Sekundärspeicher

Festplatten

Der Zweck einer Festplatte ist das Speichern von Computerdaten und -befehlen in der Form von Nullen und Einsen. Diese werden von zwei verschiedenen magnetischen Zuständen repräsentiert. Wie der Tonarm eines Plattenspielers bewegt sich der Schreib-/Lesekopf über die Plattenoberfläche. Die Informationen werden wie bei einem Tonband auf die Magnetfilmoberfläche der Platte aufgebracht. Ein elektrischer Strom verursacht in einer winzigen Spule am Kopfende ein magnetisches Feld , das den sich darunter vorüberdrehenden Magnetfilm, der nur wenige millionstel Millimeter stark ist, an einem bestimmten Punkt magnetisch polarisiert. Beim Lesevorgang ruft die polarisierte Plattenoberfläche einen elektrischen Fluß in der Spule hervor. Bei moderneren Platten wird nicht mehr durch magnetische Induktion gelesen, sondern mittels eines MR-Kopfes, dessen elektrischer Widerstand sich im Magnetfeld ändert. Hiermit lassen sich wesentlich höhere Speicherdichten realisieren.

Eine Festplatte (Magnetspeicherplatte) besteht aus meist mehreren Scheiben, die auf einer Achse zu einem Plattenstapel zusammengefaßt sind. Sie ist ein Massenspeicher, dessen Daten in Blöcken (blocks), Spuren (tracks) und Zylindern (cylinder) organisiert sind. Eine solche Organisation nennt man (Low-Level-) Formatierung. Blöcke sind auf Spuren angeordnet. Übereinanderliegende Spuren bilden einen Zylinder. Ein Zylinder beschreibt also die Gruppe aller an einer Kopfposition liegenden Spuren über alle Plattenoberlächen hinweg.

Ein Block bildet einen zusammenhängenden Bereich auf einer Festplatte, er ist die Einheit, mit der Ein-/Ausgabeoperationen durchgeführt werden. Er wird über eine feste Adresse angesprochen. Bis auf einige spezielle Festplatten im Workstation- und Mainframebereich beträgt die typische Blockgröße 512 Bytes. Je nach Dateisystem werden Blöcke zu Seiten (UNIX) oder Clustern (DOS) zusammengefaßt. Diese sind je nach Größe des Massenspeichers/Art des Dateisystems zwischen 2 kByte und 64kByte groß. Ein Cluster ist die minimale Quantisierungseinheit für Daten (FAT).

Je nach Bauart/Größe befinden sich jeweils auf der Unter- und der Oberseite der Platten ein Schreib/Lesekopf. Hieraus ergeben sich auch die oftmals ungeraden Größen der Festplatten, z.B. 2.1 GB, 3,2 GB oder 4,2 GB. Es handelt sich hier um Festplatten mit ein bis zwei Scheiben, bei 3,2 GB sind es beispielsweise 2 Scheiben, und 3 Köpfe. Jede Scheibe teilt sich auf in Spuren und Sektoren. In der vereinfachten Grafik würde bei einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit die Datenübertragungsrate überall konstant bleiben. Um aber auf immer kleineren Laufwerken immer mehr Daten unterzubringen, sind die Hersteller dazu übergegangen, mit einer Technologie, die sich Zone-Bit-Recording nennt (oder auch MZR, Multiple Zone Recording) und ca. 25% Platzgewinn bringt, zu arbeiten. Dieses Verfahren erlaubt es, in den äußeren Spuren mehr Sektoren unterzubringen als in den inneren. So bleibt die Aufzeichnungsdichte über die ganze Oberfläche annähernd gleich. Die Datenrate hingegen verhält sich proportional zur Anzahl der Sektoren und nimmt zum Platteninneren hin ab.

Zeichnet man die Datenrate einer Festplatte über Ihre Zylinder hin auf, so erhält man einen treppenartigen Graphen. Da nicht alle Hersteller nach dem gleichen Prinzip (auf den äußeren Spuren die größte Anzahl der Sektoren) vorgehen, lassen sich auch vollkommen anderen Verläufe beobachten, denn nicht auf bei jeder Festplatte spiegelt sich die Numerierung der Sektoren in ihrer genauen Position auf der Plattenoberfläche wieder (siehe Grafik).

Datensicherheit

Um eine möglichst große Kapazität erzielen zu können, müssen die Schreib-/Leseköpfe möglichst dicht an die Oberflächen der Festplatten herangebracht werden. Dabei 'fliegen' sie auf einem Luftkissen, welches einen direkten Kontakt der Köpfe mit der Oberfläche verhindert. Bei modernen Platten liegt der Abstand im Mikrometerbereich. Kein Schmutzpartikel darf größer sein als die Flughöhe der Köpfe, damit diese nicht mit Staubkörnern kollidieren und dadurch beschädigt werden. Ein geringer Kopf-Plattenabstand erhöht natürlich auch die Stoßempfindlichkeit der Festplatten, denn schon ein kleiner Aufsetzer des Kopfes sorgt meist für einen totalen Datenverlust und den endgültigen Plattendefekt.

Bei5 1/4"-Festplatten und deren bauartbedingten größeren Kopfmassen dachte man über Lösungsmöglichkeiten nach und fand dabei daß nach dem Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli benannte Laufwerksprinzip (siehe Grafik), das besonders bei Wechselplatten zur Anwendung kam: Hierbei entsteht durch einen schnellen Luftstrom, der sich zwischen den sich gegenüberliegenden Köpfen und den flexiblen Platten aufbaut. Ein Headcrash bei geringer Kopf-/Plattengeschwindigkeit ist nahezu ausgeschlossen, da die Köpfe sich bei geringerer Geschwindigkeit immer weiter von der Plattenoberfläche entfernen.

Einige Eckdaten moderner Festplatten:

• Mehr als 1000 Spuren pro cm
• 3,5"-Geräte besitzen zwischen 60 (innen) und 120 (außen) Sektoren pro Spur
• Die Flughöhe eines Schreib-/Lesekopfes beträgt ca. 50 nm
• Der Spurabstand ist <7µm

Fehlerbehandlung:

Da es nicht rentabel ist, Festplatten völlig fehlerfrei herzustellen, verwaltet jeder Plattenkontroller eine Fehlerliste, in der defekte Sektoren ausgewiesen sind. Fordert nun das Betriebssystem Daten von einer defekten Position an, ordnet der Plattenkontroller einen Ersatzsektor dieser Position zu. Dieser Vorgang erfolgt völlig transparent und wird im Idealfall vom Benutzer nicht wahrgenommen. Auch beim Betrieb auftretende Fehlstellen werden vom Kontroller erkannt und in einer Fehlerliste eingetragen. Eventuell noch zu rekonstruierende Daten werden in den neuen Sektor kopiert. Hierzu müssen vom Plattenhersteller eine genügende Menge Ersatzsektoren vorgesehen werden (engl. "defect management", "sector sparing", "hot fixing").

Eine große Herausforderung stellt die exakte Positionierung des Schreib-/Lesekopfes dar. Bei nur 7 µm Spurabstand und 50 nm Flughöhe, bei ständig wechselnden Temperaturen und den damit verbunden Ausdehnungen der Plattenoberflächen, verschiedenen Vibrationen und Stößen ist das präzise Ausrichten der Köpfe eine schwierige Aufgabe, die heute mittels elektromechanischer Servos (oder voice-coil-actuators) und komplizierter Regelkreise bewältigt wird. Es existieren zwei primäre Positionierungstechniken: Dedizierte und eingebettete Servoinformation.

Bei der dedizierten Version verwendet das Laufwerk eine Plattenoberfläche ausschließlich zur Speicherung der Servoinformation, während alle anderen Schreib-/Leseköpfe in Abhängigkeit dazu bewegt werden. Da dies insbesondere bei Laufwerken mit wenigen Platten einen signifikanten Speicherplatzverlust darstellt, arbeitet man heute meist mit der zweiten Methode. Hier werden die Servoinformationen zusammen mit den Benutzerdaten abgespeichert. Der Kopf wird hier über einer Spur positioniert, wo er den Servoimpuls liest und an die Laufwerkselektronik weitergibt. Diese positioniert den Kopf dann derart, daß der Impuls maximiert wird (nur bei genauer Position über der Spur). Diese Technik erkennt man an den meist etwas geringeren Schreibraten für zufälliges Schreiben, da hier eine genaue Positionierung des Kopfes wichtig ist. Der Lesevorgang ist weniger kritisch, da bei einem Fehler bis zum nächsten Durchlauf der Daten gewartet werden kann.