Wenn man von Formatierung spricht, unterscheidet man dabei mehrere Stufen:

1. Low-Level-Formatierung = physikalische Einteilung eines Speichermediums
2. Partitionierung = logische Einteilung des Speichermediums in zusammenhängende Strukturen
3. High-Level-Formatierung = die logische Einteilung der Partitionsstruktur mit einem Dateisystem durch eine Software (meist durch das Betriebssystem).

Soweit durch die Beschaffenheit, industrielle Standards oder durch spezielle Verwendung die physikalische Einteilung des Mediums als Norm feststeht, ist eine separate Low-Level-Formatierung nicht erforderlich. In diesen Fällen können beide Vorgänge gleichzeitig vorgenommen werden, so zum Beispiel bei Disketten, CD-ROM, CD-RW oder DVD-ROM/RW.

Damit eine Festplatte logisch formatiert werden kann, muss sie physikalisch formatiert sein.

Die physikalische Formatierung eines Festplattenlaufwerks (auch als Zwei-Stufen-Formatierung bezeichnet) wird in der Regel vom Hersteller durchgeführt.

Durch die physikalische Formatierung wird eine Festplatte in ihre physikalischen Grundbausteine unterteilt: Spuren, Sektoren und Zylinder. Durch diese Elemente wird die Art und Weise vorgegeben, mit der Daten physikalisch auf der Festplatte aufgezeichnet und von dort gelesen werden können.

Die Spuren sind konzentrische Kreispfade, die auf jede Scheibenseite geschrieben werden, wie auf einer Schallplatte oder einer CD. Die Spuren werden mit einer Nummer identifiziert, die mit Spur 0 am äußeren Rand einsetzt.

Der Spurensatz, der auf allen Seiten der Platte im gleichen Abstand von der Mitte angelegt ist, wird als “Zylinder” bezeichnet. Hardware und Software arbeiten häufig mit diesen Zylindern.

Die Spuren sind in Bereiche, sogenannte “Sektoren” oder „Blöcke“ unterteilt, in denen eine festgeschriebene Datenmenge gespeichert wird. Die Sektoren werden in der Regel für eine Speicherkapazität von 512 Byte (ein Byte besteht aus 8 Bit) formatiert.

Nachdem ein Festplattenlaufwerk physikalisch formatiert wurde, kommt es gelegentlich vor, dass die magnetischen Eigenschaften der Eisenoxydschicht an einigen Stellen auf der Festplatte nach und nach an Wirksamkeit verlieren. Dies hat zur Folge, dass es für die Schreib-/Leseköpfe der Festplatte in zunehmenden Maße schwieriger wird, ein Bit-Muster auf der Festplatte zu speichern, das später von der Festplatte gelesen werden kann.

Wenn dieser Prozess einsetzt, bezeichnet man die Sektoren, in denen Daten nicht mehr zuverlässig gespeichert werden können, als “fehlerhafte Sektoren”. Glücklicherweise ist die Qualität moderner Festplatten so hoch, dass solche “fehlerhaften Sektoren” nur sehr selten auftreten.

Darüber hinaus sind die modernen Computer normalerweise in der Lage, einen fehlerhaften Sektor zu identifizieren und ihn als solchen zu kennzeichnen, damit er nicht mehr genutzt wird; es wird dann ein alternativer Sektor benutzt.

Bei Festplatten mit einer Kapazit< 8 GB werden die einzelnen Sektoren mit der sogenannten “Zylinder-Kopf-Sektor-Adressierung(Cylinder-Head-Sector-Adressierung)“ durchgeführt.

Jeder Sektor lässt sich mit CHS klar lokalisieren und adressieren.

Einschränkungen durch das BIOS

• Zylinder = 10 Bits
• Kopf = 4 Bits –> später 8 Bits (erweitertes CHS)
• Sektor/Spur = 8 Bits

Maximaler Speicherplatz früher: 1.024 Zylinder * 16 Köpfe * 63 Sektoren/Spur * 512 Byte/Sektor = 528.482.304 Byte = 504 MB

Maximaler Speicherplatz heute: 1.024 Zylinder * 255 Köpfe * 63 Sektoren/Spur * 512 Byte/Sektor = 8.422.686.720 Byte = 7,844 GB

• Größe einer Spur berechnen?
• Größe einer Scheibe berechnen?

Seit der Einführung der logischen Blockadressierung (Logical Block Addressing (LBA)) 1995 werden alle Sektoren auf der Festplatte von 0 beginnend durchnummeriert. Durch LBA wurde das BIOS - und CHS-Korsett umgangen und es kann damit jede derzeit gängige Festplatte voll adressiert werden. Die Zahlen zu Zylinder, Köpfen und Sektoren auf der Festplatte haben heute nichts mehr mit der tatächlichen Lage der Sektoren auf der Festplatte zu tun. Es handelt sich um eine logische Plattengeometrie, die nur aus Kompatibilitätsgründen existiert

Eine Partition ist ein zusammenhängender Bereich einer Festplatte, der in der Regel ein Dateisystem enthält.

Jedes Dateisystem muss wissen, wo auf der HDD oder SSD der Anfang bzw. das Ende des Speicherbereichs ist und wie man auf den Speicherbereich zugreifen kann. Soll alles ein großer Speicher sein oder sind doch eher mehrere kleine nützlich? Und wenn das Betriebssystem sogar von dieser Festplatte starten soll: Woher soll der Computer das wissen?

Daher werden Festplatten partitioniert, sprich in Bereiche eingeteilt. Tendenziell kennt das jeder Windows-Nutzer nur zu gut: Alles, was sich unter beispielsweise „C:\“ befindet, ist eine Partition. Alles unter „D:\“ ist eine weitere Partition und so weiter. Dabei kann so eine Partition sowohl eine ganze Festplatte umfassen, als auch nur einen Teil davon. Wie groß diese Teile sind und wie sie heißen, wird in der Partitionstabelle festgehalten; hinzu kommen weitere technische Informationen. Neben der eigentlichen Partitionstabelle wird beim Systemstart auch noch die Information benötigt, was denn überhaupt gebootet werden soll.

Wenn man einen PC oder ein Notebook mit vorinstalliertem Windows kaufen, enthält die Festplatte zumeist zwei Partitionen: eine winzige Partition mit Windows-Boot-Dateien und eine zweite Partition, die den Rest der Festplatte füllt und Windows enthält. Unter Umständen kann es auch weitere Partitionen geben, die beispielsweise ein Recovery-System enthalten.

Um mehrere Betriebssysteme (Windows, Linux etc.) auf einem Rechner zu installieren, benötigt man mehrere Partitionen. Für jedes Betriebssystem ist mindestens eine Partition erforderlich; für Linux sind sogar mehrere Partitionen sinnvoll.

Traditionell wurden diese beiden Aufgaben, Boot-Information und Partitionierung, über die Technologien BIOS (Basic Input Output System) und MBR (Master Boot Record) erledigt. Die modernere Variante läuft über UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) und GPT (GUID Partition Table). BIOS und UEFI sind die Firmware des Computers, also die grundlegendste Software, über die überhaupt erst die Kommunikation zwischen Hardware und weiterer Software wie dem Betriebssystem möglich ist.

Der MBR ist im Grunde eine ganz einfache Angelegenheit: Am Anfang der Festplatte werden schlichtweg der Bootloader, der das Betriebssystem startet, und die Partitionstabelle festgelegt. Sofern es sich nicht um eine Boot-Festplatte handelt, wird nur die Tabelle verwendet. Vereinfacht steht dort nur drin: Partition 1 beginnt an Stelle X, endet an Stelle Y, heißt beispielsweise „D:\“ und ist vom Typ ABC. Als „Typ“ gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Möglichkeiten, beispielsweise „Linux Native“, „FAT32“, „Dynamischer Datenträger“ und viele mehr.

Die GPT-Variante ist ein wenig umfangreicher, aber nicht komplizierter: Zunächst gibt es hier aus Gründen der Abwärtskompatibilität und der Datensicherheit noch den alten MBR, der aber lediglich für Programme gedacht ist, die mit GPT nicht arbeiten können - was heutzutage nur in Ausnahmefällen vorkommen dürfte. Anschließend folgt die GUID-Partitionstabelle, die im Wesentlichen dieselben Informationen anbietet, wie die MBR-Tabelle - schließlich erfüllt sie auch dieselbe Aufgabe. Allerdings gibt es hier noch einige Typen und Informationen mehr und natürlich unterscheidet sich der genaue Aufbau. Das Schöne an Aufbau, Typen und Formatierung dieser Tabellen: Es muss Sie überhaupt nicht interessieren, mit diesen technischen Interna hat Otto Normalverbraucher überhaupt nichts am Hut! Und sie wirken sich auch nicht wirklich auf Ihre Arbeit aus. Einzige Ausnahme: Bei GPT gibt es zwei Sicherungsmechanismen gegen Datenverlust. Zum einen gibt es ein Backup der Tabelle, zum anderen einen Prüfmechanismus, um die Integrität der Tabelle zu gewährleisten und Fehler gegebenenfalls sogar automatisch zu reparieren. Soll heißen: Die Wahrscheinlichkeit von Datenverlust ist bei GPT deutlich geringer.

Und doch gibt es im Endresultat einige Unterschiede, die für Sie sehr wohl relevant sind. Zunächst mal unterstützt MBR lediglich vier sogenannte „Primäre Partitionen“. Wenn Sie mehr Partitionen haben wollen, müssen Sie eine oder mehrere dieser vier Primär-Partitionen als „Erweiterte Partitionen“ erstellen, die sich wiederum in beliebig viele „Logische Partitionen“ unterteilen lassen. Unter Windows merken Sie da im Grunde keinen Unterschied, um was für eine Partition es sich gerade handelt. Aber der Aufbau ist dann doch etwas komplizierter und diese verschachtelten Partitionen können bei Defekten schneller zu Datenverlust führen. Bei GPT können Sie theoretisch beliebig viele Partitionen erstellen, 128 sollten alle Systeme unterstützen - ohne Unterscheidung von primären, erweiterten und logischen Partitionen.

Noch deutlicher für die meisten Anwender: MBR-Partitionierung funktioniert nur bis zu einer Festplattengröße von 2 Terabyte - was heute schon eine Standardgröße ist. GPT schafft hingegen 9,6 Zetabytes, also 9.600 Millionen Terabyte. Da kommt man als Privatperson schon mal ein paar Jährchen mit aus.

Ein weiterer Unterschied liegt im Bootloader: Beim MBR liegt dieser im ersten Sektor der Festplatte, sprich am Anfang des physischen Speichers. Bei GPT befindet er sich hingegen in einer eigenen kleinen Partition, der EFI-Systempartition. Jedes Betriebssystem fügt hier einen eigenen Eintrag hinzu, was Multiboot-Systeme deutlich einfacher und vor allem robuster macht.

Der Master-Boot-Record ist der erste Sektor auf der Festplatte. Er beinhaltet zum einen den „Bootstrap“. Dies ist ein Programm, das von dem BIOS aufgerufen wird, um das eigentliche Betriebssystem zu laden. Zum anderen enthält dieser Sektor auch eine Beschreibung, ob / wie die Festplatte in unterschiedliche Bereiche (Partitionen) unterteilt ist. Diese Beschreibung erfolgt in der sogenannten „Partitionstabelle“. Sie enthält für jede Partition einen Eintrag. Dieser besteht aus der Lage der Partition auf der Festplatte und dem „Typ“ dieser Partition.
Die Master-Boot-Record Partitionstabelle ist eine Tabelle, welche die Unterteilung der Festplatte in Partitionen beschreibt. Sie ist seit der Verbreitung von Festplatten im Jahr 1980 fest definiert und wird von allen Betriebssystemen zwingend vorausgesetzt.

Aus historischen Gründen kann diese Partitionstabelle nur vier Einträge (primäre Partitionen oder erweiterte Partitionen) aufnehmen. Das Format dieses Master-Boot-Records (Bootstrap / Partitionstabelle) ist fest definiert und wird von allen Betriebssystemen zwingend vorausgesetzt.

Es gibt im wesentlichen zwei Partitionsarten: Primärpartitionen und erweiterte Partitionen. Darüber hinaus lassen sich erweiterte Partitionen noch weiter in logische Partitionen unterteilen. Sie können bis zu vier Hauptpartitionen auf dem Festplattenlaufwerk definieren, wovon eine als erweiterte Partition definiert werden kann, d.h. maximal vier Primärpartitionen oder drei Primärpartitionen und eine erweiterte Partition.

In einer Primärpartition können Sie jedes beliebige Betriebssystem sowie Datendateien wie z.B. Programm- und Benutzerdateien speichern. Eine Primärpartition ist logisch formatiert, damit sich ein Dateisystem darauf definieren lässt, das mit dem auf der Partition installierten Betriebssystem kompatibel ist.

Wenn Sie mehrere Betriebssysteme auf Ihrem Festplattenlaufwerk installieren müssen, ist es in der Regel notwendig, mehrere Primärpartitionen zu erstellen, da die meisten Betriebssysteme (vor allem Windows) nur von einer Primärpartition gebootet werden können. Pro Festplatte ist es möglich 4 primäre Partitionen einzurichten, ohne den Bootsektor der Festplatte anzupassen.

Die erweiterte Partition wurde entwickelt, um die willkürliche 4-Partitionen-Begrenzung zu umgehen. Es handelt sich im Prinzip um einen Bereich, in dem Sie den Datenträgerspeicher weiter physikalisch unterteilen können, indem Sie eine unbegrenzte Anzahl logischer Partitionen definieren (weitere physikalische Unterteilungen des Datenträgerspeichers).

Eine erweiterte Partition dient nur indirekt der Datenspeicherung. Der Benutzer muss in der erweiterten Partition logische Partitionen definieren, in denen die Daten gespeichert werden. Logische Partitionen müssen logisch formatiert sein; auf jeder logischen Partition kann ein anderes Dateisystem definiert sein. Nach der logischen Formatierung gilt jede logische Partition als separater Datenträger.

Logische Partitionen können nur innerhalb einer erweiterten Partition definiert werden und sind nur für die Speicherung von Datendateien und Betriebssystemen vorgesehen, die von einer logischen Partition gebootet werden können (z.B. Linux und Windows NT). Betriebssysteme, die von einer logischen Partition gebootet werden können, sollten gewöhnlich in einer logischen Partition installiert werden; damit können Primärpartitionen für andere Zwecke freigehalten werden.

Frage: Wie finde ich die aktuelle Partitionierung von meinem PC?

Das Problem früher waren die Festplatten-Controller die nicht in der Lage waren, einen größeren Adressbereich anzusprechen. Und, der technische Fortschritt und die höheren Kapazitäten von Festplatten wurden schneller eingeführt als neue und bessere Dateisysteme. Vor allem unter Windows-Betriebssystemen war das FAT-Dateisystem (File Allocation Table) lange führend. FAT ermöglichte durch die Zusammenführung mehrerer Blöcke zu einer logischen Ansprecheinheit (Cluster), um die Adressierungsbeschränkung zu umgehen. Es hatte den Nachteil, dass es Festplatten nur bis zu einer bestimmten Kapazität verwalten und die Dateien nicht besonders platzsparend speichern konnte.

Beschränkungen der Partitionsgröße vom Dateisystem:

• FAT16 ⇒ max. Partitionsgröße = 2 GByte
• Nachfolger FAT32 ⇒ 2 TByte
• Über 32 GByte verwendet man üblicherweise das Dateisystem NTFS.

Heutige Gründe für Partitionierungen:

• Installation mehrerer Betriebssysteme
• Einrichten verschiedener Dateisysteme
• Reservierung für eine Windows- oder Linux-Auslagerungsdatei (SWAP-Partition)
• Installationsdateien
• sehr großen Speicher verwalten
• Trennung von Programmen und Daten

Ein physikalisch formatiertes Festplattenlaufwerk muss noch logisch formatiert werden. Durch die logische Formatierung wird ein Dateisystem auf der Festplatte definiert. Erst ein Dateisystem gestattet es einem Betriebssystem wie z.B. DOS, OS/2, Windows 95/98, Windows NT/Windows 2000/WindowsXP/Windows7/Windows8 oder Linux), den verfügbaren Speicher für das Speichern und Laden von Dateien zu nutzen.

Vor der logischen Formatierung kann eine Festplatte in Partitionen unterteilt werden. Auf jeder Partition kann ein Dateisystem (logisches Format) definiert werden. Eine Festplattenpartition, die bereits logisch formatiert ist, wird als Datenträger (Volume) bezeichnet. Als Teil des Formatierungsvorgangs werden Sie durch das Formatierungsprogramm aufgefordert, der Partition einen Namen zuzuweisen, die sogenannte “Datenträgerbezeichnung”. Mit diesem Namen können Sie den Datenträger (die Partition) später identifizieren.

Es gibt zwei unterschiedliche Methoden, den Datenträger high-level zu formatieren:

Die Schnell- und die Normalformatierung.

Sie unterscheiden sich in folgenden Punkten:

Normalformatierung – Es wird eine Suche nach fehlerhaften Sektoren durchgeführt. Diese Suche nimmt den Großteil der Zeit in Anspruch. Anschließend erfolgt das Schreiben der Dateisystem-Metadaten und somit die Löschung der vorhandenen Dateien.

Schnellformatierung – Es werden zwar die Dateien aus dem Inhaltsverzeichnis des Datenträgers beziehungsweise der betreffenden Partition entfernt, die Suche nach fehlerhaften Sektoren wird jedoch ausgelassen.

Bei einer High-Level-Formatierung sind in dem neuen Dateisystem die alten Daten nicht verfügbar, da sie nicht mehr durch entsprechende Verweise im Dateisystem referenziert werden. Sie werden jedoch nicht notwendigerweise gelöscht. Meistens verbleiben sie rein physikalisch auf der Festplatte, bis sie mit neuen Daten überschrieben werden. Solange die verwendeten Datenblöcke nicht erneut beschrieben werden, ist mit entsprechender Software eine weitgehende Wiederherstellung noch möglich, gestaltet sich jedoch schwerer, als wenn die Dateien einfach nur gelöscht würden. Nicht selten können daher via Software nur die einzelnen Dateien, nicht aber die Ordnerstruktur wiederhergestellt werden.

Jeder Computer benötigt ein funktionsfähiges Betriebssystem, auch wenn es lediglich aus den DOS- oder Windows 98-Bootdateien besteht. Verschiedene Betriebssysteme verwenden unterschiedliche Dateisysteme, um auf Datenträger zuzugreifen und die Speicherorte von Daten zu ermitteln. Das Dateisystem bestimmt hierbei die Art der Verwaltung und des Zugriffs auf Dateien auf einem Datenträger.

Die Methoden und Datenstrukturen, die ein Betriebssystem verwendet, um Speicherorte von Dateien auf einer Partition zu ermitteln, werden also als das Dateisystem definiert. Bei den hier besprochenen Dateisystemen handelt es sich um FAT, FAT32, HPFS, NTFS, ReFS, Linux Ext2 und Linux ReiserFS.

Das FAT16-Dateisystem ist das ursprünglich von MS-DOS für die Dateiverwaltung verwendete System. Das FAT (File Allocation Table) ist eine Datenstruktur, die MS-DOS beim Formatieren eines Datenträgers auf demselben erstellt. FAT16-Partitionen können bis zu 2 GB groß sein. Die Größe einer Partition bestimmt die Größe der Cluster, in denen Daten gespeichert werden. Bei einer Partitionsgröße von über einem GB kann dies zu einem erheblichen Speicherverlust führen. FAT16-Partitionen werden bei den meisten Versionen von DOS und Windows 95 eingesetzt und von den folgenden Betriebssystemen unterstützt: Windows 95, Windows 98, Windows NT, Windows 2000, DOS (inklusive MS-DOS, PC-DOS und DR-DOS), OS/2, Linux und viele andere Betriebssysteme.

FAT32 ist ein Dateisystem, das von Microsoft für Windows 95, Version B (OSR2), entwickelt wurde. Es verfügt über die Fähigkeit, 32-Bit-Clusteradressen zu verwalten und unterstützt Partitionen von bis zu 8 GB bei einer Clustergröße von nur 4 KB. Partitionen von bis zu 16 GB können bei einer Clustergröße von 8 KB verwaltet werden, was den unnötigen Verbrauch von Festplattenspeicher aufgrund ineffizienter Clusternutzung deutlich reduzieren kann. FAT32-Partitionen kommen ausschließlich unter Windows 95B oder höher, Windows 98, Windows 2000 und unter neueren Versionen von Linux zum Einsatz.

NTFS (New Technology File System) wurde von Microsoft speziell für die Verwendung mit Windows NT, Windows 2000 und Windows XP entwickelt und unterstützt die verbesserten Sicherheitsmerkmale, die über dieses Betriebssystem zur Verfügung stehen. NTFS unterstützt vollständige Zugriffskontrolle, Dateisystemwiederherstellung und besonders große Datenträger. NTFS-Partitionen werden ausschließlich unter Windows NT (Workstation und Server) sowie unter Windows 2000, Windows XP, Windows 7 und Windows 8 eingesetzt.

ReFS (Resilient File System) ist ein Dateisystem von Microsoft, wobei engl. „resilient“ für „elastisch“, „belastbar“ oder gar „unverwüstlich“ steht. Es wurde mit den Betriebssystemen Windows 8 und Windows Server 2012 als Ergänzung zum NTFS-Dateisystem eingeführt.

Das Ext2-Dateisystem war bis ca. 2002 das Standardsystem für Linux. Ist außerordentlich stabil und sicher, aber leider muss nach einem Systemabsturz (z.B. Stromausfall) eine sehr zeitaufwändige Überprüfung des gesamten Dateisystems durchgeführt werden.

Das Ext3-Dateisystem ist z.Z. das Standardsystem für Linux. Weitgehend kompatibel zu Ext2, hat aber den Vorteil das es über eine Journaling-Funktion verfügt. D.h. nach einem Stromausfall entfällt eine langwierige Überprüfung des gesamten Dateisystems.

Ext4 (Fourth Extended File System): weiterentwickelte Variante von Ext3, unter anderem mit erweiterten Limits.

Das ReiserFS ist eine Weiterentwicklung des Ext2-Dateisystem ist das Standardsystem für Linux (Verbesserte Dateisystemwiederherstellung nach Unterbrechungen im laufenden Betrieb). Linux ReiserFS-Partitionen werden ausschließlich unter Linux-Installationen verwendet.

• HFS

Festplatten Fakten