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Festplatten
Festplatten bilden den wichtigsten Massenspeicher eines Computers. Diese Massenspeicher sind direkt adressierbare Speichermedien, die DASD (engl. direct access storage device) genannt werden, da die Dateien direkt abrufbar sind.
Die binären Dateien, welche sowohl persönliche als auch Dateien des Betriebssystems sein können, werden via einer Magnetscheibe auf die Festplatte übertragen. Dies wird durch verschiedenste magnetische Wellen hervorgerufen.
Außerdem gibt es verschiedenste Arten von Festplatten:
Serverfestplatten
Externe Festplatten
Interne Festplatten
Technische Daten
Baugrößen
Die Größe einer Festplatte wird in Zoll gerechnet. So sind handelsüblichen 3,5“-Festplatten exakt 100 mm breit, was in etwa 4 Zoll entspricht. Außerdem ist dies keine exakte Größe, sondern ein Formfaktor.
Die Größe der Magnetscheiben beträgt max. den als Formfaktor angegebenen Wert. Serverfestplatten mit geringerer Rotationsgeschwindigkeit haben allerdings einen geringeren Wert.
Im Zuge der technischen Entwicklung wurden Festplatten immer kleiner (z.B. in Laptops), da sie so weniger anfällig gegenüber Erschütterungen sind.
Man unterscheidet Objekte mit voller Bauhöhe (3,5“ , 88 mm , mit 2 Steckplätzen) und halber Bauhöhe (1,75“ , 44 mm).
Seit 2006 entwickelt die Firma Seagate zudem auch 2,5“ Server-Festplatten, die Platz sparen, weniger Strom verbrauchen und geringeres Ausfallrisiko haben. Weitere Hersteller sind Toshiba, Hitachi und Fujitsu.
1,8“ Festplatten werden seit 2003 in Sub-Notebooks und größeren MP3-Playern verwendet, wobei Hitachi angekündigt hat ab Ende 2007 keine dieser Festplatten mehr herzustellen, da dies zu viel Flash-Speicher verdrängen würde.
Speicherkapazität
Die Speicherkapazität einer Festplatte ist eine Geamtzahl an Bits (0 oder 1), welche durch das Betriebssystem adressiert werden können.
Die gesamte Kapazität wird in Byte gemessen (Richtlinie: 8 Bit = 1 Byte)
Zur Übersichtlichkeit wird die Anzahl der Bits oder Bytes in Kilo -, Mega -, Giga - und Terabits bzw. - bytes angegeben. Besonders Festplattenhersteller definieren bei der Angabe der Kapazität ein Gigabyte nach mathematischen Potenzen zur Basis 10:
10^9 Byte = 1000^3 Byte = 1.000.000.000 Byte
Die derzeit größte Festplatte (Stand 2009) mit einer Kapazität von 2 Terabyte (2000 GB) ist ein 3,5“-Modell von Western Digital. Die zeitliche Entwicklung der max. Festplattenkapazität zeigt einen annähernd exponentiellen Verlauf, vergleichbar mit der Entwicklung der Rechenleistung nach dem Mooreschen Gesetz. Die Speicherkapazität wird etwa alle 5 Jahre verzehnfacht.
Anmerkungen zum Begriff Exponentiell:
Der Wachstum oder die Abnahme eines Bestandes wird als exponentiell bezeichnet
Der Bestand muss sich durch eine Exponentialfunktion beschreiben lassen
Das ist dann der Fall, wenn sich der Bestand pro Zeiteinheit um keinen bestimmten Betrag ändert
Beispiele: Wachstum von biologischem Gewebe, das Anwachsen von Kapital oder Schulden
Anmerkungen zum Begriff Mooresches Gesetz:
Aufbau/Funktion
Physischer Aufbau der Festplatte
Eine Festplatte besteht aus vielen Komponenten. Hier stehen die Elemente die in einer Festplatte eingebaut sind:
Eine oder mehrere drehbare Scheiben
Einen Elektromotor als Antrieb der Scheiben
Bewegliche Schreib-/Leseköpfe (Heads)
Jeweils ein Lager für Scheiben (meist ein hydrodynamisches Gleitlager), als auch für Heads
Ein Antrieb für Schreib-/Leseköpfe
Steuerelektronik für Motor- und Kopfsteuerung
Hochleistungs-DSP (Digitaler Signalprozessor) für Schreib-/Leseköpfe
Schnittstelle zur Verbindung mit dem Festplattencontroller (meist auf der Hauptplatine; Hauptscheibe)
Festplattencache von etwa 2 bis 32
MB Größe
Aufbau und Material der Scheiben
Die Scheiben der Festplatte bestehen meist aus einer Aluminium-Legierung oder aus Glas. Das „Grundmaterial“ der Scheiben darf jedoch keine magnetischen Eigenschaften aufweisen, da erstens die Magnetschicht auf der Festplatte sher dünn sein soll und zweitens sonst Fehler beim Speichern verschiedener Dateien entstehen können. Auf die Scheiben wird eine dünne Eisenoxid - oder Kobaltschicht aufgetragen, die nur einen Mikrometer Stärke beträgt.
Heutige Festplatten werden durch Sputtern (Kathodenzerstäubung) von sogenannten high storage density media (dt. Material für hohe Speicherdichte) wie CoCrPt hergestellt. Die Magnetschicht wird zusätzlich mit einer Deckschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff versehen, damit mechanische Beschädigungen vermieden werden.
Zukünftig soll die Verkleinerung magnetischer Bits erorscht werden, um sogenannte ultra high storage density medias zu erhalten, da man sich mittlerweile dem supermagnetischen Limit nähert.
Zusätzlich wird eine Steigerung der Datendichte erreicht, welche durch Verbesserung des Trägermaterials sowie des Schreibverfahrens zu Stande kommt.
Achsenlagerung und Drehzal pro Minute
Eine handelsübliche ATA-Festplatte an einem Arbeitsrechner oder Heimcomputer rotieren mit Geschwindigkeiten von 5.400 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute. SCSI -, FC - und SATA-Festplatten rotieren mit einer Geschwindigkeit von etwa 10.000 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute.
Bei 2,5“-Festplatten die vorwigend in Notebooks eingebaut sind beträgt die Leistung etwa 4.200 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute.
Die Achsen früherer Festplatten (Stand 2000) waren kugelgelagert; heutige Festplatten (Stand 2006) haben meist ein hydrodynamisches Gleitlager (FDB) eingebaut, welche sowohl eine längere Lebensdauer, als auch geringere Herstellungskosten besitzen. Zudem ist die Geräuschentwicklung dann geringer.
Der Schreib-/Lesekopf (Head)
Der Schreib/-Lesekopf oder auch Head ist im Prinzip ein winziger Elektromagnet, der durch magnetisieren der Scheiben Daten speichert oder abruft.
Aufgrund eines Luftpolsters, dass durch das Rotieren der Scheibe unter dem Head entsteht, „schwebt“ dieser über der Scheibe und kann dadurch diese nicht beschädigen. Die Schwebehöhe liegt heutzutage bei ca. 20 Nanometern, weshalb die Luft innerhalb des Gehäuses keine Verunreinigungen aufweisen darf, da sonst das Luftpolster gestopft wird.
Bei neuesten Festplatten mit Perpendicular-Recording-Technik liegt die Schwebehöhe bei nur noch 10 Nanometern.
Die Daten wurden vom Head bis 1994 durch Induktion des Magnetfeldes ausgelesen. Über die Jahre wurden allerdings die Datendichte der Flächen, auf denen einzelne Bits gespeichert werden, immer kleiner.
Diese wurden nach 1994 entwickelt:
Anfangs wurden die Schreib-/Leseköpfe mit Schrittmotoren gesteuert, zur Zeit erfolgt die Steuerung durch Tauchspulsysteme mit Lageregelung.
Bei älteren Festplatten mussten die Heads explizit vor dem Ausschalten per Befehl des Betriebssystems in die sogenannte Landezone gebracht werden, was heutzutage automatisch geschieht.
Die Landezone oder auch Landing Zone aus dem Englischen genannt, liegt entweder abseits der Scheibe oder auf einem Teil der Scheibe, auf dem keine Daten gespeichert werden. Auf dieser Stelle wird eine spezielle Flüssigkeit aufgetragen, die den Magnetkopf reinigt, falls Verschmutzungen vorhanden sind und die das Festkleben verhindert.
Das Gehäuse
Das Gehäuse einer Festplatte ist sehr massiv, da es meist aus einem Gusseisenteil mit Aluminiumlegierung und einem Edelstahl-Blechdeckel versehen ist.
Dieses Gehäuse ist zwar staub- aber nicht luftdicht. Durch eine kleine mit einem Filter versehen Öffnung können bei Temperaturänderungen oder Luftdruckunterschieden die darin herrschenden Druckverhältnisse ausgeglichen werden.
Diese Öffnung darf nie verschlossenen werden, da zum Beispiel, durch die darin bestehende Wärme, die Festplatte regelrecht schmilzen könnte.
Da der Luftdruck in zunehmder Höhe abnimmt, aber ein gewisser Druck vorhanden sein muss, um die Berührung zwischen Magnetscheibe und Schreib-/Lesekopfeinheit zu verhindern, darf eine Festplatte nur bis zu einer bestimmten Höhe benutzt werden, da auch durch die kleine Öffnung kein Druckausgleich mehr möglich wird.
Bei neueren Laufwerken wurde der Filter durch eine elastische Membran ersetzt, die durch Wölbung nach innen oder außen, den Drcuk im Gehäuse besser ausgleichen bzw. stabilisieren kann.
Wird das Gehäuse einer Festplatte geöffnet, können schon kleine Staub- oder Schmutzpartikel, sowie auch Fingerabdrücke, zu irreparablen Beschädigungen führen, wodurch die Festplatte dann nicht mehr arbeiten kann.
Lärmverminderung
Um die Lautstärke beim Zugriff auf Daten der Festplatte zu verringern, verwenden die meisten Festplatten ein Automatic Acoustic Management (AAM).
Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, laufen die Schreib-/Leseköpfe langsamer, wobei sich am Datensatz zwar nichts ändert, jedoch die Zugriffszeit deutlich verlängert wird.
Schnittstellen und Jumperung
Schnittstellen an einer Festplatte in einem Arbeitsrechner oder Heimcomputer, gibt es verschiedene.
Hier eine Auflistung verschiedener Schnittstellen, die im Kapitel Schnittstellen näher erklärt werden:
Hier der Link zu den Schnittstellen
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