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Die Festplatte

Die Festplatte, auch Hard Disk genannt, ist das wichtigste Speichermedium für Daten in einem Computer. Auf ihr wird das Betriebssystem gespeichert, das den Computer erst benutzbar macht, die Software, mit der man arbeitet und schließlich auch noch die Daten, die man mit diesen Programmen erzeugt.
MechanischesEine Festplatte besteht im Wesentlichen aus mehreren übereinander angeordneten Scheiben, die mit einer Eisenoxid-Schicht (chemisch gesehen eine Art Rost, aber praktisch doch ein bisschen anders) überzogen sind. Diese Scheiben sind an einer Spindel befestigt, die von einem Motor angetrieben wird. Ein weiterer Präzisionsmotor bewegt die Arme mit den Schreib-/Leseköpfen über die Plattenoberfläche. Zu guter Letzt kommt noch eine Ansammlung diverser Chips und Interfaces dazu. Das ganze befindet sich dann in einem luftdicht verschlossenen Gehäuse aus Metall oder Kunststoff.  Es ist hier sehr wichtig, dass die Motoren sehr zuverlässig und gleichmäßig arbeiten: Der Motor, der die Scheiben antreibt, darf auf keinen Fall ausfallen, denn die Schreib-/Leseköpfe bewegen sich sehr dicht über der Plattenoberfläche auf einem Luftkissen, dass sofort zusammenbricht, wenn die Drehgeschwindigkeit nachlässt, wodurch auch die Datenschicht zerstört werden kann (der sogenannte "Headcrash", der oft von lauten, quietschenden Geräuschen begleitet wird). Auch der Motor, der die Schreib-/Leseköpfe positioniert, muss sehr genau arbeiten, da die Datenspuren nur wenige Mikrometer auseinander liegen. Da die Festplatte ein so empfindliches Gerät ist, ist es selbstverständlich, dass sie luftdicht abgeschlossen ist, denn schon ein Staubkorn kann eine ganze Datenscheibe unbrauchbar machen.
Köpfe und ZylinderDie Daten werden dabei auf der Festplatte prinzipiell nach Köpfen, Zylindern und Sektoren geordnet angesprochen. Dabei entspricht die Nummer des Kopfes der Scheibe, auf der die Daten untergebracht sind (orange), der Zylinder entspricht dem "Datenkreis" (blau) und die Sektornummer zeigt schließlich auf einen konkreten, 512 Byte großen, Bereich auf der Festplatte (grün).
Bis vor wenigen Jahren war es üblich, auf jedem Zylinder eine gleiche Anzahl von Sektoren unterzubringen, denn diese Art der Ansteuerung war am einfachsten zu realisieren (Bild links oben). Allerdings wurde dabei viel Platz verschenkt, denn auf den äußeren Spuren einer Festplatte lassen sich eigentlich mehr Daten unterbringen als auf den inneren. Daher änderte man die Sektoradressierung vom CHS (Cylinder, Head, Sector) -Prinzip zur LBA-Technik (Large Block Access), bei der die Sektoren von außen nach innen Stück für Stück durchnummeriert werden. Somit kann man auf den äußeren Spuren mehr Sektoren unterbringen.
AnsteuerungEs gibt zwei Arten von Interfaces zur Festplattenansteuerung, die in der Computerwelt sehr verbreitet sind. Einmal das kostengünstige, aber ziemlich unflexible IDE-Protokoll (Integrated Drive Electronics, auch als ATA, AT Attachement, bekannt), auf der anderen Seite gibt es das teurere und vielseitig verwendbare SCSI-Protokoll (Small Computer Systems Interface). der für den Normalanwender offensichtlichste Unterschied zwischen beiden Techniken ist der Preis. SCSI-Festplatten sind bei gleicher Größe und Geschwindigkeit ungefähr doppelt so teuer wie IDE-Platten. Dies hat natürlich seine Gründe im Aufbau der Platten.
An ein normales E-IDE-System kann man normalerweise bis zu vier Gräte anschließen, dabei werden je zwei Geräte an einen IDE-Port angeschlossen. Die beiden Ports bezeichnet man als primären und sekundären Anschluss. Die beiden Geräte an jedem Port werden in Master und Slave aufgeteilt. Ein E-IDE-System bootet (normalerweise) von der Master-Platte am primären Port.Im Gegensatz dazu kann man an einem SCSI-Controller bis zu sieben Gräte betreiben, bei Wide-SCSI sogar bis zu 15 Geräte, die jeweils über eine eindeutige ID-Nummer angesteuert werden.
Der IDE-Bus war ursprünglich nur zum Anschluss von Festplatten gedacht, mittlerweile kann man aber auch CD-ROM-Laufwerke und Brenner, Bandlaufwerke und große Diskettenlaufwerke anschließen. SCSI war schon von Anfang an dafür ausgelegt, Geräte aller Art ansteuern zu können, so ist es nicht verwunderlich, dass man an den SCSI-Bus außer den Geräten, die man bei IDE findet, auch noch Dinge wie Scanner anschließen kann.
Da an den IDE-Bus nur je zwei Geräte angeschlossen werden können, sind keine besonderen Maßnahmen zur Abschirmung getroffen worden (das hat sich aber bei Ultra-ATA2 geändert). Im Gegensatz dazu sind SCSI-Kabel robuster, was elektrische Störstrahlung angeht, des weiteren sorgen Terminatoren (nein, nicht Arnold) für Sicherheit. An jedem Ende des Busses muss ein Terminator befestigt werden, der eventuelle Signalreflexionen an den Kabelenden verhindert. (Beispiel: Nur interne Geräte -> Terminator am Hostadapter (meist automatisch) und am hintersten Gerät am Kabel; oder: interne und externe Geräte -> Terminator am äußersten externen und äußersten internen Gerät, keine Terminierung am Hostadapter.)
Während bei SCSI-Platten die Ansteuerungselektronik zu großen Teilen auf einem (teilweise recht teuren) Host-Adapter untergebracht ist, befindet sich diese bei IDE-Platten im Festplattengehäuse.
Lange Zeit galt, dass SCSI-Platten besonders schnell sind, dies ist aber schon seit einiger Zeit nicht mehr so, denn auch die IDE-Front hat sich rasant entwickelt, so dass sich beide Systeme in puncto realer Plattengeschwindigkeit nichts mehr nehmen (siehe auch Produkt-Tabelle).

SpeedIm Laufe der Zeit haben sich sowohl bei SCSI als auch bei IDE verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten verbreitet. Hier eine kurze Übersicht (es handelt sich nur um theoretisch erreichbare Geschwindigkeiten):
IDE
Protokoll
Geschwindigkeit
PIO Mode 1
3,33 MB/sec
PIO Mode 2
>6,7 MB/sec
PIO Mode 3
12 MB/sec
PIO Mode 4
16,6 MB/sec
Ultra-DMA
33,3 MB/sec
Ultra-DMA 2
66,6 MB/sec
SCSI    Mehr zu SCSI
Protokoll
Geschwindigkeit
SCSI-1
5 MB/sec
SCSI-2
10 MB/sec
Ultra SCSI
20 MB/sec
Wide SCSI
20 MB/sec
Ultra-Wide SCSI
40 MB/sec
Ultra2-Wide SCSI

80 MB/sec
Wie man leicht erkennt, hat sich die Übertragungsgeschwindigkeit bei Festplatten in den letzten Jahren rasant gesteigert. Das führte aber teilweise zu Problemen, denn die Geschwindigkeitssteigerungen wurden durch eine Erhöhung der Taktfrequenz auf dem IDE bzw. SCSI-Bus erreicht. Dadurch wurde die Gefahr durch elektrische Störungen größer. Deshalb ist die maximale Kabellänge immer kleiner Geworden, z. B. waren IDE-Kabel vor 5 Jahren noch fast einen Meter lang, heute soll man moderne Festplatten nur an Kabel anschließen, die maximal 45 cm lang sind. Bei SCSI wurde die Geschwindigkeit zwar auch durch Takterhöhungen realisiert, allerdings kam dazu eine Verdopplung der Busbreite von 8 auf 16 Bit (Wide-SCSI). Im gleichen Zuge wurde dabei auch die Abschirmung der Kabel verbessert. Mit der neuesten Technik (Ultra2-Wide) wurde die Signalqualität nochmals verbessert, so dass trotz erneuter Taktverdopplung auch die maximal zulässige Kabellänge vergrößert werden konnte.
Die eben erwähnten Übertragungsprotokolle haben bei genauerer Betrachtung eigentlich recht wenig mit der eigentlichen Übertragungsrate eine Festplatte zu tun, sie zeigen nur, wie viele Daten theoretisch über die Schnittstelle transportiert werden könnten. Die reale Datenübertragungsrate hängt viel mehr davon ab, wie schnell die Scheiben mit den Daten rotieren und wie dicht die Daten auf ihnen gepackt sind. Je dichter die Daten gepackt sind und je höher die Umdrehungszahl ist, desto schneller können die Daten übertragen werden. Bei Festplatten für durchschnittliche Rechner sind 5400 U/min üblich, bei stärker belasteten Computern werden aber auch Festplatten mit 7200 oder sogar 10 000 U/min eingesetzt. Man muss dabei aber beachten, dass hohe Umdrehungszahlen auch zu einer starken Lärmbelästigung führen.Neben der reinen Datenübertragungsrate ist die durchschnittliche Zugriffszeit ein weiteres Kriterium für die Geschwindigkeit einer Festplatte. Die Zugriffszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um die angeforderten Daten zu lesen. Sie setzt sich zusammen aus der Zeit, die die Platte braucht, bis die richtige Stelle beim Lesekopf angekommen ist (also im Durchschnitt eine halbe Plattenumdrehung), was wiederum von der Umdrehungsgeschwindigkeit abhängt, und der Zeit, die der Lesekopf benötigt, um zur richtigen Spur auf der Platte zu gelangen.

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