2. Aufbau und Funktionsweise von Disketten und Festplatten

2. Aufbau und Funktionsweise von Disketten und Festplatten

Der mechanische Aufbau einer Festplatte ist dem einer Diskette sehr ähnlich.

1. Disketten

Eine Diskette wird grundsätzlich in einzelne Spuren aufgeteilt, die als konzentrische Kreise in gleichmäßigem Abstand über die Oberfläche der Magnetscheibe verteilt sind. Die Spuren werden mit Nummern von 0 bis N bezeichnet, wobei die äußerste Spur grundsätzlich die Nummer 0 trägt, die darauf folgende die 1 usw. Jede Spur ist in eine konstante Anzahl von Sektoren aufgeteilt, die die Spur in einzelne Abschnitte gleicher Größe unterteilt. Auch die Sektoren werden von 1 bis n gezählt.

Die Anzahl der Sektoren und Spuren ist vom Laufwerksformat abhängig.

	5 ¼ Zoll				3 ½ Zoll
	Sektoren / Spur	Spuren / Seite	Kapazität / Seite	Daten transfer-Rate	Sektoren / Spur	Spuren / Seite	Kapazität / Seite	Daten transfer-Rate
SD	4	40	80/160 KByte	128KBit/s	-	-	-	-
DD	8	40	160/320 KByte	250KBit/s	-	-	-	-
DD	9	40	180/360 KByte	250KBit/s	9	80	720 KByte	250KBit/s
HD	15	80	1,2MB	500KBit/s	18	80	1,44 MB	500KBit/s
EHD	-	-	-	-	36	80	2,88 MB	1 Mbit/s

Alle Diskettenlaufwerke und Formate arbeiten mit 300 Umdrehungen/min (HD- 5¼-Zoll: immer mit 360 Umdrehungen/min).

2. Festplatten

Bei Festplatten liegen mehrere Magnetplatten übereinander, die, genau wie eine Diskette, in Sektoren und Spuren aufgeteilt sind. Je nach Festplatten - Model haben die einzelnen Platten zwei Schreib- und Leseköpfe (oben und unten. Siehe Bild). Sie sind über den Schreib-/Lesearm miteinander verbunden, so daß ein Spurenwechsel immer für alle Scheiben gleichzeitig vollzogen wird.

Deshalb hat man den Begriff "Zylinder" eingeführt. Er beschreibt sozusagen die Anzahl der untereinanderliegenden Spuren.

Im Gegensatz zur Diskette rotieren die Platten ständig und nicht nur dann, wenn sie angesprochen werden. Es gibt allerdings im Power Management eine Option, in der Festplatten nach einer gewissen Zeit (variabel) abgeschaltet werden können. Diese schalten sich dann bei Zugriff wieder an.

3. Der Interleave-Faktor

Bei der Low-Level- oder auch Vor-Formatierung werden die Sektoren einer Festplatte physikalisch durchnumeriert. Dies geschieht schon bei der Produktion der Platte. Bei dieser Numerierung beginnt man mit dem ersten Sektor, wobei jeder folgende Sektor um 1 erhöht wird.

Es wäre optimal, wenn innerhalb einer Umdrehung der Platte alle Sektoren einer Spur gelesen werden könnten. Die Elektronik im PC muß hierzu die Daten so schnell verarbeiten, wie sie von der Festplatte geliefert werden. Bei heutigen Controllern ist dies kein Problem mehr.

Ältere Controller (z.B. ST506/412) und PCs (8088/8086-Prozessor) hingegen schaffen dies nicht. Sie können die Daten nicht so schnell verarbeiten, wie die Festplatte sie anliefert.

Wenn die gelieferten Daten vom Controller verarbeitet sind ist der nächste zu lesende Sektor bereits am Magnetkopf vorbeigelaufen. Der Controller muß nun warten, bis der nächste gewünschte Sektor wieder am Magnetkopf vorbeikommt, damit die Festplatte diesen lesen und der Controller ihn verarbeiten kann. Währenddessen fliegen dann schon wieder die nächsten Daten am Magnetkopf vorbei.

Wenn man die Sektoren anders anorden würde (also nicht der Reihe nach: Sektor 1, Sektor 2, ...) könnten man sie der Geschwindigkeit des Controllers und des PCs anpassen. Hierbei würde man hier erhebliche Geschwindigkeitsvorteile erzielen.

Da es zu kompliziert ist, die Sektoren anders anzuordnen, ändert man lediglich die Numerierung der einzelnen Sektoren.

=>Es wird eine logische Sektornumerierung eingeführt, die mir der physikalischen (tatsächlichen) Numerierung nicht übereinstimmt. Die logische Sektorennummer wird in dem sogenannten Header eines Sektors gespeichert.

Das Verhältnis zwischen den beiden Numerierungen wird als Interleave-Faktor bezeichnet.

1:1 fortlaufende Numerierung (bei dem heutigen Stand der Technik standart)

1:2 übernächster Sektor hat die folgende Sektornummer.

1:3 zwei Sektoren werden übersprungen.

Beispiel für einen Interleave von 4 (bei 17 Sektoren pro Spur):

1. Umdrehung:

1 - 14 - 10 - 6 - 2 - 15 - 11 - 7 - 3 - 16 - 12 - 8 - 4 - 17 - 13 - 9 - 5

2. Umdrehung:

1 - 14 - 10 - 6 - 2 - 15 - 11 - 7 - 3 - 16 - 12 - 8 - 4 - 17 - 13 - 9 - 5

3. Umdrehung:

1 - 14 - 10 - 6 - 2 - 15 - 11 - 7 - 3 - 16 - 12 - 8 - 4 - 17 - 13 - 9 - 5

4. Umdrehung:

1 - 14 - 10 - 6 - 2 - 15 - 11 - 7 - 3 - 16 - 12 - 8 - 4 - 17 - 13 - 9 - 5

Den Interleave Faktor kann man mit bestimmten Programmen zur Low-Level-Formatierung bestimmen und abändern. Dies sollte man jedoch auf gar keinen Fall bei (E)IDE - oder SCSI - Platten tun, da bei diesen ein Interleave von 1:1 vom Hersteller spezifiziert ist.

4. Das Zone-Bit-Recording

Bei Festplatten mit ST506/412 Schnittstelle kann auf jeder Spur die gleiche Menge Daten gespeichert werden; d.h., daß auf den äußeren Spuren genau so viele Sektoren sind wie auf den inneren Spuren. Die Länge der inneren Spur gibt also die Anzahl der Sektoren für die gesamte Plattenoberfläche vor. Dadurch wir auf den mittleren und äußeren Spuren sehr viel Platz verschenkt, da physikalisch in den äußeren Spuren mehr Platz ist, als auf den inneren.

Durch das Zone-Bit-Recording wird die Plattenoberfläche in mehrere Zonen eingeteilt. In den inneren Zonen ist die Anzahl der Sektoren pro Spur geringer als in den äußeren Zonen. Die Datendichte bleibt somit auf der gesamten Oberfläche gleich. Durch dieses Verfahren wird die Speicherkapazität um ca. 30% bei gleicher Plattenoberfläche vergrößert.

Das Zone-Bit-Recording geschieht völlig Festplatten-intern, d.h., das PC BIOS bzw. der Controller bekommt davon nichts mit.

Deshalb auch die Unterscheidung:

logisches Mapping (CHS Werte des Bios/Controllers)
physikalisches Mapping (wirkliche CHS Werte der Festplatte)

Aber nicht nur das: dadurch, daß in den äußeren Spuren mehr Daten liegen als in den inneren, können pro Umdrehung in den äußeren Spuren auch mehr Daten gelesen werden. Die Datenübertragungsrate nimmt von innen nach außen ab.

Dieses Verfahren wird erst seit den neueren (E)IDE und SCSI Platten häufiger angewandt, da es höhere Anforderungen an die Elektronik der Platten stellt. Da in jeder Zone die Länge der Spuren unterschiedlich ist, muß die Lese-Schreib-Elektronik für jede Zone neu eingestellt werden.

5. Das Mapping

Mapping beschreibt die Art und Weise, in welcher Anordnung die Daten auf die Festplatte geschrieben werden.

Hierzu gibt es drei Möglichkeiten:

vertikates Mapping
horizontales Mapping
zonenweise horizontales Mapping

Beim 'vertikalen Mapping' beginnt der Schreibvorgang auf der Oberfläche der ersten Magnetplatte. Wenn die erste Spur vollgeschrieben ist, wird die Unterseite der ersten Magnetplatte, dann die erste Spur der Oberseite zweiten Magnetplatte usw. vollgeschrieben. Sind alle Spuren des ersten Zylinder voll, wird erst der Spurenwechsel durchgeführt. Der Vorteil daran ist, daß ein Kopfwechsel normalerweise wesentlich schneller geht als ein Spurwechsel, da dieser nicht mit einer mechanischen Bewegungen verbunden ist.

Beim 'horizontalen Mapping' arbeitet die Platte erst die ganze Oberfläche ab, bevor sie auf den nächsten Kopf wechselt. Diese Methode ist etwas langsamer als die anderen zwei Methoden.

Bei einigen Festplatten dauert Zonenwechsel besonders lang, da in der Elektronik erst noch umgerechnet werden muß, wie viele Sektoren in welcher Zone sind. So wird ein horizontales Mapping für jede einzelne Zone durchgeführt, damit die Umrechnung in der Elektronik seltener durchgeführt werden muß. Man nennt dieses Verfahren daher auch das 'zonenweise horizontale Mapping'.

6. Die Bauform

Die heutzutage übliche Bauform einer Festplatte ist 3 ½'' (ca. 8,5cm) Breite und 1'' (2,54cm) Höhe.

Diese Baugröße löste die 5 ¼'' (ca. 8,9cm) großen Festplatten ab. Sie treten heute nur noch selten bei großen SCSI - Hochleistungsplatten über 9GB und ganz selten bei IDE Platten auf (z.B. IDE Platte Quantum Bigfoot TX).

Ganz zu Beginn der Festplattentechnik hießen Festplatten "Winchesterdrives" und sie waren bis zu 8'' (ca. 20,3cm) groß.

Die Miniaturiesierung der Festplatte gewinnt mehr und mehr an Bedeutung.

Man Festplatten im 2,5'' Format entwickelt, die z.B. in Laptops angewandt werden. Sie sind aber nicht nur schmaler, sondern auch niedriger geworden: Standard sind in 1'' und 1,6''. Bei Laptops sind 0.5", 0.66" oder 0.75" üblich. Ein nachteil ist, daß sie langsamer sind als 3 ½ '' Platten.

Eine weitere Miniaturentwicklung ist die PCMCIA Festplatte. Sie ist nur 1,8'' breit, aber leider in Ihrer GB-Größe beschränkter als normale Festplatten (höchstens 3,6GB).

7. Die Kalibrierung

Durch Temperaturschwankungen während des Betriebes (Warmlaufen, Umgebungswärme) können sich die Datenscheiben von Festplatten um einen winzigen Betrag ausdehnen bzw. zusammenziehen. Da die einzelnen Spuren ziemlich eng beieinanderliegen und immer näher zusammenrutschen, kann dies dazu führen, daß der Schreib- /Lesekopf der Festplatte die gesuchte Datenspur nicht mehr findet bzw. schlechte Signale bekommt.

Um dies zu verhindern, besitzen Festplatten seit langem die Fähigkeit zur thermischen Rekalibrierung. Dabei fährt der Schreib- /Lesekopf an eine definierte Position, wo er anhand der gelesenen Signale seine relative Position zur Plattenoberfläche bestimmt. Anschließend kann er wieder an seine ursprüngliche Position zurückfahren, um seine Arbeit fortzusetzen.

Normale Anwendungen beeinflußt die Rekalibrierung nicht negativ. Jedoch dort wo ein konstanter Datenfluß garantiert sein muß, kann dies zu Problemen führen, da dieser Vorgang zwischen 0,5 und 2 Sekunden dauert und der Schreib- /Lesekopf seine eigentliche Arbeit unterbricht.

Abhilfe können hier nur größere Caches oder bessere AV-Platten schaffen, die keine thermische Rekalibrierung benötigen.