Festplatte

0. Einordnung

 

 

Mechanische Speicher

  Magnetische Speicher   Optische Speicher   Halbleiterspeicher
  Lochkarte   Festplatte   CD   ROM
        Diskette   DVD   SRAM
        Band   Blue Ray   DRAM

 

 

 

1. Aufbau

Eine Festplatte enthält einen Stapel von zwei bis zehn magnetischen Platten. Die Platten bestehen aus beschichtetem Aluminium oder Glas. Die Schreib-Lese-Köpfe magnetisieren die Oberfläche beim Schreiben und registrieren die Magnetisierung der Oberfläche beim Lesen.

Die Schreib-Leseköpfe schweben nur wenige Mikrometer über der Plattenoberfläche. Da der Abstand kleiner als ein Staubpartikel ist, muss die Festplatte vor Verschmutzungen geschützt werden. Sie sind daher (fast) luftdicht abgeschlossen.

 

 

 

Der Blick auf ein gewaltsam geöffnetes Festplattengehäuse sieht folgendermaßen aus:

 

 

 

Spur
  • Aufteilung einer Festplatte in mehr als 6000 Kreise
  • ein Kreis wird Spur genannt
  • auf jeder Platte wird die Ober- und Unterseite belegt, d.h. eine Festplatte mit vier Scheiben hat acht übereinander liegende Spuren
  • Spur 0 ist der äußerste Kreis einer Scheibe
Zylinder
  • sind die übereinander liegenden Spuren eines Plattenstapels
  • Zugriff auf alle Spuren eines Zylinders ist ohne Neupositionierung der Schreib-Leseköpfe möglich
Sektor
  • kleinste adressierbare Einheit einer Platte.
  • ist in der Regel 512 Bytes groß
  • auf jeder Spur sind 216 oder mehr Sektoren
Cluster
  • ein Sektor oder mehrere Sektoren werden zu Clustern zusammengefasst
  • ist kleinster Speicherbereich, der von einem Dateisystem genutzt werden kann
  • Anzahl der Cluster ist begrenzt (FAT16 maximal 65536, bei FAT32 maximal 228 Cluster)
Spurdichte
  • Anzahl der Spuren auf der Breite eines Inches (2,54cm)
  • gemessen in tpi (Tracks per Inch)
Lineare Dichte
  • Anzahl der Bits auf, die auf der Länge eines Inches (2,54cm) untergebracht werden
  • gemessen in bpi (Bits per Inch)
Flughöhe der Lese-Schreib-Köpfe
  • heute ca. 10 bis 20nm
  • je geringer die Höhe, desto stärker sind die Lesesignale und folglich kann die lineare Dichte erhöht werden

 

 

 

 

2. Kenngrößen

 

Kapazität Unformatierte Kapazität

 

  Formatierte Kapazität:
  • Tatsächliche Größe basiert auf Dualzahlen (1KB = 210 Bytes und somit 1024 Bytes).
  • Herstellerangabe basiert auf Dezimalsystem (1KB = 103 Bytes und somit nur 1000 Bytes.)
  • Bei einer Platte mit der Herstellerangabe von 750GB sind tatsächlich nur 750.000.000.000 Bytes vorhanden. Wenn man aber diese 750.000.000.000 Bytes in KB umrechnet, sollte man sich an die Dualzahlen halten und erhält bei der Division durch 1024 nur 732421875KB und bei weiterer Division durch 1024 nur 715255,7MB und letztendlich nur 698GB.

Zugriffszeit

 
Reaktionszeit der Laufwerkselektronik
  • Zeit zwischen Aufruf und tatsächlichen Start der Positionierung von Schreib-und-Lesekopf
Positionszeit
  • Zeit zwischen Start der Positionierung und Erreichen der Spur
Latenzzeit
  • Zeit bis der gewünschte Sektor unter dem Schreib-Lese-Kopf erscheint
Spurwechselzeit
  • Zeit für den Wechsel zwischen zwei benachbarten Spuren
  • ist bedeutsam bei stark fragmentierten Dateien
Datentransferzeit bzw. Datenrate
  • gemessen in Mbit/s oder MByte/s
  • abhängig von Drehgeschwindigkeit und Schnittstellen

 

 

 

 

3. Möglichkeiten der Leistungssteigerung

 

3.1. Erhöhung der Drehgeschwindigkeit

Sicherlich ist es reizvoll, die Drehgeschwindigkeit der Festplatten zu erhöhen. Heutige Platten variieren bereits zwischen 4500 und 15000 Umdrehungen pro Minute. Da die Geschwindigkeit an den äußeren Spuren viel größer ist als an den inneren Spuren, werden die Lese-Schreib-Köpfe besonders an den Außenspuren beansprucht.

Bleibt man bei der "tortenförmigen" Aufteilung der Sektoren, bleiben den 512 Bytes eines Sektors an den Außenspuren mehr Platz als innen, wodurch das Geschwindigkeitsproblem entschärft wird.

Die Festplatte kann daher ständig mit maximaler Geschwindigkeit rotieren. Für die Einhaltung dieser konstant hohen Drehgeschwindigkeit wird jedoch viel Platz auf der Festplatte geopfert.

 

3.2. Multiple Zone Recording (MZR)

Das MZR-Verfahren nutzt den Speicherplatz der Festplatte optimal. Jeder Sektor erhält für seine 512 Bytes die gleiche Spurlänge. Das bedeutet, dass die Außenspuren mehr Sektoren beherbergen als die Innenspuren. Durch dieses Verfahren wird die Festplattenkapazität um 20% bis 50% gesteigert.

Um eine hohe Lese-Schreib-Geschwindigkeit für alle Sektoren abzusichern, kann die Drehgeschwindigkeit der Festplatte nun nicht mehr konstant hoch bleiben. Beim Zugriff auf äußere Spuren muss die Drehgeschwindigkeit gedrosselt werden.

 

3.3. Sortierung des Zugriffs

Neuere Festplatten arbeiten nicht mehr nach dem First Come - First Serve Prinzip, bei dem die Aufträge sequentiell abgearbeitet werden. Vielmehr werden mehrere Aufträge gesammelt und neu sortiert. Hierfür gibt es zwei Vorgehensweisen:

 

  Shortest Seek First Aufzugsalgorithmus
 
  • Aufträge werden in einer Liste abgelegt

  • Die Abarbeitung erfolgt nach dem Prinzip des kürzesten Weges

  • Wenn die Schreib-und-Leseköpfe einen Auftrag abgearbeitet haben, wandern sie zu dem nächst gelegenen Sektor

  • wenn sehr viele Aufträge eintreffen, bleiben die Schreib-Lese-Köpfe zickzackartig in der Mitte der Festplatte und vernachlässigen die Randbereiche

  • Aufträge werden auch hier in einer Liste abgelegt
  • Die Abarbeitung erfolgt jedoch nach dem Fahrstuhlprinzip, d.h. erst wandern die Schreib-Lese-Köpfe in die eine Richtung und erledigen der Reihe nach alle Aufträge und wenn ein Ende erreicht ist, kommt es zum Richtungswechsel
  • So werden alle Bereiche der Festplatte gleich oft angesteuert

 

 

 

4. Strukturierung einer Festplatte

 

  Low-Level-Formatierung  
 
  • Anlegen von Spuren und Sektoren (physikalisch)

  • wird vom Hersteller erledigt

  • bei dieser Formatierung werden defekte Sektoren erkannt, unkenntlich gemacht und durch fehlerfreie Sektoren ersetzt

  • daher sieht jeder Hersteller für seine Platten eine etwas höhere Kapazität vor, als er letztlich angibt

  • z.B. Vorzeichnen von Linien in einem Schreibheft
  Partitionierung  
 
  • Anlegen von maximal vier logisch selbständigen Teilen einer Festplatte
  • jede Partition funktioniert wie eine physikalisch eigenständige Festplatte
  • Primäre Partition: enthält Dateien für den Start eines Betriebssystems
  • Erweiterte Partition: enthält keine Startdateien für ein Betriebssystem
  • Bootvorgang nur von primärer Partition möglich
  • die primäre Partition, von der gebootet wird heißt aktive Partition oder Systempartition
  • mehrere primäre Partitionen möglich, aber nur eine erweiterte Partition
  • erweiterte Partition kann in mehrere logische Laufwerke eingeteilt werden (begrenzt durch Anzahl freier Buchstaben)
  • z.B. Einteilung eines Buches in Kapitel
  Logische Formatierung  
 
  • notwendig für die Verwaltung der Dateien
  • Anlegen von Boot-Datei, Stammverzeichnis, Informationen über genutzten und ungenutzten Speicherplatz, Information über beschädigte Sektoren
  • z.B. Bereitstellung eines Inhaltsverzeichnisses in einem Buch

 

 

5. Master Boot Record

 

Wenn der Computer eingeschaltet wird, muss die Festplatte auch erkannt werden. Die dafür nötigen Informationen stehen im Master Boot Record der Festplatte. Im Master Boot Record stehen außerdem die notwendigen Befehle, die für das Starten des Betriebssystems notwendig sind.

Den Aufruf des Master Boot Records übernimmt das BIOS beim Startvorgang.

Die Partitionstabelle speichert die Informationen der einzelnen Partitionen. Für jede Partition stehen dafür exakt 16 Bytes (= 128 Bit) zur Verfügung. Diese 16 Bytes werden für 10 Einträge verwendet.

In der folgenden Grafik wurden nur die Einträge der 1. Partition dargestellt. Der tabellarische Aufbau der anderen Partitionen ist identisch mit dem der 1. Partition.

 

  Master Boot Record
                   
 

Partitionstabelle (64 Bytes)

 

Ausführbarer Code

(= Bootstrap)

                 
  • Sprung auf Bootdatei

  • Laden Bootdatei

 

1. Partition (16 Bytes)

  2. Partition   3. Partition   4. Partition  
  Boot Indicator (Hinweis, ob diese Partition die Systempartition ist) (8 Bit)      
 
System ID (Hinweis, welches Dateisystem auf Festplatte z.B. FAT16, FAT32, NTFS) (8 Bit)
 
Erster Kopf (8 Bit)
                 
 
Erster physikalischer Sektor (6 Bit)
                 
 
Erster physikalischer Zylinder (10 Bit)
                 
 
Letzter Kopf (8 Bit)
                 
 
Letzter physikalischer Sektor (6 Bit)
                 
 
Letzter physikalischer Zylinder (10 Bit)
                 
 
Relativer Sektor (erster Sektor einer Partition) (32 Bit)
     
 
Gesamtzahl der Sektoren (Summe aller Sektoren dieser Partition) (32 Bit)
     

 

 

6. Kapazitätsgrenzen von Festplatten

 

Die Entwicklung der Festplatten geht so rasant voran, dass einerseits das BIOS und andererseits der Master Boot Record die tatsächliche Größe der Festplatten nicht mehr erfassen können. Daher übernimmt neuerdings das Betriebssystem diese Aufgabe.

 

 

6.1. Grenzen des Master Boot Records

 

Da die Gesamtzahl der Sektoren durch einen 32 Bit Eintrag begrenzt wird, können also maximal 232 Sektoren angesprochen werden. Wenn jeder Sektor 512 Bytes enthält, sind das 232 mal 512 Bytes, also 2048 GB (2 TB).

 

 

Diese Grenze wird jedoch durch "historische" Gründe weiter nach vorn geschoben, so dass der Master Boot Record weniger als 2 TB verwalten kann.

 

 

 

6.2. Grenzen des BIOS

 

Das Bios greift auf drei Einträge des Master Boot Records zu:

 

  Sektoren  
 
  • begrenzt durch 6 Bit Eintrag über ersten und letzten Sektor

  • 26 = 64, tatsächlich begrenzt auf 63
  Zylinder  
 
  • begrenzt durch 10 Bit Eintrag über ersten und letzten Zylinder
  • 210 = 1024
  Köpfe  
 
  • begrenzt durch 8 Bit Eintrag über ersten und letzten Kopf
  • 28 = 256

 

Wird nun noch berücksichtigt, dass jeder Sektor 512 Bytes enthält, kommt man auf folgende Grenze des BIOS:

 

 

512 Bytes mal 63 Sektoren mal 1024 Zylinder mal 256 Köpfe = 7,875 GB

 

 

 

7. Aushebeln der Kapazitätsgrenzen

 

Im Gegensatz zum Master Boot Record hat die (E)IDE Spezifikation andere Grenzwerte. Im Gegensatz zum BIOS können über die (E)IDE Schnittstelle 128 GB Daten adressiert werden.

 

    BIOS (E)IDE CHS
  Sektoren   63 256 63
 

 

     
  Zylinder 1024 65536 1024
         
  Köpfe 256 16 16
         
  Maximale Kapazität 7,875 GB 128 GB 504 MB

 

Auch wenn eine (E)IDE Festplatte mehr Daten adressieren kann als es das BIOS vermag, muss eine (E)IDE Festplatte vom BIOS erkannt werden können.

Aus diesem Grunde, kann bei (E)IDE Festplannten im BIOS der CHS-Modus aktiviert werden. Dieser Modus stellt den kleinsten gemeinsamen Nenner von BIOS und (E)IDE dar.

Die maximale Kapazität beträgt dadurch jedoch nur 504 MByte.

Der Versuch, eine (E)IDE Festplatte wenigstens mit der maximalen Kapazität des BIOS von 7,875 GB anzusteuern, erfordert ein Umrechnen der hohen Zylinderzahl zu Gunsten der kleinen Kopfzahl.

Wenn das BIOS die Umrechnung vornehmen soll, muss der XCHS-Modus (Extended-CHS) aktiviert werden, was jedoch die Performance des Systems verringert.

Besser ist die Nutzung des LBA-Modus (Logical Block Addressing), da die Umrechnung vom Controller der Festplatte erledigt wird und somit nicht die Performance des Systems verringert.

 

 

8. Dateisysteme

 

8.1. FAT 16 und FAT 32

 

 
  • FAT = File Allocation Table (Dateizuordnungstabelle)

  • Tabelle befindet sich direkt hinter dem Bootsector der Partition

  • FAT 16 verwaltet maximal 65536 Cluster

  • FAT 32 verwaltet maximal  228 Cluster

 

8.2. NTFS

 

 

 
  • Windows verwendet hier nicht die Felder über ersten und letzten Kopf, Sektor und Zylinder, sondern die Felder über relative Sektoren und Anzahl der Sektoren

  • Daher sind 232 mal 512 Bytes, also 2048 GB (2 TB) durch NTFS Systeme adressierbar.

 

Aufgaben