Speichermedien Festplatten

Magnetaufzeichnung wird sowohl bei Festplatten als auch bei Magnetbändern, wie etwa Video- oder Audiokassetten verwendet. Die Grundlage dieser Technologie bildet fast immer eine dünne Schicht aus ferromagnetischen Partikeln, die auf Datenscheiben oder Kunststoffbänder aufgetragen wird. Mit Hilfe eines exakt gesteuerten Magnetfeldes, das vom Schreibkopf des jeweiligen Aufzeichungsgerätes erzeugt wird, werden die winzigen Magnetpartikel selektiv neu ausgerichtet, um analoge oder digitale Informationen zu speichern.

Im Inneren des Festplattengehäuses befinden sich ein oder mehrere magnetisch beschichtete Scheiben, die sich angetrieben von einem kleinen Elektromotor mit einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit drehen. Gelesen und geschrieben werden die Daten von so genannten Schreib-Leseköpfen, die sich in einem sehr geringen Abstand zu den rotierenden Scheiben auf Schwenkarmen befinden. Die Scheiben selbst bestehen meist aus Metall, das mit einer dünnen Schicht aus Eisenoxid-Kristallen beschichtet ist. Der Schreib-Lesekopf verändert beim Schreibvorgang die Ausrichtung der magnetischen Partikel der Eisenoxid-Schicht und kann so Daten schreiben, lesen, überschreiben und löschen. Ältere Festplatten haben meist nur eine oder zwei Datenscheiben, bei modernen Festplatten mit hoher Kapazität findet man vier bis sechs dieser Scheiben, die übereinander montiert sind.

Im Vergleich zur Floppy-Disk zeichnen sich Festplatten durch die wesentlich höhere Rotationsgeschwindigkeit von bis zu 15.000 Umdrehungen/Minute (U/min) aus, dadurch ist der Lese- und Schreibvorgang bei Festplatten um ein vielfaches schneller. Die feste Bauweise, die nebenbei auch für die Namensgebung verantwortlich ist, führt zu einer hohen Datensicherheit. Dennoch sind Festplatten äußerst empfindlich auf Erschütterungen, da die Schreib-Leseköpfe in sehr geringem Abstand (~50m) über den Datenscheiben auf einem, durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit entstehenden Luftpolster, schweben. Eine Berührung der Scheiben durch den Schreib-Lesekopf während dem Betrieb, die z.B. durch eine Erschütterungen hervorgerufen werden kann, führt zum sogenannten Headcrash und zerstört die Festplatte und die darauf befindlichen Daten. Festplatten sollten aus diesem Grund besonders im Betrieb sehr sorgfältig behandelt werden und möglichst vibrationsfrei montiert sein.
Aufgrund der extrem feinen Oberflächenstruktur der Datenscheiben und der hohen Datendichte sind selbst winzigste Staubkörner im Inneren einer Festplatte eine große Gefahr für die Funktions- und Datensicherheit. Festplatten werden deshalb auch im so genannten Reinraum produziert, der absolut staubfrei ist.

Festplattengeometrie

Je nach Typ und Betriebssystem werden Festplatten beim Formatieren in Bereiche unterteilt, die die Organisation und Verwaltung der Daten für das System erleichtern. Wir unterscheiden dabei Sektoren, welche die kreisförmigen Datenscheiben in Kreissegmente unterteilen und Tracks, die in konzentrischer Kreisform verlaufen. Sektoren stellen die kleinsten Speichereinheiten einer Festplatte mit jeweils etwa 512 Byte Speichervolumen dar (dieser Wert variiert je nach Festplattentyp). Mehrere Sektoren zusammengefasst, werden als Cluster bezeichnet.
Die Bezeichnung Zylinder steht für übereinanderliegende Tracks auf mehreren Datenscheiben.
In der folgenden Abbildung wird diese Struktur stark vereinfacht dargestellt. Bei modernen Festplatten befinden sich mehrere tausend Tracks auf jeder Scheibe und die Sektoren-Aufteilung ist entsprechend komplex.

Stark vereinfachte Darstellung der Oberflächenstruktur einer Datenscheibe

Dateisysteme und Partitionen

Während es sich bei der oben beschriebenen Festplattengeometrie um quasi-physische* Strukturen der Hardware handelt, gibt es auch logische Strukturen, die durch das Dateisystem festgelegt werden. Neue Festplatten müssen beim ersten Einsatz immer formatiert werden, dabei wird neben der physischen Unterteilung auch das Dateisystem festgelegt. Unter Windows stehen hier die beiden Systeme FAT32 und NTFS zur Auswahl:

*Die Geometrie war bei alten Festplatten tatsächlich auch physisch nachvollziehbar - bei modernen Laufwerken werden diese Strukturen aufgrund der hohen Komplexität und Datendichte nur noch als Schema angewandt. Die Aufgabe der Umsetzung von Speicherbefehlen zwischen der tatsächlichen physikalischen Struktur einer Festplatte und der für das Betriebssystem relevanten virtuellen Geometrie ist die Aufgabe des Controllers der direkt auf der Festplatte verbaut ist.

FAT32
FAT steht für File Allocation Table und ist eine Art Tabelle, in der verzeichnet wird, wo sich die einzelnen Cluster (mehrere zusammengefasste Sektoren, die zusammen die kleinste durch die FAT verwaltbare Einheit bilden) befinden und ob diese belegt sind oder als Speicherplatz zur Verfügung stehen.
Das FAT32 System unterstützt grundsätzlich eine maximale Festplattenkapazität von 2 Terrabyte (TB), unter Windows XP können aber nur Festplatten mit einer Kapazität von maximal 32 GB mit diesem Dateisystem formatiert werden. Einzelne Dateien dürfen eine Größe von 4GB nicht überschreiten - was z.B. bei der Arbeit mit unkomprimiertem Video eine lästige Einschränkung bedeutet.

NTFS
NTFS ist die Abkürzung für New Technology File System und wurde gemeinsam mit den Windows NT-Systemen entwickelt und konzipiert. Nachdem die NT-Systeme und deren Nachfolger (2000 Pro, XP Pro) für den professionellen Einsatz konzipiert sind, ist auch das dafür entwickelte Dateisystem etwas komplexer und anspruchsvoller.
NTFS verwendet statt der FAT (File Allocation Table) eine Art Datenbank mit Baumstruktur, die MFT (Master File Table), um die Cluster-Zuordnung und die Dateieinträge zu speichern. Dabei wird hier die Adressierung mit 64-bit pro Cluster vorgenommen, was im Vergleich zur aktuellen 32-bit Adressierung von FAT32 eine wesentlich höhere Festplattenkapazität zulässt.
Insgesamt verfügt NTFS über wesentlich mehr Sicherheitsvorkehrungen zum Schutz vor Datenverlust als das FAT-System. So werden z.B. alle Änderungen im Dateisystem permanent in Echtzeit registriert und in der MFT eingetragen - dadurch kann bei einem Systemabsturz davon ausgegangen werden, dass die Einträge tatsächlich auf dem aktuellsten Stand sind und ohne Probleme nach einem ungewollten Neustart wieder auf die Daten zugegriffen werden kann.
Auch der Fragmentierung (siehe unten) von Dateien wird bei NTFS intelligent vorgebeugt - die Liste der Vorteile ließe sich beliebig verlängern - als Fazit kann man mit Sicherheit sagen, dass NTFS in professionellen Systemen dem FAT-System vorzuziehen ist.

Partitionen
Windows-Systeme benötigen mindestens eine Partition auf einer Festplatte, um diese verwalten zu können. Partitionen sind frei definierbare Speicherbereiche auf Festplatten, die vom System als eigenständige Laufwerke formatiert und angesprochen werden. Daraus lässt sich ableiten, dass auch die Möglichkeit besteht mehrere Partitionen auf einer Festplatte anzulegen. Das macht vor allem dann Sinn, wenn man in einem PC nur eine Festplatte betreibt und die Nutzerdaten nicht auf der System-Partition speichern möchte, um z.B. die Verwaltung von Backups einfacher zu gestalten.
Bei den Partitionen unterscheidet man zwischen primären und erweiterten Partitionen:
Primäre Partitionen sind pro Festplatte auf eine Anzahl von vier beschränkt und eine davon muss als "aktiv" gekennzeichnet werden. Die aktive primäre Partition ist die Startpartition, nur diese kann bootfähig sein und das Betriebssystem enthalten.
Erweiterte Partitionen können mehrere logische Laufwerke enthalten - auch diese werden vom Betriebssystem als eigenständige Laufwerke erkannt und behandelt.
Die Informationen über das Partitionssystem werden im Master Boot Record (MBR) gespeichert. Der MBR wird im ersten Sektor der aktiven primären Partition gespeichert und bildet den Anfang des gesamten Dateisystems. Neben der Master Partition Tabelle enthält der MBR auch den Master Boot Code, der beim Systemstart vom BIOS geladen wird und den Bootvorgang des Betriebssystems startet. Diese kleine Datei ist häufig das Ziel für Virusattacken, da das Betriebssystem ohne die enthaltenen Informationen nicht starten kann.
In der Praxis sind Partitionen ganz nützlich, wenn man nicht genügend Festplatten oder Schnittstellen zur Verfügung hat. Festplatten die besonders schnell arbeiten sollen, weil sie z.B als Videodatenspeicher verwendet werden, sollten jeweils nur eine Partition enthalten, da die Verwaltung der Partitionen auch auf Kosten der Systemleistung geht.

Wartung von Festplatten

Um einen zufriedenstellenden Betrieb von Festplatten zu gewährleisten und die optimale Arbeitsgeschwindigkeit sicherzustellen empfiehlt es sich die Laufwerke regelmässig zu defragmentieren. Defragmentieren bedeutet das Zusammenfassen von Daten die zu einer Datei gehören. Im täglichen Arbeitsablauf werden vor allem größere Dateien häufig auf verschiedene physikalische Bereiche einer Festplatte verteilt, weil z.B. in einem Bereich nicht genügend Platz zur Verfügung steht. Grundsätzlich bemerkt der Anwender nicht, wenn Dateien sich nicht zusammenhängend auf der Festplatte befinden. Erst wenn viele Dateien in viele kleine Fragmente verteilt vorliegen, wird der Aufwand für den Lesekopf merkbar hoch und die Datentransferrate dadurch geringer. Beim Defragmentieren werden diese Fragmente gesucht und zusammengefasst - dafür ist es allerdings notwendig, dass zumindest 20% einer Partition frei sind, damit die Daten bie diesem Vorgang temporär an einer freien Stelle "zwischengelagert " werden können. Besonders bei Festplatten die für die Speicherung von Videodaten vorgesehen sind sollte eine Defragmentierung sehr häufig durchgeführt werden. Entsprechende Tools sind in die meisten Betriebssysteme integriert.

Betriebstemperatur

Schnelle SCSI-Festplatten haben eine Rotationsgeschwindigkeit von bis zu 15.000 U/min., SATA-Festplatten drehen bis zu 10.000x pro Minute und EIDE bis max. 7.200x.
Da der Antriebsmotor für die Datenscheiben bei dieser Geschwindigkeit sehr viel Hitze produziert, müssen besonders schnelle Laufwerke zusätzlich gekühlt werden. Eine Überhitzung kann zu schweren Defekten und Datenverlust führen. Als Faustregel gilt, dass Festplatten nicht heißer als 60 Grad werden sollten.