November 2013 - Festplatte/Hard Disk

Diesen Monat schreibe ich über die Festplatte, weil wir dieses Thema in der Schule behandelt haben, und ich es sehr interessant fand.

Die Festplatte ist auch bekannt als Festplattenlaufwerk im Englischen "Hard Disk Drive" (HDD) oder auch nur Hard Disk.

Allgemeines

Die Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium, auf dem beliebige Daten dauerhaft gespeichert, wieder benutzt und verändert werden können.

Die Daten werden auf einer sich drehenden Scheibe im Inneren der Festplatte geschrieben.

Die Speicherkapazität ist je nach Festplatte unterschiedlich. Heutzutage haben Festplatten bis 4 Terabyte Speicherkapazität, ich werde aber noch genauer darauf eingehen.

Baugrößen

Auch bei der Größe der einzelnen Festplatten gibt es Unterschiede. Diese Größen werden in Zoll (") angegeben, jedoch ist dies nicht die exakte Größe des Festplattengehäuses, sondern nur der Durchmesser der Platte selber.

Die üblichen Größen der Festplatten sind: 5.25", 3.5", 2.5" und 1.8". Festplatten der Grösse 3.5" entsprechen seit 2012 dem Standard in Desktop Computern.

Die erste Festplatte, die IBM 350, wurde 1956 von IBM (International Business Machines Corporation) entwickelt. Sie ist 1.73 m hoch, 1.52 m breit und 0.74 m tief und hat eine Speicherkapazität von 5 MB. Die Festplatte enthält 50 Aluminiumplatten, die einen Durchmesser von 61cm (24") haben und mit einer Drehgeschwindigkeit von 1200 Umdrehungen pro Minute rotieren.

Die IBM 350 wurde nicht verkauft, sondern für 650 US-Dollar im Monat vermietet. 

In den 1970er Jahren gab es Modelle mit einer Grösse von 8", die aber recht schnell von 5.25" Festplatten abgelöst wurden.   

Speicherkapazität

Die Speicherkapazität ist,wie oben schon genannt, je nach Festplatte unterschiedlich, dabei spielen vor allem das Baujahr und die Baugröße eine Rolle        

*Baugröße veraltet

** Unter Verwendung von Perpendicular Recording (Aufzeichnungstechnik)

Daten Speichern/Lesen

Magnetische Festplatten organisieren die Daten in Datenblöcken. Dabei können von der Hardware immer nur ganze Datenblöcke oder Sektoren gelesen und geschrieben werden.

Das Lesen von Blöcken erfolgt durch Angaben der linearen Sektornummer. Die Festplatte weiss, wo sich dieser Block befindet, und liest bzw. schreibt auf Anforderung.

Beim Schreiben werden die Blöcke als erstes mit Fehlerkorrekturinformationen versehen. Danach werden sie einer Modulation unterzogen, dann wird der Schreib-/Lesekopf-Träger in die Nähe der Spur gefahren, die beschrieben werden soll. Als Nächstes liest der Schreib-/Lesekopf, welcher der informationstragenden Oberfläche zugeordnet ist. Ist der Schreib-/Lesekopf stabil auf der Spur und befindet sich der richtige Sektor unter dem Schreib-/Lesekopf, wird die Blockmodulation geschrieben. Bei vermuteter Fehlposition wird der Schreibvorgang sofort abgebrochen, damit keine Nachbarspuren zerstört werden.

Aufbau

 Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauteilen

Bauteil:	Funktion:
Rotierbare Scheibe(n)	Zur Speicherung der Daten
Spindel	Montagehalterung der Scheiben
Elektromotor	Als Antrieb der Scheiben
Bewegliche Schreib-/Leseköpfe	Zum Schreiben/Lesen der Daten
Actuator	Antrieb für Schreib-/Leseköpfe
Steuerelektronik	Für Motor-/Kopfsteuerung
DDR-RAM	Für Betriebssystem, temporäre Daten usw.
Schnittstelle	Zum Anschliessen der Festplatte an den Computer
Gehäuse	Zum Schutz der restlichen Bauteile

                              

Drehzahl:

Bei privaten PC's oder auch bei Arbeitsplatz PC's sind die verwendeten Festplatten größtenteils mit ATA-, SATA-, SCSI- oder SAS- Schnittstellen ausgestattet. Diese Festplatten rotieren mit einer Drehgeschwindigkeit von 5'400 bis 10'000 min-1, bei Hochleistungsrechnern sowie Servern beträgt diese Geschwindigkeit 10'000 bis 15'000 min-1 und bei Festplatten von mobilen Geräten liegt diese Geschwindigkeit bei 5'400 bis 7'200 min-1.

Einbau:

Bis in die 1990er Jahre gab es für Festplatten eine definierte Einbaulage. Sie durfte also nur waagerecht, aber nicht auf dem Kopf, oder senkrecht auf der Kante eingebaut werden. Heute ist es aber nicht mehr erforderlich darauf zu achten, dennoch sollte sie vor Vibration geschützt werden, da dadurch die Position der Schreib-/Leseköpfe gestört werden kann.

Geschwindigkeit

Festplatten gehören zu  den langsamsten Teilen der PC-Hardware, weshalb das Thema Geschwindigkeit eine wesentliche Rolle spielt. Die kontinuierliche Übertragungsrate  und die mittlere Zugriffszeit sind die wichtigsten technischen Parameter.

Die kontinuierliche Übertragungsrate ist die Datenmenge, die die Festplatten beim Lesen aufeinanderfolgender Sektoren pro Sekunde überträgt. Die Werte die die Festplatte beim Schreiben aufbringt, sind meist ähnlich und werden daher üblicherweise vom Hersteller nicht angegeben.

Sowohl beim Lesen wie beim Schreiben muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block auf der Festplatte der Schreib-/Lesekopf auf die gewünschte Spur bewegt und abgewartet werden, bis der Block durch die Rotation der Platte unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Dieser Prozess dauert circa 6-20 ms, was gegenüber anderen Hardwarekomponenten sehr lange ist.

In der unten stehenden Tabelle sieht man, wie sich die Festplattengeschwindigkeit über die Jahre entwickelt hat.

Partitionen

Aus der Sicht des Betriebssystems kann eine Festplatte durch Partitionierung unterteilt werden. Allerdings sind das keine echten Laufwerke, das Betriebssystem stellt sie nur als solche dar. Man kann sich die Partitionen wie virtuelle angeschlossene Festplatten vorstellen. Die Festplatte selber weiß von diesen Partitionen nichts, die Verwaltung der Partitionen hat das Betriebssystem.

Externe Festplatten

Externe Festplatten sind physische Massenspeichergeräte, die meist mit USB aber auch mit FireWire oder eSATA angeschlossen werden. Mittlerweile gibt es aber schon externe Festplatten, die über LAN und WLAN an ein Netzwerk angeschlossen werden können.

Baugrössen:

Externe Festplatten sind Baugleich mit internen Festplatten, jedoch hat eine externe Festplatte ein Gehäuse das zum Schutz vor Beschädigungen durch elektrostatische Entladungen dient, deshalb hat die Festplatte nur eine sehr eingeschränkte Wärmeableitung.

Externen Festplatten wird oft zusätzlich ein Netzteil mitgeliefert wegen des hohen Stromverbrauchs, meist können die Festplatten aber auch ohne zusätzlichem Netzteil direkt per USB betrieben werden.

Wie auch bei der internen Festplatte liegt die maximale Speicherkapazität bei 4 Terabyte bei 3.5" Festplatten, bei 2.5" Festplatten liegt dieser Wert bei 2 Terra Byte.

USB 2.0/3.0:

Beide USB-Versionen USB 2.0 und USB 3.0 sind zueinander kompatibel, allerdings liegt die nutzbare Datenrate von USB 2.0 bei 40 MB/s während mit USB 3.0 ungefähr 300MB/s erreicht werden können.

Bei beiden Versionen kann eine externe Festplatte über die Schnittstelle mit Strom versorgt werden, da aber die Stromstärke bei USB 2.0 auf maximal 500 mA begrenzt ist, liefern einige Hersteller ein Y-Kabel mit, mit dem der Strom eines zweiten USB-Ports genutzt werden kann.

Bei USB 3.0 ist das nicht nötig, da hier die maximale Stromstärke bei 900 mA liegt. 

Das war mein Blogeintrag zum Monat November.