Logischer Aufbau und Speichern der Daten

Auf den Magnetscheiben befinden sich konzentrisch angeordnete Spuren. Jeder Einzelne dieser Kreise ist in Blöcke unterteilt, dass sind die so genannten Sektoren. Diese sind üblicherweise 512 Byte groß und werden immer komplett gelesen und beschrieben, auch wenn Sie nur Teilweise Daten enthalten. Um die Adressierung zu vereinfachen, werden Sektoren zu so genannten Clustern zusammengefügt. Die gleiche Spur auf übereinander liegenden Scheiben bildet einen Zylinder.
Die gespeicherten Daten werden prinzipiell nach Köpfen, Zylindern und Sektoren geordnet angesprochen. Dabei entspricht die Kopfnummer der Scheibe, auf der die Daten untergebracht sind. Die Sektornummer zeigt schließlich auf einen konkreten, 512 Byte großen, Bereich auf der Festplatte.

Die magnetische Schicht der Scheiben ist der eigentliche Träger der Informationen. Sie wird auf zylindrischen Spuren magnetisch aufgeprägt, während die Scheibe rotiert. Eine Scheibe enthält typischerweise einige tausend solcher Spuren, meist auch auf beiden Seiten. Die Gesamtheit aller identischen Spuren der einzelnen Platten(oberflächen) nennt man Zylinder. Jede Spur ist in kleine logische Einheiten unterteilt, die man Blöcke nennt. Ein typischer Block enthält 512 Byte an Information. Jeder Block verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde. Die Gesamtheit aller Blöcke die die gleichen Winkelkoordinaten auf den Platten haben nennt man Sektor. Leider wird der Begriff Sektor häufig fälschlicherweise auch synonym für Block verwendet.

Bei modernen Festplatten ist es normalerweise so, dass die wahre Geometrie, also die Anzahl von Sektoren, Köpfen und Zylindern, die vom im Festplattengehäuse integrierten Controller (im Folgenden „Festplatten-Intelligenz“ genannt) verwaltet werden, nach außen nicht mehr sichtbar ist. Der Computer, der die Festplatte benutzt, arbeitet dann mit einer virtuellen Festplatte, die völlig andere Geometriedaten aufweist. Dies erklärt, warum z.B. eine Festplatte, die real nur vier Köpfe aufweist, vom Computer mit 255 Köpfen gesehen wird. Ein Grund für solch ein virtuelles Konzept ist, dass man Begrenzungen von PC-kompatibler Hardware überwinden wollte. Weiterhin kann die Festplatten-Intelligenz durch dieses virtuelle Konzept defekte Blöcke ausblenden, um dann einen Block aus einer Reserve-Spur einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Blöcke defektfrei und nutzbar. Es wird vermutet, dass besagte Reserve-Spuren ca. 10-20% des auf der Festplatte angegebenen Speicherplatzes ausmachen. Dieser Speicherplatz lässt sich durch spezielle Firmware-Versionen nutzen, was dann aber logischerweise die Lebensdauer der Festplatte (bzw. die Datensicherheit) reduzieren kann. Heute übliche Festplatten teilen weiterhin die Platten in Zonen auf, wobei eine Zone mehrere Spuren enthält. Jede Zone hat die gleiche Anzahl Sektoren, unterschiedliche Zonen haben hingegen unterschiedliche Anzahl Sektoren.

Aus Sicht des Betriebssystems können Festplatten durch Partitionen in mehrere Bereiche unterteilt werden. Man kann sich diese als logische Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem (und damit evtl. dem Benutzer) gegenüber als getrennte Geräte dargestellt werden. Es ist dabei im Verhalten (von zeitlichen Effekten abgesehen) nicht erkennbar, ob es sich tatsächlich jeweils um eine physikalisch getrennte Festplatte handelt oder lediglich um ein logisches Laufwerk auf einer gemeinsamen Festplatte.

Jede Partition wird vom Betriebssystem gewöhnlich mit einem Dateisystem formatiert. Unter Umständen werden, je nach benutztem Dateisystem, mehrere Blöcke zu Clustern zusammengefasst, die dann die kleinste logische Einheit für Daten sind, die auf die Platte geschrieben werden. Das Dateisystem sorgt dafür, dass Daten in Form von Dateien auf die Platte abgelegt werden können. Ein Inhaltsverzeichnis im Dateisystem sorgt dafür, dass Dateien wiedergefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden können. Bei MS-DOS und Windows 9x war die File Allocation Table das übliche Dateisystem.

Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster Flächen einer Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität den Wert 0 oder 1 annehmen. Der Schreib-/Lesekopf, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, polarisiert die einzelnen Sektoren unterschiedlich und speichert so die Daten permanent.

Vor dem Schreiben der Daten werden diese in speziellen Verfahren wie den früher üblichen Verfahren GCR, MFM, RLL und heute üblicherweise mit PRML oder EPRML kodiert. Ein logisches Bit steht daher nicht mehr physikalisch als magnetisierte oder nicht magnetisierte Einheit auf der Plattenoberfläche. Durch die Schreibverfahren wird auch eine Kompression erreicht, so dass die Datendichte steigt.

Das Auslesen der Daten wurde (bis ca. 1994) durch Induktion des Magnetfelds der polarisierten Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes erreicht.

Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der Block unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen heutzutage bei ca. 5 - 10 ms, was nach Maßstäben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich mit RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muß. Um eine hohe Performanz zu erreichen, muß eine Festplatte soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in aufeinanderfolgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib/Lesekopf nicht neu positioniert werden muß. Dies erreicht man, indem man möglichst viele Operationen im RAM durchführt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abstimmt.

Vor allem bei SCSI-Platten und auch bei neueren S-ATA Festplatten werden sogenannte Queues (Warteschlangen) eingesetzt. Diese Reihen die Anfragen an den Datenträger in eine Liste und sortieren sie entsprechend der physikalischen Position auf der Scheibe um so möglichst viele Daten mit möglichst wenigen Umdrehungen zu lesen. Der festplatteneigene Cache spielt hierbei eine große Rolle, da die Queues in diesem abgelegt werden. (Siehe: Tagged Command Queuing, Native Command Queuing)

Über die Jahre wurden die Flächen, die einzelne Bits speichern, immer kleiner - bei gleich großer Fläche wurde die Datendichte erhöht. Das wurde durch kleinere Leseköpfe ("Giant-magneto-resistance"-Köpfe) und besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

Eine neuere Entwicklung ist das Perpendicular Recording, das zur Zeit u.a. von Toshiba und Hitachi entwickelt wird, um die Datendichte weiter zu steigern.

 

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