Computerhardware: HDD: Fachbegriffe
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Mechanik
BearbeitenEine oder mehrere übereinanderliegende Scheiben mit magnetisierbarer Oberfläche sind die Informationsträger. Sie werden als Platter bezeichnet.
Zu jeder Scheibe gehören zwei Magnetköpfe, je einer auf der Ober- und Unterseite. Die Magnetköpfe werden nummeriert, beginnend mit Null. Die Festplatte wird physikalisch in Spuren, Zylinder und Sektoren unterteilt. Bei den MFM-Festplatten (bis etwa 1992 produziert) musste das noch der Händler tun, der Vorgang heißt Low-Level-Formatierung. Bei der Gelegenheit musste auch die vom Hersteller mitgelieferte Liste der defekten Sektoren eingetippt werden, um diese für das Betriebssystem zu sperren.
Bei den IDE-Festplatten übernimmt der Hersteller die Low-Level-Formatierung und das Sperren der defekten Sektoren. Die in der Firmware der Festplatte eingebaute Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.) - Technologie überwacht die Festplatte und ersetzt weitere im laufenden Betrieb kaputt gehende Sektoren aus dem Vorrat an Reservesektoren.
Die Spuren sind von außen beginnend nummerierte, konzentrische Kreise. Die Nummerierung beginnt mit Spur Null.
Diese Spuren sind in Sektoren unterteilt. Die Nummerierung der Sektoren beginnt mit Eins. Jeder Sektor enthält 512 Byte Daten. Welche Zusatzinformationen werden zusammen mit jedem Sektor gespeichert?
Beim klassischen ST506 Controller:
SYNC 13 Byte 00 zur Synchronisierung des Controllers
ID 2 Byte A1FE Erkennungs-ID eines Sektors
ZK 2 Byte Zylinder- und Kopfnummer
S 1 Byte Sektornummer
CRCID 2 Byte CRC-Wert, zeigt Fehler im ID-Bereich an
GAP 16 Byte 00 Lücke zur Vorbereitung des Lesens oder Schreibens
AM 2 Byte A1F8 Adressmarkierung am Beginn des Datenbereichs
DATEN 512 Byte
ECC 2 Byte Prüfcode für Datenbereich
GAP 18 Byte 4E Lücke, damit Zeit zum Prüfen des ECC Codes reicht
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gesamt 570 Byte
Betrachtet man eine Spur von oben, gilt sie mit allen auf den Plattern exakt darunterliegenden als Zylinder.
Cluster umfassen einen oder mehrere Sektoren. Ein Cluster enthält demnach 512 Byte oder ein Vielfaches dessen. Dieses Zusammenfassen kann also die Adressen reduzieren, die ein Betriebssystem auf der Suche nach einer Datei durchforsten muss. Je größer die Cluster, desto geringer der Verwaltungsaufwand des Dateisystems. Allerdings verursachen größer Cluster eine gewisse Verschwendung, weil ein Cluster höchstens eine Datei enthalten kann. Ist die Datei 1 KB groß, das Cluster aber 32 KB, ist der Rest von 31 kB Verschnitt. Blocks ist die Apple-eigene Bezeichnung für Cluster.
Aus der Sicht des PC-BIOS hat übrigens jede Spur die gleiche Anzahl von Sektoren, meist 63. In der Realität passen auf eine äußere Spur natürlich mehr Sektoren als auf eine innere, ganz ähnlich wie Erdbeeren auf eine Torte.
Seit 1997 aber ist der tatsächliche Aufbau einer Festplatte dem PC-BIOS und jedem Betriebssystem sowieso verborgen. Weil die in den achtziger Jahren vorgesehenen Maximalwerte für Zylinder, Sektoren, usw. weit überschritten wurden, musste ein neuer Standard geschaffen werden. Dieser nummeriert von Null an einfach Sektor für Sektor und wurde daher LBA genannt - Logische Blockaddressierung. Die Organisation einer Festplatte wie eben beschrieben, ist dabei gleichgeblieben.
BIOS und Firmware
BearbeitenBIOS wird die Firmware von Mainboard und Steckkarten genannt. Ersteres bietet ein Menü, in dem z. B. die Festplattenanschlüsse an- und abgeschaltet und deren Transferstandards eingestellt werden.
Die Firmware ist die Software, die das Gerät steuert. Sie ist im Laufwerk selbst gespeichert. Das Betriebssystem seinerseits benötigt ebenfalls Software, um das Gerät anzusteuern - den Treiber. Beide werden meist nur zur Fehlerbehebung vom Anwender ausgetauscht. Kann ein Austausch der Firmware nicht beendet werden - durch Stromausfall oder Absturz - ist das Gerät meist unbrauchbar, denn alte und neue sind unvollständig. Ein Betriebssystem dagegen lässt sich immer neu installieren.
Partitionierung und Formatierung
BearbeitenUm die Festplatte verwenden zu können, muß sie partitioniert werden. Unter DOS und Windows 9x wird dazu das Programm FDISK verwendet, ab Windows 2000 gibt es den Festplattenmanager DISKMGMT.MSC. In Apple-Computern wird eine Partition Volume genannt.
Anschließend wird jede Partition formatiert. Es entsteht ein betriebssystemspezifisches Dateisystem (Datenträger oder Volume).
Damit sich die Betriebssysteme nicht mit für sie unbekannten Dateisystemen herumschlagen müssen, bekommt jede Partition eine Identifikationsnummer (Partition-ID). Anhand dieser ID entscheidet das Betriebssystem, ob es den Datenträger für sich nutzen kann.
ID Dateisystem Verwendung 01 FAT12 DOS 04 FAT16 (<32 MByte) DOS 05 Erweiterte Partition Microsoft < 8 GB 06 FAT16 (>32 MByte) BIGDOS 07 HPFS OS/2 0A OS/2 Boot Manager PQMAGIC Version 3 0B FAT32 Win95 OSR-2 und Win98 0C FAT32 (LBA) Win95 OSR-2 und Win98 0E FAT16 (LBA) Win95 / Win98 0F Erweiterte Partition Microsoft > 16 GB 16 OS/2 versteckte FAT16 >32 MB 65 Novell NetWare 3 Novell NetWare 3 82 Linux Swap Linux 83 Linux Linux 85 Linux Extended Linux
Eine fast vollständige Tabelle findet sich hier.
Eine Tabelle am Anfang jeder Festplatte nimmt die Partitionierungsdaten auf. In dieser Partitionstabelle ist nur für vier Einträge Platz, daher kann eine Festplatte nicht mehr als vier Partitionen enthalten.
Dieses Limit wird umgangen, wenn eine der Partitionen als "erweitert" deklariert wird. Deren Unterpartitionen heißen "logische Partitionen".
Primäre Partition
Als erste Partition der Festplatte wird die so genannte primäre Partition eingerichtet. Sie erhält den Laufwerksbuchstaben „C:“ zugewiesen.
Alle Betriebssysteme von Microsoft benötigen zwingend eine primäre Partition.
Andere Betriebssysteme lassen sich auch in andere Partitionen installieren, z. B. Linux.
Eine der primären Partitionen muss als aktive Partition gekennzeichnet sein. Falls mehrere primäre Partitionen existieren, wählt das BIOS beim Rechnerstart immer diejenige Partition zum Booten aus, die als aktiv markiert ist.
Erweiterte Partition und logische Laufwerke
Leider haben die IBM-Ingenieure die Anzahl der Partitionen auf vier begrenzt. Für heutige Anforderungen und Festplattengrößen ist das zu wenig. Darum hat man eine Konstruktion namens „Erweiterte Partition“ mit „Logischen Laufwerken“ erfunden, um diese Beschränkung zu umgehen.
Eine erweiterte Partition belegt nur einen von vier Einträgen in der Partitionstabelle. Aber sie dient als "Behältnis" für ein oder mehrere logische Laufwerke.
Von diesen logischen Laufwerken kann man innerhalb der erweiterten Partition so viele einrichten, wie es sinnvoll ist – aber maximal 23, weil das Alphabet nur 26 Buchstaben hat, und A: B: und C: sind schon vergeben.
Datentransfer
BearbeitenDer Transfer der Daten von der Festplatte zu weiteren Komponenten des Computers ist in zahlreichen Standards festgelegt. Eine Übersicht findet sich im Kapitel "Vor dem Kauf - Grenzen der Geschwindigkeit".
Die Serial ATA - Standards. 2000 wurde Serial-ATA erstmals standardisiert. Festgeschrieben wurden das neue Protokoll sowie Strom- und Datenanschlüsse, welche 150 MB/s transferieren konnten. 2004 folgte dann eine Erweiterung. Sie verbesserte die häufig losen Kabel, und brachte ansonsten nur Optionen. So kann jeder Festplattenhersteller entscheiden, welche Neuerungen er einbaut. Der Baukasten umfaßt 300MB/s Transferrate in Verbindung mit SSC, außerdem Command Queuing, sowie eSATA für externe Laufwerke und mehr. Es gibt jedoch keinen SATA-II-Standard. Nur die Standardisierungsorganisation hieß 2004 so. "SATA-II" würde, wie man nun weiß, auch wenig Aussagekraft haben - bestehen doch keine Verpflichtungen. Meist führt ein Hersteller daher alle eingebauten Optionen deutlich auf. Die Geschwindigkeitsstandards heißen übrigens SATA/150 (oder SATA 1.5Gb/s) und SATA/300 (SATA 3.0Gb/s).
Der Verzicht auf Standardnamen mag verwirren - so nähert sich Serial ATA aber nicht nur elektro-, sondern auch marketingtechnisch SCSI. Dort wurden schon vor vielen Jahren häufig Optionen festgelegt, statt zwingender Richtlinien.
Spread Spectrum Clocking / SSC findet sich bei SATA/300 - Laufwerken und soll durch Nutzung vieler Frequenzen und dafür weniger Energie die elektromagnetische Verträglichkeit steigern. Es ist jedoch erst bei Computern mit vielen Festplatten von Bedeutung. Zudem kommen einige Controller damit nicht zurecht und Erkennen das Laufwerk nicht - siehe Serial-ATA-Probleme.
Mit Command Queuing können Festplatten die eingehenden Kommandos so sortieren, dass sie in maximaler Geschwindigkeit abgearbeitet werden können. In der Praxis gewinnt dies aber z.B. erst bei vielen gleichzeitigen Programmstarts an Gewicht und ist daher eher für Server und ähnlich ausgelastete Systeme relevant. Vermutlich deshalb unterstützen Parallel-ATA-Laufwerke dies auch nicht, obwohl es der Standard seit 1997 erlaubt. Zudem müssen es Festplatte, Controller und Treiber unterstützen. Das tun manche Serial-ATA-Komponenten nicht ohne Probleme.
Staggered Spin Up bedeutet, dass sich nur die Elektronik der Laufwerke anschaltet, die Motoren bleiben aus. Diese werden durch ein Signal des Controllers nacheinander gestartet, um das Netzteil zu schonen. Da das nur bei mehreren Festplatten Sinn macht und zudem dauert, ist es auch abstellbar. Das aber klappt bei Serial ATA nicht immer ohne Probleme.
Der Controller schließlich ist ein Chip, der meist bis zu vier Festplatten steuert. Jedes Mainboard hat zumindest einen, weitere können per PCI-Karte eingebaut werden. So kann ein PC auch neuere Transferstandards und Anschlüsse unterstützen.