Die Festplatte

Aufbau der Festplatte

Eine Festplatte besteht aus einer oder mehrereren übereinander angeordneten Platten, die sich während des Betriebes drehen. Zu jeder Platte gehört ein Lese-/Schreibkopf, der über ihr auf einem Luftpolster schwebt. Dieser bewegliche Festplattenkopf ist ein kleiner Elektromagnet, der Stellen auf der Festplatte magnetisiert bzw. entmagnetisiert und somit Daten im Binärsystem (= 0 oder 1/ Ja oder Nein/ Strom oder Nicht-Strom) speichert.

Das mechanischePrinzip der Festplatte ähnelt dem eines analogen Plattenspielers, nur dass die Platte nicht berührt und der Schreib-/Lesekopf nicht in einer Spur geführt wird, sondern frei über der Platte bewegt werden kann.

Wichtig ist eine absolut staubfreie Umgebung, so dass eine Festplatte nur in speziellen Räumen geöffnet werden darf. Beim Abschalten des PCs werden die Lese-Schreibköpfe in einer Parkstellung justiert, um einen so genannten Headcrash zu vermeiden. Dabei setzt der Kopf auf der Platte auf, was meist zur Beschädigung der magnetisierbaren Oberfläche führt.

Physikalische Grundformatierung

Im Gegensatz zur späteren logischen Formatierung wird die physikalische Grundformatierung bereits von den Herstellern der Platte vorgenommen. Moderne Festplatten sind eigentlich in Zonen aufgeteilt, aber aus Kompatibilitätsgründen mit dem BIOS und verschiedenen Betriebssystemen wird weiterhin eine logische CHS (Cylinders/Heads/Sectors)-Formatierung verwendet. Diese stellt eine Grob- und Feineinteilung der Platte dar, vergleichbar mit Ort, Straße und Hausnummer. Bei LBA-Formatierung (Logical Block Adressing) werden die Sektoren einfach von LBA-0 bis LBA-n (0,1,2...n) durchnummeriert. Dieses Verfahren wird bei modernen ATA-2, sowie bei SCSI-Platten eingesetzt.

Zwischenspeichern im Cache

Jede Festplatte verfügt über einen Zwischenspeicher (Cache), der als Puffer für einen kontinuierlicheren Datenfluss sorgt. Beim schreibenden Zugriff werden Daten aus dem Controller, der Schnittstelle auf dem Mainboard, zwischengespeichert und anschließend auf die Platte geschrieben. Dies geschieht zum Beispiel, wenn eine Text- oder Bilddatei vom Anwender neu angelegt oder Änderungen gespeichert werden. Beim Lesen geht es um die Zwischenspeicherung von Daten der Platte, bevor sie zum Controller weitergeleitet werden. Dieser Vorgang läuft zum Beispiel ab, wenn eine Datei aus einem Textverarbeitungsprogramm heraus geöffnet werden soll.Verbunden ist die Festplatte mit dem Controller, sowie mit dem Netzteil des Computers.

Was muss bei der Auswahl einer Festplatte beachtet werden?

Wer nur mehr Speicherplatz benötigt, kann eine zusätzliche Festplatte einbauen und so eine Neu-Installation des gesamten Systems vermeiden. Der komplette Austausch ist zum Beispiel erforderlich, wenn ein neues Betriebssystem auf der alten Platte keinen Platz mehr hat.
Grundsätzlich sind folgende Kriterien beim Einkauf entscheidend:

Speicherkapazitat (GB): Wieviele Daten passen auf die Platte? Die hier häufig verwendete Bezeichnung GB bedeutet nicht Giga-Byte, sondern Milliarden Byte. (Ein Gigabyte : 1024x1024x1024 = 1073741824 Byte)

Zugriffsgeschwindigkeit (in ms = Millisekunden): Diese bezieht sich auf die Positionierungszeit des Lesekopfs.

Cache (in Kilobyte): Ein größerer Zwischenspeicher erhöht beim Speichern von größeren Datenmengen die Schreib- oder Lesegeschwindigkeit

Umdrehungsgeschwindigkeit (UPM = Umdrehungen pro Minute) der Festplatte: Ein Sektor kommt durchschnittlich nach einer halben Umdrehung unter dem Schreib-/Lesekopf vorbei, bei 7200 UPM also nach 4,2 ms, bei 5200UPM dagegen nach 5, 8ms.

Lautstärke: Je höher die Drehzahl, desto lauter die Platte! Bei neueren Modellen werden teilweise Dämmvorrichungen oder eine Regulierung durch Software angeboten. Nicht immer ist der Hochleistungsmodus nötig.

Üblicherweise werden die technischen Daten im Handel wie in folgendem Beispiel angegeben:

Der Einbau einer Festplatte

Zu den zwei großen Controller-Familien (SCSI und IDE (auch ATA, DMA etc.)) gibt es jeweils passende Festplatten und Kabel. Nachdem SCSI-Platten wesentlich teurer sind und ihr Geschwindigkeitsvorteil im Verhältnis zu gering ist, werden sie hauptsächlich noch in Servern eingesetzt und kaum mehr im heimischen PC. Bei den gängigen IDE-Systemen besteht im Regelfall Abwärts-Kompatibilität, so dass eine neue Festplatte grundsätzlich auch mit dem bisherigen Kabel an den alten Controller angeschlossen werden kann. Dies empfiehlt sich allerdings nicht, wenn es sich noch um frühere 40-polige, 40-adrige IDE-Kabel handelt - gegenüber der neueren 40-poligen, 80-adrigen Version.Wegen geringeren Datenstransfers können solche alten Bauteile als unliebsame "Bremser" wirken und ein Austausch ist ratsam.

Das Master-Slave-Prinzip beim Anschluss

Moderne IDE-Controller verfügen üblicherweise über zwei Kanäle, an die jeweils zwei Geräte als Master und Slave angeschlossen werden können. Die Daten werden in erster Linie zwischen Master und Controller ausgetauscht und im Bedarfsfall vom Master an den Slave weitergegeben - der Master übernimmt das Datenmanagement.

Bei zwei Festplatten empfiehlt es sich wegen der höheren, transferierten Datenmenge, diese über zwei verschiedene Kanäle jeweils als Master anzuschließen.

Die jeweilige Anschlussart lässt sich mittels Jumper, einem kleinen Steckkontakt zum Überbrücken von zwei Pins, an der Festplatte auswählen. Informationen zu den Jumpereinstellungen sind in der Dokumentation des Herstellers zur Festplatte enthalten, oft auch auf Aufklebern an der Platte selbst.

Wie werden Daten logisch auf der Festplatte organisiert?

Beim logischen Formatieren wird auf der Festplatte eine Zuordnungstabelle oder auch ein so genanntes Disc-Label erstellt, wodurch die Sektoren (Zuordnungseinheiten) lokalisiert werden können. Eine Zuordnungseinheit entspricht einer Tabellenzelle, die mit bestimmten Datensätzen wie beispielsweise einer Textdatei gefüllt ist. Die Festlegung des Speicherortes der Datei erfolgt beim ersten Speichern auf der Festplatte.

Bei Windows 95/98 und bei Windows NT/2000/XP wahlweise wird hierzu das einfache FAT (File Allocation Table)- System benutzt: eine Tabelle zum Auffinden von Datei-Einträgen. Beim Speichern wird ein Eintrag in der Tabelle vorgenommen, über den die Datei wieder lokalisiert werden kann. Ist eine Datei größer als eine Zuordnungseinheit, werden mehrere belegt. Ist sie kleiner, wird trotzdem eine volle Einheit in Anspruch genommen. Bei einem späteren Zugriff nimmt der Festplattenkopf eine Position über dem betreffenden Bereich ein und sucht den jeweiligen Sektor.

Neuere Systeme arbeiten bei der Datenorganisation mit einer komplexen Baumstruktur, die eine effektivere Nutzung des Speicherplatzes gewährleisten soll. So genannte Journalling-File-Systeme aktualisieren sich selbst und erledigen eigenständig "Aufräumarbeiten". Dies gilt für das NT-File-System (NTFS) bei Windows NT/2000/XP oder das Reiser-FS bei Linux. Wer ausführliche Informationen zu den Features der verschiedenen Dateisysteme benötigt, kann sie auf den Homepages der Hersteller wie Microsoft oder SuSE abrufen.

Warum müssen Festplatten defragmentiert werden?

Beim Speichern wird anhand der Tabelle oder des Baums ein freier Sektor gesucht. Bei größeren Dateien müssen mehrere Sektoren belegt werden - praktischerweise nebeneinander. Tritt Platzmangel auf, muss der Festplattenkopf die Daten eventuell über die ganze Festplatte verteilen und mehr Positionierungsarbeit leisten. Folglich wird der Datenzugriff durch die Fragmentierung der Dateien langsamer: Das Öffnen größerer Dateien dauert immer länger. Im Extremfall geht die Datenübertragung so langsam vor sich, dass sich zum Beispiel bei einem Video ein unerklärliches Ruckeln einstellt.

Beim Defragmentieren werden zusammengehörende Daten soweit möglich, wieder in nebeneinander liegenden Sektoren positioniert. Die dafür nötige Software ist gewöhnlich im Betriebssystem enthalten.Während des Defragmentierens ist der Rechner nicht benutzbar. Da der Vorgang automatisch läuft, kann er andererseits problemlos in Abwesenheit des Benutzers durchgeführt werden.Die Praxis zeigt, dass eine solche Wartung auch bei neueren Systemen nötig sein kann.

Wie werden Festplatten verwaltet?

Nach dem Einbau muss die Festplatte formatiert und partitioniert werden. Beim Partitionieren werden Festplattenbereiche zu einzelnen logischen Laufwerken erklärt, die sich wie separate Festplatten verhalten: zum Beispiel für Betriebssystem, Applikationen, Daten. Auf einzelnen Partitionen können auch unterschiedliche Betriebssysteme wie Windows und Linux installiert und getrennt gebootet werden.

Neuere Windows- und Linux-Systeme erkennen bei der Installation bzw. dem Neustart bei einer zusätzlichen Harddisk automatisch "nackte" Festplatten - und übernehmen deren Formatierung und Partitionierung. Alternativ zu vorgegebenen Einstellungen können Partitionen auch nach eigenen Wünschen festgelegt werden. Nachträgliches Partitionieren ohne Datenverlust ist allerdings nur mit einer speziellen Software wie Partition Magic möglich.

Das "Plattmachen" der Festplatte im Sinne einer Neuformatierung ist nicht nur beliebte Horrorvorstellung für das Wirken von Computerviren, sondern oft der letzte Ausweg bei Datenchaos. Hauptursachen für hausgemachte Schwierigkeiten sind fehlerhaft installierte oder deinstallierte Software, der Einsatz zweifelhafter Konfigurationstools oder der hilfreiche Nachbar, der alles kann.

Bootmanager und andere Helfer

Bei einer Parallelinstallation mehrerer Betriebssysteme auf unterschiedlichen Partitionen oder mehreren Festplatten ist der Einsatz eines Boot-Managers sinnvoll. Er ermöglicht nach dem Start des Rechners gezieltes Auswählen und Booten des gewünschten Systems. Hierfür geeignete Software ist zum Teil in den Betriebssystemen enthalten: LiLo bei SuSE-Linux oder der NT-Loader bei Windows NT.

Wer sich mehr Komfort oder noch mehr Betriebssysteme auf einem Rechner wünscht, kann auf Freeware wie boot-Us (www.boot-us.de/) oder Shareware wie BootIt ( terabyteunlimited.com) zurückgreifen. Letzteres Multi-Tool beherrscht unter anderem auch das Anlegen von Festplatten-Images. Hierbei wird ein bytegenaues Abbild sämtlicher Festplatteninhalte, inklusive Zuordungstabelle/-baum erstellt. Entsprechend macht der Einsatz von Festplatten-Images nur bei absolut identischen Systemen Sinn, zum Beispiel in einem Firmennetzwerk- oder als Sicherheitsbackup des ganzen Systems. Als Standardsoftware wird meist Drive Image oder Norton Ghost eingesetzt.

Fazit

Die Festplatte ist nur der Massenspeicher im System und deshalb bei Performance-Problemen nicht unbedingt die Ursache: Festplattenzugriffe erfolgen immer relativ langsam im Verhältnis zu Zugriffen auf den Arbeitsspeicher. Somit bringen neue Festplatten in alten Systemen meist nur mehr Speicherplatz, aber keine merklich höhere Performance. Bei Billig-Komplettsystemen empfiehlt sich ein Blick auf die Verkabelung, da manchmal aus Kostengründen noch alte ATA-Kabel verwendet werden.

Von Christoph Jopp und Marion Exner

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