Computerhardware: FDD

Geschichte: Vom Magnetdraht bis zur Floppy Disk

Im Jahr 1899 wurde die Tonaufzeichnung auf Stahldraht patentiert. Um eine Stunde Ton aufzuzeichnen, wurden zwei Kilometer eines sehr dünnen Drahtes benötigt. 1935 stellte die AEG das erste Tonbandgerät her. Das Tonband bestand aus Kunststoff, mit Eisenpulver beschichtet. Der nächste Entwicklungsschritt war der Magnettrommelspeicher: Die Daten wurden auf der magnetischen Oberfläche einer schnelldrehenden Trommel gespeichert. Der Z22-Computer von Zuse (1957) benutzte einen Trommelspeicher mit 38 kByte Kapazität und einer Zugriffszeit von wenigen Sekunden.

In den 1950er Jahren wurden die ersten Bandgeräte für die Speicherung von Computerdaten hergestellt. Wegen des exzellenten Verhältnisses zwischen Datenkapazität und Herstellungskosten werden in Rechenzentren noch immer Magnetbänder verwendet, vor allem für die Datensicherung und -archivierung. Ihr größter Nachteil: Die Aufzeichnung erfolgt sequentiell, das bedeutet: Benötigt man die Informationen in einer anderen Reihenfolge, als sie aufgezeichnet wurden, muss man minutenlange Wartezeiten in Kauf nehmen, während das Band vor- oder zurückspult.

1969 brachte IBM die erste Diskette für ihre Großrechner „System/370“ auf den Markt. Die ersten Disketten wurden auf Schallplattenpressen gefertigt und hatten deshalb den gleichen Durchmesser wie die damaligen Schallplatten: 8 Zoll (etwa 25 cm). Ihr gewaltiger Vorteil: der „wahlfreie Zugriff“, englisch „random access“. In ein bis zwei Sekunden konnte jede Information aufgefunden werden.

Floppy-Laufwerk 8" aus dem Jahr 1973 neben einem 3,5" Laufwerk

Der erste IBM-PC im Jahr 1981 sollte ein Diskettenlaufwerk bekommen, doch das 8"-Laufwerk mit Maßen von 40 × 30 × 15 cm war viel zu groß – halb so groß wie der ganze PC, siehe Abbildung. Deshalb entwickelte IBM kleinere 5,25" Disketten und ein Laufwerk dazu. Seit 1981 gibt es noch kleinere Disketten im 3,5" Format. Das Diskettenlaufwerk (Floppy Disk Drive) wird mit FDD abgekürzt.

Das Prinzip der magnetischen Speicherung und dessen Mängel

Ob der Datenträger ein Draht, ein Band, eine Diskette, die Festplatte oder der Magnetstreifen einer Kreditkarte ist: Sie alle benutzen die Methode der ­elektromagnetischen Speicherung. Das Grundprinzip funktioniert so: Wenn Strom durch einen elektrischen Leiter (eine Spule im „Schreibkopf“) fließt, erzeugt er ein Magnetfeld. Das Magnetfeld kann je nach Stromrichtung verschiedene Wirkungsrichtungen haben und beeinflusst alle magnetischen Materialien in Reichweite. Ändert man die Stromrichtung am Schreibkopf, so ändert sich die Magnetisierung der darunter vorbeigleitenden Oberfläche dauerhaft. Während der Datenträger am Schreibkopf vorbeizieht, entsteht ein Bitmuster aus unterschiedlich magnetisierten Bereichen. Die Magnetisierung bleibt erhalten, auch wenn man den Schreibstrom abschaltet bzw. wenn die Diskette weiterdreht.

Beim Lesen eines Datenträgers wird ein weiteres Phänomen genutzt: die Induktion. Wenn ein Leiter in ein veränderliches Magnetfeld gerät, entsteht ein Stromfluss in diesem Leiter. Wenn sich der Datenträger am Lesekopf vorbeidreht, erzeugt jeder Wechsel der Magnetisierung einen Spannungsimpuls, der verstärkt und ausgewertet wird.

Die magnetische Speicherung hat zwei grundsätzliche Probleme: Der Magnetismus lässt im Laufe der Jahre nach. Zweitens sind die Datenträger anfällig gegenüber externen Magnetfeldern. Selbst schwache Felder können langfristig zu Veränderungen der magnetischen Ausrichtung auf dem Medium führen und somit die Daten beschädigen. Sogar das extrem schwache Erdmagnetfeld kann im Laufe der Jahre die magnetische Ausrichtung auf einem Datenträger verändern.

Beispielsweise reicht bei aufgewickelten Magnetbändern das Magnetfeld einer Schicht bis in die darüber- und daruntergewickelte Schicht. Deshalb müssen bespielte Datenbänder alle ein bis zwei Jahre umgewickelt werden, damit sich die aufgezeichnete Information nicht allmählich selbst zerstört. Disketten sind zwar etwas dicker als Magnetbänder, aber auch bei ihnen beeinflussen sich die obere und untere Magnetschicht gegenseitig.

Aufbau des Diskettenlaufwerks

Wenn man eine 3,5" Diskette in das Laufwerk einschiebt, wird über einen Mechanismus aus Hebeln und Federn die Schutzklappe der Diskette beiseite geschoben und anschließend werden die Köpfe auf die Magnetscheibe abgesenkt.

Bei einer Lese- oder Schreibanforderung werden zwei Motoren aktiv. Der erste Motor, der „Spindelmotor“, befindet sich an der Unterseite des Laufwerks und dreht die Magnetscheibe mit 300 U/min. Der zweite Motor ist ein Schrittmotor. Er bewegt die Magnetköpfe (je einer über und unter der Diskette) auf die benötigte Spur.

Die beiden Magnetköpfe schleifen ständig auf der Oberfläche der Diskette. Der Motor läuft nur bei Bedarf an. Eine Zeitschaltung im BIOS sorgt dafür, dass bei Nichtbenutzung des Laufwerks der Spindelmotor nach einigen Sekunden abgeschaltet wird.

Disketten

Plastehülle und Inneres einer 3,5"-Diskette

Die ersten Disketten waren 8 Zoll groß, spätere Disketten maßen 5,25 Zoll. Das englische Wort „floppy“ bedeutet schlapp bzw. biegsam. Tatsächlich waren beide Sorten Disketten biegsam und empfindlich. Diese alten „Floppy Disk“ sind inzwischen ausgestorben. Sofern heute noch Disketten verwendet werden, sind sie 3,5" Zoll groß (etwa 10 cm). Sie werden beidseitig beschrieben und haben eine Kapazität von 1,44" MByte. In einer steifen Hülle, die nicht mehr „floppy“ ist, steckt eine flexible Plastescheibe, die beiderseits mit einem magnetischen Material beschichtet ist (z. B. Eisenoxid, daher die Rostfarbe). Die Hülle der Diskette ist mit einem weichen Vlies ausgekleidet. In der Hülle ist beidseitig ein Schlitz für die Magnetköpfe. Der Schlitz wird durch einen flexiblen Schieber verdeckt.

Der 1,44-MB-Standard ist wegen der geringen Speicherkapazität nicht mehr zeitgemäß. Die Datenübertragung läuft mit heute indiskutabel langsamen ≈60 kB/s. Disketten sind defektanfällig. Für den Datentransport und eine mittel- und langfristige Datensicherung sind optische Speicher, USB-Memory-Sticks und externe Festplatten besser geeignet.

Neue Hauptplatinen haben keinen Anschluss für ein Floppylaufwerk. Wer noch Disketten mit wichtigen Daten hat, kann sich ein Diskettenlaufwerk mit USB-Anschluss für etwa 25 Euro kaufen. Es kann im Wechsel an mehrere PCs angesteckt werden, auch an ein Notebook.

Vergleich Diskettenlaufwerk und Festplatte

• Um Daten schneller zu lesen, wurde die Drehzahl der Festplatte erhöht: typisch 5400 bis 7200 Umdrehungen pro Minute statt 300 bei Disketten.
• Die Scheiben der Festplatte sind starr. Die Köpfe schweben in einem minimalen Abstand über der Magnetscheibe, denn bei einer Berührung würden sie durch Reibungshitze zerstört werden.
• Die Drehung der Festplatte wird zwischen den Zugriffen beibehalten.

Alternativen zu Disketten

Es gab zahlreiche Versuche, preiswerte Massenspeicher mit höherer Kapazität zu schaffen.

• Es gab Diskettenlaufwerke mit 2,88 MB, die äußerst selten verwendet werden und heute nicht mehr lieferbar sind.
• ZIP-Laufwerke mit Disketten von 100, 250 oder 750 MB Kapazität waren in den 90er Jahren beliebt. Mit dem Aufkommen von bezahlbaren CD-Brennern und mehrfach beschreibbaren CDs verschwanden die ZIP-Laufwerke aus den Läden.
• LS120-Laufwerke mit 120 MB Kapazität (LS = Laser Servo) arbeiteten mit magnetischer Aufzeichnung, aber die Positionierung des Kopfes erfolgt mit Laser-Unterstützung. Die LS120-Laufwerke konnten auch mit den klassischen 1,44 MB-Disketten arbeiten! Es gab sie nur intern mit IDE-Interface. Sie haben nur geringe Verbreitung erreicht und werden nicht mehr verkauft.
• CD-Brenner und nachfolgende Technologien haben eine hohe Kapazität und recht gute Haltbarkeit der Medien. Brenner und Rohlinge sind günstig und viele Desktop-Computer haben DVD-Laufwerke. DVD-Brenner können auch portabel über USB angeschlossen werden. Für schnelle Datensicherung zwischendurch mittels DVD-RAM sehr gut geeignet, da Wechsellaufwerk-ähnliches Verhalten (einfach und sehr sicher). Allerdings kommt nicht jedes Laufwerk mit DVD-RAM zurecht, außerdem sind schnelle 5x-Medien kaum erhältlich. Es gibt zwei weitere Probleme: Der Zeitaufwand für das Schreiben (und das spätere Löschen der Scheibe) bei einer kleinen Datenmenge relativ hoch. Und die Kapazität ist für heutige Datenmengen oft zu klein.
• USB-Memory-Sticks. Für den schnellen Datenaustausch zwischen Rechnern sind sie oft die erste Wahl. Jedes Windows erkennt Memory-Sticks und installiert automatisch die benötigten Treiber. Sie wollen jemandem eine Datei samt Datenträger überlassen? USB-Memory-Sticks mit 8 GB Kapazität kosten etwa fünf Euro, während ein CD-Rohling weniger als ein Euro kostet, aber das Brennen ist aufwändiger.