Die Festplatte a!s Laufwerk

1. Das Speichermedium Festplatte

Als Festplatte (Hard Disk) bezeichnet man die Art von Datenträgern, die fest in einem Computersystem installiert sind. Sie dient hauptsächlich zur Speicherung großer Datenmengen und ermöglicht dem Computeranwender (User) einen schnellen Zugriff auf die gespeicherten Daten. Festplatten sind wie Disketten Magnetplatten, auf denen Daten abgelegt oder abgerufen werden können. Sie arbeiten mit einem magnetischen Aufzeichnungsverfahren und lassen sich beliebig oft beschreiben oder lesen. Der Vorteil gegenüber der Diskette liegt in der wesentlich höheren Speicherkapazität und Bearbeitungsgeschwindigkeit. Festplatten eignen sich im Gegensatz zu herkömmlichen Disketten, CD-Roms oder Wechseldatenträgern nicht zum Transport von Daten, sondem sind ausschließlich für die "Endlagerung" der Daten im Computersystem bestimmt.

2. Aufbau und Zusammensetzung

2.1 Gehäuse

Die Magnetscheiben, aus denen sich die Festplatte zusammensetzt, befinden sich innerhalb eines hermetisch verschlossenen Gehäuses. Die luftdichte Versiegelung ist nötig, da durch die hochempfindliche Konstruktion des Festptatteninnern schon winzige Teilchen, z.B. Staubkörner, die Festplatte zerstören würden, was unweigerlich einen Datenverlust zur Folge hätte. Das Gehäuse besteht aus Metall und hat in den meisten Fällen die Form eines Quaders. An einer der breiten Flächen befindet sich eine Platine aus elektronischen Bauteilen, welche die Funktion der Festplatte steuern. Des weiteren sitzt an einer der schmalen Flächen die Steckverbindung zur Stromzufuhr sowie eine Schnittstelle, über die der Datentransfer zum Rechner vorgenommen wird.

2.2 Magnetplatten und Schreib- Leseköpfe

Im Inneren des Gehäuses sind mehrere beschichtete Aluminiumscheiben übereinander angeordnet, die einen Durchmesser von 2 1/2 , 3 1/2 oder 5 1/4 Zoll und eine Dicke von ca. 1,2 mm haben. Diese Aluminiumscheiben oder Platten rotieren gemeinsam in der gleichen Geschwindigkeit um eine Achse. Jede dieser Scheiben wir beidseitig von sogenannten Schreib- Leseköpfen magnetisiert. Um die Menge der dicht beschriebenen Daten möglichst sicher lesen und schreiben zu können, darf der Schreib- Lesekopf nur einen sehr geringen Abstand zur Magnetplatte haben. Die Distanz vom Kopf zur Scheibe beträgt ca. 0,001 mm. Damit diese Distanz konstant gehalten wird, bedient man sich des Luftpolsters, das die Festplatte durch die Drehung selbst erzeugt.

Wird dieses Luftpolster durch Außeneinwirkung (Stöße) oder das Eindringen von Fremdkörpern in das Innere der Festplatte zerstört, fällt der Schreib- Lesekopf auf die Aluminiumscheibe. In diesem Fall ist die Festplatte zerstört, man spricht dann von einem Headcrash.

2.3 Spuren, Sektoren und Zylinder

Die Schreib- Leseköpfe sind wiederum an einem horizontal beweglichen Arm befestigt. Diese Konstruktion bezeichnet man aufgrund des ähnlichen Aussehens auch als Kamm. Alle SchreibLeseköpfe können nur gemeinsam bewegt werden und greifen deshalb immer zusammen auf den gleichen Bereich der jeweiligen Magnetscheibe zu. Diesen Bereich nennt man Spur. (Das Spurensystem der Festplatte ist mit den Rillen einer Langspielplatte zu vergleichen.) Alle Spuren, die sich mit einer Einstellung des Kamms erreichen lassen, bezeichnet man als Zylinder. Damit verhindert man unnötige, zeitintensive Kammbewegungen.

Jede Spur ist in mehrere gleich große Sektoren aufgeteilt, die jeweils nur als Ganzes bearbeitet werden können.

Den ersten Sektor einer Festplatte bezeichnet man als Boot- Sektor. Dieser ist zum Starten eines Betriebssystems (MS- DOS, Windows95, Unix, OS/2) notwendig.

Um die Zugriffsgeschwindigkeit auf die Daten zu erhöhen, sind mehrere Sektoren als Cluster zusammengefaßt.

Die Anzahl der Spuren auf einer Festplatte gibt man in tpi (tracks per inch) an.

Damit die Festplatte auch nach dem Ausschalten des Rechners vor einem Headcrash bewahrt wird, parkt sie sich bei fehlender Spannungszufuhr automatisch. Das bedeutet, daß die Schreib- Leseköpfe beim Ausschalten durch die noch vorhandene Umdrehungsenergie in eine sichere, feste Position gebracht werden. Für diesen Vorgang ist eine datenfreie Spur reserviert, auf der die Köpfe landen können.

2.4 Motorik

Die Festplatte arbeitet im wesentlichen mit einer Dualmotorik, d.h. sie wird von zwei voneinander unabhängigen Motoren angetrieben. Der Direktantriebsmotor steuert die Geschwindigkeit, mit der sich der Plattenstapel um die Achse dreht. Dies ermöglicht den Zugriff auf die Sektoren einer Spur. Die Geschwindigkeit des Direktantriebmotors wird in Rounds per minute (rpm) gemessen. Die Anzahl der rpms einer Festplatte liegt mittlerweile bei über 8.000.

Der Schrittmotor hingegen bewegt den Kamm, an dem die Schreib- Leseköpfe befestigt sind, vom Scheibenmittelpunkt nach außen bzw. in die Gegenrichtung. Damit ist es möglich, alle Spuren zu bearbeiten.

Die Zeit, die der Schrittmotor benötigt, um von einer Spur zur anderen zu wechseln, bezeichnet man als Spurwechselzeit.

Meistens wird jedoch die Zeit angegeben, die benötigt wird, eine beliebige Information auf dem Magnetspeicher zu finden. Diese nennt man Zugriffszeit, welche in Millisekunden (ms) gemessen wird.

3. Funktion und Kommunikation

3.1 Magnetisierungsvorgang

Die Speicherung der Daten nehmen die Schreib- Leseköpfe durch wechselnde Magnetisierung der Aluminiumplatte vor. Dies geschieht durch wechselnde Polarisierung der Schreib- Leseköpfe, die eine Richtungsänderung kleinster Magnetteilchen auf der Aluminiumplatte bewirken. Um dies zu verdeutlichen, bezeichnet man einen positiven Lesespannungsimpuls mit der Zahl 0 (sprich: keine Spannung) und einen negativen mit 1 (Spannung). Diese Information des logischen Wertes 0 oder 1 bezeichnet man als Bit.

Die Maßeinheit Bit gibt die Größe bzw. die Speicherkapazität der Festplatte an. Eine Informationseinheit, die sich aus 8 Bit zusammensetzt, nennt man Byte. Da diese Informationseinheit bei den heutigen Festplattengrößen zu gering ist, unterteilt man weiter in Kilobyte (1.024 Byte), Megabyte (1.048.57fi Byte) und Gigabyte (1.073.741.824 Byte). Die heutige Standardfestplatte hat eine Größe von 2 Gigabyte. Dies entspricht etwa 1.000.000 beschriebenen DIN- A4 Seiten.

3.2 Controller und Bus- System

Die Festplatte kommuniziert über die Schnittstelle, einem Flachbandkabel und dem Steuerwerk (Controller) mit der Central Processing Unit (CPU), dem "Herz" des Personal Computers, und dem Hauptspeicher.

Diese Controller sind neuerdings im Motherboard, auf dem ebenfalls die CPU sowie der Hauptspeicher sitzt, integriert. Man spricht in diesem Fall von einem "onboard Controller". Dies können XT, AT, IDE, EIDE oder SCSI - Controller sein.

Der Controller liefert der Festplatte den Takt (regelmäßiger Zeitabstand), in dem die Aufzeichnung (Magnetisierung) vorgenommen werden muß. Dieser Takt ist notig, damit CPU und Hauptspeicher feststellen können, wann das nächste zu übertragende Bit von der Festplatte ankommt. Voraussetzung ist, daß es auch mit dem gleichen Takt aufgezeichnet wurde. Die Einheit, die die Verbindung von CPU, Controller und Festplatte bildet, bezeichnet man als Bus- System. An dieses Bus- System können noch weitere Komponenten wie z. B.ein CD- Rom- Laufwerk angeschlossen sein.

3.3. Interleave

Ältere Controller schaffen es nicht, aufeinanderfolgende Sektoren einer Spur zu lesen und an den Rechner zu übermittetn. Um das zu verhindern, benutzt man eine spezielle Technik, um die Daten so schnell wie möglich lesen und verarbeiten zu können: Interleave. Würden die Sektoren nach ihrer logischen Nummerierung tatsächlich aufeinander folgen, hätte sich der logisch folgende Sektor (z.B. 1 auf 2) durch die ständige Rotation der Platten schon am Schreib- Lesekopf vorbei gedreht. Um die Wartezeit einer kompletten Umdrehung zu verkürzen, vergibt der Inetrleave- Faktor eine neue nummerische Anordnung (z.B. 1,5,2,6,3 ...). Somit gewinnt der Controller durch den eingeschobenen Sektor Zeit, den logisch folgenden Sektor lesen zu können.

3.4 Die Festplatte als Laufwerk

Innerhalb eines Computersystems definiert man die Festplatte als Laufwerk, auf das der Benutzer zugreifen kann. Damit gespeicherte Daten wiedergefunden werden können, besitzt jedes Laufwerk, also auch die Festplatte, einen file allocation table (FAT). Dieser FÄT ist die sogenannte Dateizuordnungstabelle, also das Inhaltsverzeichnis des Laufwerks bzw. des Datenträgers. Um die Festplatte als Datenträger nutzen zu können, muß sie nach Inbetriebnahme für das jeweilige Betriebssystem konfiguriert werden. Diesen Vorgang nennt man Formatieren. Beim Formatierungsvorgang werden leere Sektoren auf die Spuren geschrieben, die allerdings neben der Nutzinformation noch zusätzliche Informationen wie Spumummer, Sektomummer, usw. enthalten.

geschrieben am 02.11.97 von Frank Zorn