Art der Arbeit: Referat
Die Festplatte
Seit der Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung war das dauerhafte
Abspeichern von Daten eines der Größten Problem, da zu Beginn des
Computer-Zeitalters Speichermedien sehr teuer waren. Durch technische
Fortschritte gehört dieses Problem heute der Vergangenheit an, da die
Produktion von Speichermedien verbessert wurde und die Technik mit der Zeit
immer effektiver ausgenutzt wurde. Heute sind PCs mit einer Festplatte von
einer Kapazität von 20 GB der Normalfall und die Festplatte ist einer der
wichtigsten Datenträger geworden.
1. Die Geschichte der Festplatten
In den 60er bis 80er Jahren, bevor es Festplatten gab oder eine Festplatte
erschwinglich wurde, wurden als Datenträger Lochkarten, Lochstreifen,
Magnetbänder oder auch Disketten benutzt.
1.1 Vorläufer der Festplatten
1.1.1 Lochkarten und Lochstreifen
Lochkarten hatten die Große eines 1-Dollar-Scheines und waren in 12 Zeilen
und 80 Spalten unterteilt. Der Lochstreifen ist eine Weiterentwicklung der
Lochkarte und für die gleiche Datenmenge wurde weniger Platz benötigt als auf
einer Lochkarte. Mit der Zeit wurden die mechanischen Datenträger von den
magnetischen Datenträger abgelöst.
Diese Datenträger, die Disketten und Magnetbänder, werden heute noch
verwendet.
1.1.2 Magnetbänder
Die ersten Magnetbänder waren auf Spulen von ca. 30 cm Durchmesser. Diese
wurden dann aber von Kassetten ersetzt, die immer noch verwendet werden,
zum Beispiel für Datensicherungen.
1.1.3 Disketten
Die Diskette hingegen besteht aus einer dünnen Plastikscheibe, deren
Oberfläche magnetisierbar ist. Die ersten Disketten waren 5,25"-Disketten, die
zum Schutz mit einer Hülle aus Pappe umgeben war. Deren Nachfolger, die
3,5"-Diskette wurde mit einer Kunststoff-Hülle versehen und die
Speicher-Kapazität war größer (1,44 MB). Diese Diskette, die immer noch
Standard ist, wurde auch verbessert. Deren verbesserte Nachfolger sind
ZIP-Disketten oder LS-120-Disketten, deren Kapazität bei 100 oder mehr
Megabyte liegt.
1.2 Die Entwicklung der Festplatte
1.2.1 Die erste Festplatte
1973 startete IBM ein Projekt ("Winchester") zur Entwicklung eines
Massenspeichers. In einem Gehäuse sollten übereinander mehrere Scheiben mit
einer hohen Drehzahl rotieren.
Da sich dazu keine flexiblen Plastikscheiben, wie sie in der Diskette verwendet
werden, eignen, wurden zuerst Platten aus Glas und später aus Aluminium
benutzt, die mit einer magnetisierbaren Schicht überzogen wurden. Nach sechs
Jahren wurden die ersten Festplatten dieser Art vorgestellt. Diese Festplatten
waren von den Ausmaßen sehr groß und mit Preisen von 2000 DM pro MB sehr
teuer.
1.1.2 Die Entwicklung der Festplatte bis heute
Als Anfang der 80er Jahre die ersten 5,25"-Festplatten auf den Markt kamen,
wurden die Festplatten durch die Entwicklung von leistungsfähigeren
Festplatten und dem Preisverfall auch für private Anwender interessant und
erschwinglich. Die ersten dieser Festplatten fassten nur wenige MB und passten
nur in 5,25"-Einbauschächte. Außerdem waren sie mit Zugriffszeiten von bis zu
60 ms sehr langsam.
Heutige Festplatten haben eine Größe von 3,5" und eine Speicherkapazität bis
zu 80 GB oder mehr. Die Preise heutiger Festplatten sind von der Schnittstelle
abhängig, aber IDE-Festplatten gibt es ab ca. 200 DM und ab einer
Speicherkapazität von 15 GB.
1.1.3 Leistungsdaten heutiger Festplatten
IDE-Festplatten:
Datenübertragung: U-DMA-66 (66 MB/s), U-DMA-100 (100 MB/s)
Zugriffszeit: 8,5 ms bis 9,5 ms
Kapazität: von 10 GB bis 80 GB
U/min: von 5400 U/min bis 7200 U/min
Cache: bis 2 MB
Kosten: ab 200 DM
SCSI-Festplatten:
Datenübertragung: U2W-SCSI, U3W-SCSI, bis 160 MB/s
Zugriffszeit: 4,7 ms bis 7 ms
Kapazität: von 9 GB bis 80 GB und mehr
U/min: 7200 U/min bis 10000 U/min
Cache: 4 MB bis 8 MB
Kosten: ab 430 DM
2 Aufbau einer Festplatte:
Ein Elektro-Motor treibt eine vertikale Achse an, die Spindel.
An der Spindel sind die Platte, auf denen die Daten abgespeichert werden,
befestigt. Die Platten bestehen wegen der geringen Masse aus Aluminium und
sind mit einer magnetisierbaren Oberfläche überzogen. Der Schwingarm, an
dem die Lese- und Schreibköpfe befestigt sind, wird von einem Schrittmotor
bewegt. Die Lese- und Schreibköpfe befinden sich etwa 1 Mikrometer über oder
unter den Platten. Die Elektronik der Festplatte befindet sich auf einer
Platine,
auf der sich auch der Anschluss vom Datenkabel und des Stromkabels befinden.
Die Daten werden auf der Festplatte in Spuren, Sektoren und Zylindern
organisiert. Spuren sind geschlossene Kreise, die durch die Drehung der Platten
entstehen. Eine Festplatte kann über 1000 von ihnen aufweisen. Weiterhin werden
die Spuren in Sektoren aufgeteilt. Dieser Vorgang wird als
Low-Level-Formatierung bezeichnet und vom Hersteller vorgenommen. Spuren, die
auf den Platten übereinander liegen, werden als Zylinder bezeichnet.
3. Aufzeichnungsverfahren
Die Informationen werden auf der Festplattenoberfläche mit Hilfe der binären
Kodierung abgelegt. Nullen und Einsen lassen sich nicht mit Hilfe der
magnetisierbaren Teilchen speichern, weil man dazu die beiden Zustände
magnetisiert und nicht magnetisiert auf die Werte 0 und 1 abbilden müßte, was
natürlich nicht möglich ist. Wenn dies geschehen würde, so würden Folgen von
Nullen und Einsen auch als Folgen magnetisierter und nicht magnetisierter
Teilchen erscheinen, wodurch die Leseköpfe der Festplatte nicht mehr in der
Lage wären, die einzelnen Teilchen in einer solchen Folge auseinander zu halten
und zu erkennen, ob es sich nun beispielsweise um drei oder fünf Nullen
handelt. Was man jedoch ohne Probleme aufzeichnen kann, sind sogenannte
Flußwechsel, kurze Übergänge zwischen magnetisierten und nicht magnetisierten
Teilchen, die im Lesekopf der Festplatte einen Spannungsimpuls erzeugen, der an
die Elektronik weitergeleitet wird und dort der Entschlüsselung der
gespeicherten Nullen und Einsen dient. Genau diese Art der Kodierung der
binären Informationen ist es, die seit jeher Hardwareentwickler beschäftigt
hat.
3.1. Das FM-Verfahren
Die einfachste Kodierung von Nullen und Einsen mit Hilfe von Flußwechseln,
besteht in der Aufzeichnung eines Flußwechsels für jede Eins und dem Weglassen
eines Flußwechsels für jede Null. Um den besprochenen Problemen aus den Weg zu
gehen benötigt man also einen Takt, der über einen bestimmten Zeitraum das
Ausbleiben von Flußwechseln erkennt. Beim ältesten Aufzeichnungsverfahren, dem
FM-Verfahren wird das Taktsignal als Flußwechsel auf der Festplatte
gespeichert. Es werden also in zeitlich konstanter Folge Flußwechsel auf der
Festplatte aufgezeichnet, auf die sich die Festplattenelektronik
synchronisiert, um die eigentlichen Datenbits zu lesen. Denn diese befinden
sich zwischen den Taktflußwechsel. Jeweils ein Flußwechsel für eine Eins und
kein Flußwechsel für eine Null. Dieses Verfahren läßt sich mit vergleichsweise
simpler Steuerungselektronik verwirklichen, hat jedoch den entscheidenden
Nachteil, das die Plattenkapazität um die Hälfte reduziert wird.
1 0 1 1 0 0 1 0
T T T T T T T T
magnetisiert -
Flußwechsel =
nicht magnetisiert -
3.2. Das MFM-Aufzeichnungsverfahren
Das MFM-Verfahren ist eine Modifikation des FM-Verfahren und macht Schluß mit
der Verschwendung an Flußwechseln. Bei diesem Verfahren werden die
Takt-Flußwechsel als Datensignale verwendet, indem sie gegenüber dem normalen
Takt verschoben werden. Eine Null besteht jedoch weiter aus einem
Takt-Flußwechsel, dem bis zum nächsten kein weiterer folgt und eine Eins wird
nur noch als Flußwechsel gespeichert, wo auch beim FM-Verfahren ein Flußwechsel
zu finden ist, der eine Eins als solche kennzeichnet. Der vorausgehende
Taktflußwechsel fehlt jedoch. Sowohl Nullen als auch Einsen lassen sich dadurch
mit Hilfe nur eines einzigen Flußwechsels aufzeichnen. Längere Folgen von
Nullen und Einsen stellen sich dadurch als eine kontinuierliche Folge von
Flußwechseln dar, die jedoch in ihrer Phasenlänge verschoben werden.
Voraussetzung dafür ist jedoch eine verbesserte Aufzeichnungstechnik und
Steuerungselektronik, damit die Festplatte längere Folgen von Nullen
synchronisieren kann. Wenn nach dem Lesen einer Null mehr Zeit als gewohnt
vergeht, kann dadurch eine Eins erkannt werden, folgt nach der gewohnten Zeit
der nächste Flußwechsel, handelt es sich wiederum um eine Eins. Problematisch
wird es nur, wenn nach einer Eins eine Null folgt, die wieder einen Flußwechsel
auf der normalen Taktposition erfordert, denn die Zeit zwischen Fußwechsel der
Eins und dem der Null beträgt dann nur noch die Hälfte des normalen Abstands
zwischen zwei Flußwechseln. Das geht jedoch nicht, da der kleinste Abstand
zwischen zwei Flußwechseln nicht unterbrochen werden kann, weil der Lesekopf
und die zugehörige Elektronik sonst nicht mitkommen. Also wird für eine Null,
die auf eine Eins folgt gar kein Flußwechsel gespeichert. Der nächste
Flußwechsel erfolgt dann also erst nach anderhalbfacher Zeit für einen
Flußwechsel mit der Bitkombination (100) und nach der doppelten Zeit für einen
Flußwechsel mit der Bitkombination (101).
Abbildung 2 Das MFM-Verfahren
3.3. Das RLL-Aufzeichnungsverfahren
Das RLL-Verfahren ist ein Kodierungsverfahren, das noch mal 50% mehr
Informationen auf die Platte bringt als das MFM-Verfahren. Einsen werden als
Flußwechsel und Nullen als das Fehlen von Flußwechseln gespeichert, ohne das
zusätzlich ein Takt-Flußwechsel festgehalten wird. Die Festplattenelektronik
muß demzufolge den Takt selber zählen. Das ist jedoch nur möglich, selbst bei
konstanter Drehzahl der Festplatte und einer Verbesserung des Lesekopfes und
dessen Elektronik, wenn nicht die Anzahl von Nullen zwischen zwei Einsen zu
groß ist, denn mit jeder Null wächst die Wahrscheinlichkeit, daß die
Festplattenelektronik aus dem Takt gerät bzw. dürfen nicht zu viele Einsen
aufeinander folgen, weil sonst die Elektronik mit Flußwechseln überhäuft und
nicht mehr mitkommen würde. Um dem gerecht zu werden, bildet die
Festplattenelektronik die zu speichernden Bitfolgen auf einen anderen Code ab,
der dann gespeichert wird. Dieser ist zwar dann doppelt so lang, sorgt jedoch
dafür, das die Folgen der Nullen nicht zu lang und die Abstände der Einsen
nicht zu gering werden. Voraussetzung ist natürlich, daß in jedem Fall sich die
gespeicherten Informationen hinterher wieder problemlos in die ursprünglichen
Bitfolgen dekodieren lassen, ohne Doppeldeutigkeiten hervorzurufen. Denkbar
sind dabei unendlich viele Codemuster, je nachdem wie groß die maximale Anzahl
der aufeinanderfolgenden Nullen und wie klein ihre minimale Anzahl sein soll.
Gebräuchlich sind zwei Verfahren das RLL 2,7 und das RLL 3,9 Verfahren. Das RLL
2,7 ist das Standardverfahren, das bei den meisten modernen Festplatten zum
Einsatz kommt, die möglichst klein und /oder hochkapazitiv sein sollen.
Zwischen zwei Einsen stehen dabei mindestens zwei aber höchstens sieben Nullen.
Beim RLL 3,9 Verfahren lassen sich die Informationen noch dichter packen. Um
eine korrekte Umwandlung der Bytes zu gewährleisten, wird auf der Ebene der
Sektoren gearbeitet und niemals mit einem einzelnen Byte, um das folgende Byte
in die Codierung mit einbeziehen zu können. Beim letzten Byte des Sektors muß
der Code aufgehen, da kein Folgebyte mehr zur Verfügung steht. Häufig ergänzt
dann der Controller einfach das passende Byte.
Datenbits RLL-(2,7)-Code
10 0100
11 1000
000 000100
010 100100
011 001000
0010 00100100
0011 00001000
Tabelle 1 RLL 2,7 Code
4. Festplattensysteme
4.1. RAID-Systeme
In Netzwerken und Großrechnern werden oft mehrere 'kleine'
Festplatten zu einem großen logischen Laufwerk zusammengefasst. So kann man
relativ Preiswert eine hohe Speicherkapazität und, bei entsprechender
Organisation, eine hohe Datensicherheit erreichen. Die verschiedenen
Möglichkeiten so ein System aufzubauen werden unter dem Begriff RAID (Redundant
Array of Inexpensive Disks) zusammengefasst.
RAID 0 (Data Stripping)
Der Controller verteilt die Daten selbständig auf die angeschlossenen
Laufwerke, wodurch die Datentransferrate des logischen Laufwerks erhöht wird.
Die Sicherheit wird dadurch nicht beeinflusst.
RAID l (Disk Mirroring/Disk Duplex)
Der Controller speichert die Daten gleichzeitig auf mehrere Festplatten. Wenn
eine Platte ausfällt, ist unverzüglich mindestens eine identische Platte
verfügbar. Die Datentransferrate wird nicht erhöht.
RAID 4 (Mirroring/Duplexing Verband)
Alle Daten werden auf mehrere Festplatten verteilt und auf einer weiteren
Festplatte Sicherheitsinformationen gespeichert, wodurch das System die bei
einem Plattenausfall verlorenen Daten wieder berechnen kann, ohne dass der
Anwender den Ausfall bemerkt. In Bezug auf die Transferrate ist die
Sicherheitsplatte der Schwachpunkt, da beim Schreiben von Daten auch immer ein
Zugriff auf diese Festplatte erfolgen muss.
RAID 5 (Disk Array with Striped Parity)
Die Daten und die Sicherheitsinformationen (XOR-Verknüpfungen) werden
gleichmäßig auf alle Festplatten verteilt. Dieser Aufbau bietet Datensicherheit
und eine Steigerung des Datentransfers.
4.2. Wechselplatten
Anwender, die größere Datenmengen transportieren wollen oder ihre Arbeit
vorübergehend im Safe einschließen müssen, können dies durch den Einsatz von
Wechselplatten sehr leicht realisieren. Bei den Wechselplatten sind zwei
Varianten üblich:
Die 'echten' Wechselplatten ähneln in Größe und Aufbau den Disketten.
Da die Gehäuse der Datenträger nicht absolut staubdicht sind, müssen die Köpfe
einen größeren Abstand zur Oberfläche halten, wodurch die Speicherkapazität und
die Datenübertragungsrate reduziert werden.
Die andere Variante sind Wechselrahmen, die aus einem Gehäuse für eine normale
Festplatte und der passenden Aufnahme, bestehen. Die Wechselrahmen werden
einfach in einen Laufwerkschacht des PCs eingebaut und ermöglichen dann eine
schnelle Entnahme der Festplatte und den Datenaustausch mit anderen Rechnern,
die mit der entsprechenden Aufnahme ausgestattet sind. Diese Variante bietet
die gewohnte Testplattenleistung, ist aber in Bezug auf Größe und Gewicht
deutlich unhandlicher als Wechselplatten.
5. Die Festplatte und ihre Controller
Wichtig für all die im letzten Kapitel erwähnten Werte ist, wie die Daten
zwischen Festplatte und Motherboard übertragen werden. Diese Übertragung
geschieht durch den sogenannten Festplattencontroller. Es gibt mehrere
Festplattentechnologien, von denen aber nur noch zwei standardmäßig eingesetzt
werden: EIDE und SCSI.
5.1. ST506
Die ersten Festplatten, die es gab, wurden für den ST506-Controller von der
Firma Seagate (ST = Seagate Technology) entwickelt. Dieser Controller kann
Daten auf der Festplatte in unterschiedlichen Formaten (MFM / RLL) abspeichern.
Festplatte und Controller sind über eine 20-polige Datenleitung sowie einer
34-poligen Steuerleitung miteinander verbunden, und somit als zwei getrennte
Komponenten zu sehen.
5.2. ESDI
Es wird nicht jeder einzelne Flußwechsel seriell über die Datenleitung an den
Controller übertragen, sondern über einen sogenannten Datenseperator, der auf
der Festplatte untergebracht wurde. Dadurch wurde die Datentransferrate auf 10
MBit/s gesteigert. Es war jetzt ein Interleavefaktor von 1:1 möglich. Eine
Umdrehung reichte also nun aus um eine ganze Spur zu übertragen. Die
Zugriffsgeschwindigkeit wurde nochmals um den Faktor 3 bis 6 erhöht.
5.3. IDE / ATA
IDE-Laufwerke, die auch AT-Bus-Platten (ATA = AT-Bus-Attachment) genannt
werden, haben die gesamte Steuerelektronik auf der Festplatte untergebracht und
benötigen keinen eigenen Controller.
Der IDE-Bus ist standardmäßig auf eine Kapazität von 504 MByte pro Festplatte
beschränkt und es lassen sich nur zwei IDE-Geräte an den IDE-Controller
anschließen.
5.4. EIDE / Fast ATA
EIDE steht für Enhanced IDE und ist eine Weiterentwicklung des IDE-Standards.
Notwendig wurde der EIDE-Standard, weil die Festplatten immer größer wurden,
der IDE-Standard aber nur 504 MByte zuließ.
Darüber hinaus wurden die Anschlußmöglichkeiten von 2 Platten auf bis zu 4
Geräte erweitert, wobei sich auch CD-ROM-Laufwerke an einen EIDE-Controller
anschließen lassen.
Der PIO-Mode legt fest, wie schnell die Daten zwischen IDE-Controller,
Festplatten und CD-ROM-Laufwerke übertragen werden.
Modus Übertragungsrate
PIO 0 3,33 MByte / sek
PIO 1 5,22 MByte / sek
PIO 2 8,33 MByte / sek
PIO 3 11,11 MByte / sek
PIO 4 16,66 MByte / sek
Tabelle 2 PIO-Mode
Etwas später wurde der Ultra-DMA-Modus (Ultra-ATA) entwickelt. Er unterstützt
höhere Datenübertragungsraten und besitzt eingebaute Sicherheitsmechanismen.
Die hohe Belastung der CPU bei der Datenübertragung wird durch einen
Bus-Master-Treiber reduziert.
Momentan sind vier Ultra-DMA-Moden aktuell:
Modus Übertragungsrate
UDMA 0 16,66 MByte / sek.
UDMA 1 25,00 MByte / sek.
UDMA 2/33 33,33 MByte / sek.
UDMA 3/66 66,66 MByte / sek.
Tabelle 3 Ultra-DMA-Mode
5.5. SCSI
Die derzeit wohl universellste Schnittstelle ist das 1982 standardisierte Small
Computer System Interface. SCSI oder das neue, weiterentwickelte und
abwärtskompatible SCSI-II ist keine reine Festplattenschnittstelle, auch
Scanner, CD-ROM-Laufwerke und vieles mehr kann daran angeschlossen werden. Bis
zu sieben Geräte (also auch bis zu sieben Festplatten) können beliebig gemischt
in einer Reihe angeschlossen werden, wobei das jeweils letzte mit einem
Abschlußwiderstand versehen werden muß.
Der Host-Adapter steuert den Steuerbus, indem er regelt, welches Gerät wann
Daten empfangen oder senden darf. Damit der Host-Adapter die verschiedenen
Geräte voneinander unterscheiden und gezielt ansprechen kann, muß jedem Gerät
eine eindeutige Identifikationsnummer (ID) zugewiesen werden. Jede dieser
Nummern darf dabei nur
einmal vergeben werden. Belegen zwei Geräte die gleiche ID, so sind im besten
Falle nur diese beiden Geräte nicht mehr ansprechbar. Möglicherweise ist aber
auch das ganze SCSI-System gestört. Zur Verfügung stehen die Nummern ID-0 bis
ID-7.
Da sich der SCSI-Bus über die Jahre hinweg weiterentwickelt hat, gibt es
verschiedene SCSI-Normen:
SCSI-Typ Datenbreite Übertragung Anzahl Geräte
SCSI-1 8 Bit* 5 MB/s 7
SCSI-2 8 Bit* 5 MB/s 7
Fast SCSI-2 8 Bit* 10 MB/s 7
Wide SCSI-2 16 Bit 10 MB/s 15
Fast-Wide SCSI-2 16 Bit 20 MB/s 15
Ultra SCSI** 8 Bit* 20 MB/s 7
Ultra-Wide SCSI*** 16 Bit 40 MB/s 15
Ultra2 SCSI 16 Bit 80 MB/s 15
*Hier spricht man auch von Narrow SCSI.
**auch SCSI-3 oder Fast 20 genannt.
***auch Fast SCSI-3 genannt.
Tabelle 4 SCSI-Normen
Da bei SCSI viele Geräte extern angeschlossen werden (z.B. Band-, MO-Laufwerk,
Scanner,), ist die maximale Kabel- bzw. Buslänge und die richtige
Terminierung absolut entscheidend, da sonst schwerwiegende Fehler auftreten
können.
SCSI-Typ max. Buslänge
SCSI-1 6 Meter
SCSI-2 3 Meter
Ultra SCSI 3 Meter (bis zu 3 Geräte)
1,5 Meter (bei mehr als 3 Geräten)
Ultra2 SCSI 12 Meter
Differential SCSI 25 Meter
Tabelle 5 Buslängen SCSI
