Einleitung

Was ist eine Festplatte eigentlich? Die wohl einfachste Antwort auf diese Frage ist: Das Langzeitgedächtnis des Computers. Doch dieses Gedächtnis ist, ähnlich beim Menschen, recht komplex bei der Ein- und Ausgabe der Daten.

Übersicht

Eine Festplatte (auch Harddisk oder Harddrive genannt), ist eines der wenigen mechanischen Geräte in Computern, ohne denen es nicht besonders angenehm wäre, einen solchen zu benutzen. Ohne einer ausfallssicheren, schnellen Festplatte wäre es kaum möglich, in ähnlichen Geschwindigkeiten wie heute an Daten zu arbeiten. Der Startvorgang (das Booten) müsste von einer CD-Rom oder einer Diskette vonstatten gehen und wäre daher deutlich langsamer - noch schlimmer wäre der Effekt z.B. bei E-Mail- und weiteren Internet-Diensten, wenn sich Server auf langsamere Medien verlassen müssten.

Eine Festplatte schreibt und liest über kleine Lese- und Schreibeköpfe magnetische Informationen von und auf rotierende Platten. Die Lese- und Schreibköpfe sind auf einem Trägerarm montiert, welcher die Köpfe bewegt, und diese damit an jede beliebige Stelle der rotierenden Platten führt. Die Köpfe selbst können sich ebenfalls auf diesem Arm hin-und-her bewegen.

Die Hauptaufgaben der Festplatte lassen sich in "Input", "Processing", "Writing", "Reading" und "Output" einteilen. Diese Hauptpunkte werden nun seperat näher erläutert.

Input

Das Betriebssystem des Rechners hat die Aufgabe der Festplatte mitzuteilen, wohin neue Daten gespeichert werden sollen. Alle Befehle oder Daten werden zuerst über das Mainboard (die Hauptplatine eines Computers) zu einem Festplattencontroller (heutzutage oft im Mainboard integriert) gesendet. An diesem Festplattencontroller ist die Festplatte selbst per Flachbandkabel (meist grau oder schwarz) angebunden. Eine Stromzufuhr muss extra geregelt sein. Andere Laufwerke wie CD-, DVD-, oder Diskettenlaufwerke sind ebenso über diese Kabel an den Controller angebunden (bei Diskettenlaufwerken sind die Flachbandkabel ein wenig kleiner).

Es gibt verschiedene Systeme um eine Festplatte anzubinden. Die gängigste Variante ist EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics), welche in Home-Computern oft zum Einsatz gelangt. Wo mehr Systemleistung gefordert wird, wird meist SCSI (Small Computer System Interface) verwendet, da hier die Daten schneller von und zur Festplatte übertragen werden können.

Wenn Daten die Festplatte erreichen, werden sie zuerst in einen Zwischenspeicher (cache buffer) geladen. Die Größe beträgt zwischen zwei und sechzehn Megabyte. In der Zwischenzeit wurden die Platten auf 5,400 bishin zu 15,000 rpm (revolutions per minute; umdrehung pro minute) beschleunigt. Wie gerade erwähnt, befinden sich in einer Festplatte mehrere Platten (um die Kapazität zu steigern) übereinander, welche über einen Stift exakt auseinander gehalten werden. Sogar Stöße von über 400G (die 400-fache Erdanziehnung) können diesen Abstand normalerweise nicht beeinträchtigen.

Ein wesentlicher Faktor für die Performance ist die Umdrehungsgeschwindigkeit (rpm) mit der die Platten gedreht werden. Je schneller die Daten an den Lese- und Schreibköpfen vorbeigezogen werden, desto mehr Daten können aufgenommen bzw. abgegeben werden. Der Begriff rotational latency drückt jene Zeit aus, wielange die Lese- und Schreibköpfe auf ihren Einsatz warten müssen.

Festplatten werden vom Erzeuger als low-level-formatiert ausgegeben. Dies bedeutet, dass alle Platten in Spuren (konzentrische Kreise auf den Platten) und Sektoren (Unterteilung der Spuren) eingeteilt wurden. Der Anwender formatiert die Festplatte dann high-level um alles für die Speicherung von Daten vorzubereiten.

Ein Zylinder ist eine Zusammenfassung von gleichen Spuren auf jeder Platte. Das Konzept von Zylindern bringt den Vorteil, dass sich alle Lesearme auf eine Stelle bewegen um von allen Platten gleichzeitig lesen zu können. Das Betriebssystem organisiert die Einteilung der Festplatte in cylinder, head und sector und teilt diese in clusters von 2KB bis 32KB ein. Die Größe dieser Einteilung ist mitunter recht wichtig, da z.B. ein 5KB File einen 32KB cluster vollständig belegt und somit 27KB verschwendet. Je kleiner aber die Cluster, desto aufwändiger ist die Aufteilung. Die Formatierung durch das Betriebssystem muss diese Einteilung entsprechend sinnvoll vornehmen um optimale Leistung zu gewährleisten.

Processing

Das PCB (printed circuit board) sitzt im Gehäuse der Festplatte und kontrolliert die Elektronik der Platten. Der DSP (digital signal processor) konvertiert alle digital eingehenden Signale in analoge. Ein Kreislauf der "read channel" genannt wird, enkodiert die zu schreibenden Daten damit diese effizient gespeichert werden und - wie der Name schon sagt - dekodiert später die zu lesenden Daten.

Writing

Eine Festplatte schreibt mit Schreibköpfen Informationen auf die magnetische Oberfläche der Platten. Die Schreibköpfe sind direkt neben den Leseköpfen angebracht; dadurch werden teilweise Aufgaben aufgeteilt (z.B. Wenn der Lesekopf den notwendigen, zweiten Pol für den Schreibkopf bereitstellt).

Schreibköpfe haben die Form des Buchstaben "C" und sind aus magnetischem Material mit feinem Draht gefertigt. Sie sind induktiv, dass heißt, sie produzieren ein Magnetfeld. Die Hersteller verwenden eine sogenannte "thin-film"-Technologie (extrem dünne Schichten von Metall) zur Erzeugung der Lese- und Schreibköpfe. Generell gilt, je kleiner der Abstand zwischen den beiden Polen der Schreibköpfe, desto höher ist die Signalfrequenz und desto dichter können die Daten geschrieben werden. Diese Dichte wird im englischen mit "areal density" bezeichnet.

Jeder Kopf liegt in etwa 1/5000-Tausenstel eines menschlichen Haares über den Platen. Dieser Abstand wird durch den Auftrieb des Arms (auf welchem sich die Köpfe befinden) bei den extrem hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten der Platten erzeugt. Moderne Festplatten verwenden das SMART-System (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) für den automatischen Report von Problemen innerhalb der Festplatte.

Nun folgen die primären Schritte, die angewendet werden, wenn Daten geschrieben werden:

1. Der Kontroller instruiert den
   Trägearm (worauf sich die Köpfe befinden) sich zur korrekten Spur, Zylinder und Platte zu begeben.
2. Wenn sich die Schreibköpfe auf dem Trägerarm zwischen der äußeren und inneren Kanten der Platten bewegen, können Sie nun jeden gewünschten Millimeter erreichen.
3. Das System gibt Informationen über die genaue Positionierung der Köpfe aus. Das Betriebssystem sorgt dafür, dass der Kontroller nur auf leere, ungenutzte Blöcke Informationen schreibt und somit keine Daten verloren gehen.

Jede Platte hat ein Lese- Schreibkopf-Set für jede verwendbare Seite. Die Festplatte ist quasi hermetisch abgeriegelt um Staubfreiheit innerhalb der Festplatte zu gewährleisten. Es gibt mindestens eine Membran die einen entsprechenden Druckausgleich vornehmen kann, ohne Staub in die Platte gelangen zu lassen.

Reading

Wenn das Betriebssystem eines Computers spezielle Daten von der Festplatte abfragen möchte, teilt sie dem Kontroller mit, welcher Zylinder abgefragt werden soll. Die Leseköpfe positionieren sich korrekt, lesen die Daten und senden diese an den Zwischenspeicher. Moderne Festplatten verwenden GMR (giant magnetoresistive). Früher wurde MR (magnetoresistive). eingesetzt, bei welchen ein Bestandteil ein wenig Nickel-Eisen verwendete. Im Gegensatz dazu verwendet GMR eine konduktive aber nicht-magnetische Schicht aus Draht, die zwischen dem kleinem Nickel-Eisen-Stück liegen. GMR sind daher deutlich empfindlicher und können dichtere Datenmengen lesen. Der magnetoresistive Teil beider Komponenten funktioniert, indem diese ständig auf Unterschiede im magnetischen Feld Ausschau halten. Wenn der Kopf über ein Feld mit Daten auf der Festplatte fährt, bemerkt er die Änderung und gibt diese weiter. Die Festplatte interpretiert die gespeicherten Daten aufrgrund des Musters der Änderungen.

Output

Der Lesekanal dekodiert die Änderungen die auf der Festplatte gefunden werden und leitet diese weiter an den Zwischenspeicher. Der DSP (Digital Signal Processor) konvertiert diese Daten in die Ursprungsdaten. Moderne Lesekanäle verwenden EPRML (Extended Partial Response Maximum Likelihood) oder MEEPRML (Modified Enhanced EPRML). EPRML zeichnet die analog aufgezeichneten Daten digital auf und sagt Ausschläge innerhalb der Struktur vorraus. Die meisten Fehlerkontrollen wie CRC (cyclic redundancy check) werden nun durchgeführt. Zu guter letzt werden die Daten über das Flachbandkabel an den Computer gesendet.

Die durchschnittliche Suchgeschwindigkeit wird aus jener Zeit berechnet, wie lange der Trägerarm benötigt, seine Lese- und Schreibköpfe über einer zufällig gewählten Spur zu positionieren. Dies wird "average seek time" gennant. Wird dieser Wert mit der "rotational latency" addiert, erhält man die durchschnittliche Zugriffsgeschwindigkeit ("access time") die wohl am meisten über die Geschwindigkeit der Festplatte aussagt. Doch es gibt auch weitere Faktoren: Die Geschwindigkeit des Interface (des Flachbandkabels womit die Festplatte am Kontroller angebunden ist und der Controller), beträgt in modernen Systemen 100MBps (nennt sich Ultra ATA/100).

Die durchschnittiche Zugriffsgeschwindigkeit sagt viel über die Leistung für kleinere Datenmengen wie für Textverarbeitung, Spiele und so weiter aus. Für Audio- oder Videodateien (wo kontinuierlich Daten übertragen werden) ist die Geschwindigkeit des Interface ein wesentlicher Faktor.

Wenn eine Festplatte abgeschalten wird, landen die Trägerarme und somit die Köpfe auf den Platten. Moderne Platten haben hierzu eine spezielle Landezone (ein nicht verwendeter Zylinder) oder eine seperate Landezone (IBM). Dies garantiert, dass die Platten sowie die Daten nicht beschädigt werden.

Geschichtlicher Background

Festplatten werden schon seit über 45 Jahren entwickelt und produziert. Hier ein kleiner überblick.

Im Laufe der Jahre wurden von Betriebssystemen oder BIOS-Systemen folgende Barrieren durchbrochen: 128MB, 528MB, 2GB, 8.4GB.

Aktuelle Probleme

Das Hauptproblem ist momentan, dass die Hersteller nicht mehr als 40GB pro Quadratzoll auf die Festplatten packen können. Die Köpfe müssen dabei in so kleine Blöcke schreiben und davon lesen, dass Daten "verloren gehen". Dieser Effekt wird "superparamagnetic effect" gennant. Im Mai 2001 hat IBM die Meldung veröffentlicht, dass ab 2003 100GB pro Quadratzoll möglich sein sollen.

Die Zukunft

Um es kurz zu halten: Kleiner, mehr Speicherplatz, billiger und schneller. Das definiert es wohl am besten. Wir dürfen gespannt sein.