Kapitel – 2
Einführung in Festplatten
Einführung
In der modernen Computerwelt haben sich Festplatten als der wichtigste Bestandteil eines Computers erwiesen. Heutzutage ist die Festplatte das am häufigsten verwendete primäre Speichergerät zum Speichern aller Arten von Daten und zudem eine der interessantesten Komponenten eines Computers.
Für moderne Computerbenutzer ist es sehr schwierig, sich ein Computerleben ohne Festplatten auch nur vorzustellen, da die meisten von uns heutzutage Milliarden von Bytes an Informationen auf ihren Computern speichern.
Die allerersten Computer hatten überhaupt keinen Speicher. Jedes Mal, wenn Sie ein Programm ausführen wollten, mussten Sie es manuell eingeben. Darüber hinaus machte es vieles von dem, was wir heute als Computertechnik betrachten, unmöglich, da es keine einfache Möglichkeit gab, einen Computer dazu zu bringen, immer wieder mit denselben Daten zu arbeiten. Schnell wurde klar, dass eine Art permanenter Speicher erforderlich war, wenn Computer zu wirklich nützlichen Werkzeugen werden sollten.
Das erste in Computern verwendete Speichermedium war Papier. Programme und Daten wurden mithilfe von Löchern in Lochstreifen oder Lochkarten aufgezeichnet. Ein spezielles Lesegerät verwendet einen Lichtstrahl zum Scannen von Karten oder Bändern. Wo ein Loch war, stand „1“ und wo das Papier den Sensor blockierte, stand „0“ oder umgekehrt.
Dies stellte zwar eine große Verbesserung gegenüber nichts dar, die Verwendung dieser Karten war jedoch immer noch sehr umständlich. Im Grunde genommen musste man das gesamte Programm von Grund auf auf Papier schreiben und im Kopf zum Laufen bringen, bevor man überhaupt versuchen konnte, es auf die Karten zu übertragen, denn wenn man einen Fehler machte, musste man viele Karten neu stanzen. Es war sehr schwierig, sich vorzustellen, womit man arbeitete.
Der nächste große Fortschritt gegenüber dem Papier war die Erfindung des Magnetbands. Da die Aufzeichnung von Informationen der Tonaufzeichnung auf einem Band ähnelte, waren diese Magnetbänder viel flexibler, haltbarer und schneller als Lochstreifen oder Lochkarten.
Natürlich werden Bänder auch heute noch auf modernen Computern verwendet, allerdings als eine Form des Offline- oder Sekundärspeichers. Bevor es Festplatten gab, waren sie für einige Computer der primäre Speicher. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie linear gelesen werden müssen; Das Wechseln von einem Ende des Bandes zum anderen kann mehrere Minuten dauern, sodass ein wahlfreier Zugriff unpraktisch ist.
Kommen wir nun zurück zu unserem Thema. IBM stellte die allererste Festplatte vor , die für die kommerzielle Entwicklung geeignet war. Es war nicht wie die Festplattenlaufwerke, die wir heute verwenden. Sie verwendeten rotierende zylindrische Trommeln, die magnetische Datenmuster speicherten. Die Trommeln waren groß und schwierig zu handhaben. Bei den ersten echten Festplatten hatten die Festplattenköpfe Kontakt mit der Plattenoberfläche. Dies geschah, um es der damals wenig empfindlichen Elektronik zu ermöglichen, die Magnetfelder auf der Plattenoberfläche besser zu lesen. Allerdings waren die Fertigungstechnologien damals noch nicht annähernd so ausgereift wie heute und es war unmöglich, die Plattenoberfläche so glatt zu machen, wie es nötig gewesen wäre, um dem Kopf zu ermöglichen, bei Kontakt mit der Plattenoberfläche bei hoher Geschwindigkeit sanft darüber zu gleiten. Mit der Zeit nutzten sich die Köpfe ab oder die magnetische Beschichtung auf der Oberfläche der Platte wurde abgenutzt.
Als entscheidende Entdeckung der neuen Technologie von IBM, die keinen Kontakt mit der Plattenoberfläche erforderte, wurde sie zur Grundlage moderner Festplatten. Die allererste Festplatte dieses Typs war die IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), die am 13. September 1956 vorgestellt wurde. Diese Festplatte konnte fünf Millionen Zeichen speichern, was ungefähr fünf Megabyte entsprach, bei einer Datenübertragungsrate von 8800 Bytes pro Sekunde.
Im Jahr 1962 stellte IBM die 1301 Advanced Disk File vor. Die wichtigste Errungenschaft dieses Laufwerks war die Entwicklung von Köpfen, die auf einem Luftlager über der Plattenoberfläche schwebten oder flogen, wodurch der Abstand zwischen den Köpfen und der Plattenoberfläche von 800 Mikrozoll auf 250 Mikrozoll reduziert wurde.
Im Jahr 1973 stellte IBM die Festplatte 3340 vor, die gemeinhin als Vater der modernen Festplatte gilt. Sie verfügte über zwei separate Spindeln – eine permanente und eine herausnehmbare – mit jeweils einer Kapazität von 30 MB. Das 1979 eingeführte Modell 3370 von IBM war das erste Plattenlaufwerk mit Dünnschichtköpfen. Im selben Jahr stellte IBM das 3310 vor, das erste Laufwerk mit 8-Zoll-Platten, eine deutliche Verkleinerung gegenüber den 14-Zoll-Platten, die über ein Jahrzehnt lang der Standard gewesen waren.
Die erste Festplatte im 5,25-Zoll-Formfaktor, die in frühen PCs verwendet wurde, war die Seagate ST-506. Sie hatte vier Köpfe und eine Kapazität von 5 MB. IBM ließ die ST-506 aus und entschied sich für die ST-412, eine 10-MB-Festplatte im gleichen Formfaktor, für den IBM PC/XT. Damit war sie die erste Festplatte, die in der PC- und PC-kompatiblen Welt weit verbreitet war.
1983 stellte Rodime die RO352 vor, die erste Festplatte im 3,5-Zoll-Formfaktor, der zu einem der wichtigsten Industriestandards wurde. 1985 stellte Quantum die Hardcard vor, eine 10,5-MB-Festplatte, die auf eine ISA-Erweiterungskarte für PCs passte, die ursprünglich ohne Festplatte auf den Markt gekommen waren.
1986 stellte Conner Peripherals den CP340 vor. Es war das erste Diskettenlaufwerk mit Schwingspule. Im Jahr 1988 führte Conner Peripherals das CP3022 ein, das erste 3,5-Zoll-Laufwerk mit der reduzierten Höhe von 1 Zoll, die heute als „Low Profile“ bezeichnet wird und den Standard für moderne 3,5-Zoll-Laufwerke darstellt. Im selben Jahr stellte PrairieTek ein Laufwerk vor, das 2,5-Zoll-Platten verwendete. Im Jahr 1990 stellte IBM das Diskettenlaufwerk 681 (Redwing) mit einer Kapazität von 857 MB vor. Es war das erste, bei dem sowohl MR- als auch PRML-Köpfe verwendet wurden.
Das 1991 eingeführte Pacifica-Großrechner-Festplattenlaufwerk von IBM war das erste, bei dem das Oxidmedium auf der Plattenoberfläche durch ein Dünnschichtmedium ersetzt wurde. Im selben Jahr wurde die 1820 von Integral Peripherals die erste Festplatte mit 1,8-Zoll-Platten, die später für PC-Card-Laufwerke verwendet wurde. 1992 stellte Hewlett Packard die C3013A vor, das erste 1,3-Zoll-Laufwerk.
In der Geschichte der Festplatten gab es viele Entwicklungen, die den heutigen Laufwerken ihr modernes Design, ihre Form, Leistung und Kapazität verliehen haben. Es ist schwierig, sie in diesem Buch im Einzelnen aufzulisten.
Festplattenkomponenten
Eine Festplatte besteht aus folgenden Hauptkomponenten:
- Platten und Medien
- Schreib-/Leseköpfe
- Kopfschieber, Hebel und Antrieb
- Festplattenspindelmotor
- Steckverbinder und Jumper
- Hauptplatine
- Cache und Cache-Layout
Festplattenkomponenten
Platten und Medien
Jede Festplatte besteht aus einer oder mehreren (in der Regel mehr als einer) runden, flachen Scheiben, die als Platten bezeichnet werden und auf beiden Seiten mit einem speziellen Medienmaterial beschichtet sind, das Informationen in Form magnetischer Muster speichert. Jede Oberfläche jeder Platte auf der Festplatte kann Milliarden von Datenbits speichern.
Platten bestehen aus zwei Hauptmaterialien: einem Trägermaterial, das den Großteil der Platte bildet und ihr Struktur und Festigkeit verleiht, und einer magnetischen Medienbeschichtung, die die magnetischen Impulse speichert, die die Daten darstellen.
Die Qualität der Platten und insbesondere ihrer Medienbeschichtung ist entscheidend. Die Größe der Platten in der Festplatte ist der wichtigste Faktor für ihre gesamten physikalischen Abmessungen, die auch als Formfaktor des Laufwerks bezeichnet werden. Die meisten Laufwerke werden in einem der verschiedenen Standard-Festplattenformfaktoren hergestellt.
Manchmal werden Festplatten anhand einer Größenangabe bezeichnet. Wenn jemand eine 3,5-Zoll-Festplatte hat, bezieht sich dies normalerweise auf den Formfaktor der Platte, und normalerweise wird der Formfaktor anhand der Plattengröße benannt. Die früheren Festplatten hatten eine Nenngröße von 5,25 Zoll, aber heutzutage ist die gängigste Festplattenplattengröße 3,5 Zoll .
Laptop-Laufwerke sind aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringeren Gewichts normalerweise kleiner. Die Platten dieser Laufwerke haben normalerweise einen Durchmesser von 2,5 Zoll oder weniger. 2,5 Zoll ist der Standardformfaktor, aber Laufwerke mit 1,8-Zoll- und sogar 1,0-Zoll-Platten werden in mobilen Geräten immer häufiger verwendet.
Obwohl Laufwerke die Platten so weit wie möglich auf die Breite des physischen Laufwerkspakets ausdehnen, um die Speichermenge zu maximieren, die sie in das Laufwerk packen können, geht der Trend insgesamt zu kleineren Platten. Es gibt Hauptgründe, warum Unternehmen sogar bei Desktop-Geräten auf kleinere Platten umsteigen:
Die starren und steifen Platten sind stoß- und vibrationsresistenter und eignen sich besser für den Einsatz mit Hochgeschwindigkeitsspindeln und anderer Hochleistungshardware. Eine Reduzierung des Durchmessers der Festplattenplatte um den Faktor zwei vervierfacht ihre Steifigkeit ungefähr.
Durch die reduzierte Größe der Platten verringert sich die Distanz, über die der Kopfaktuator die Köpfe hin und her bewegen muss, um zufällige Suchvorgänge durchzuführen. Dies verbessert die Suchzeit und beschleunigt zufällige Lese- und Schreibvorgänge.
Die neuesten Festplattenspindeln werden aus Leistungsgründen immer schneller. Kleinere Platten lassen sich leichter drehen und benötigen weniger leistungsstarke Motoren. Außerdem können sie aus einer angehaltenen Position schneller auf Touren kommen.
Der kleinste heute erhältliche Plattendurchmesser für Festplatten beträgt 1 Zoll. IBMs erstaunliches Micro-Laufwerk hat eine einzelne Platte und ist für den Einsatz in Digitalkameras, Personal Organizern und anderen kleinen Geräten konzipiert. Die winzige Größe der Platten ermöglicht es dem Micro-Laufwerk, mit Batteriestrom zu laufen und in weniger als einer Sekunde herunterzufahren und wieder hochzufahren.
Aus technischer Sicht bedeuten mehr Platten auch mehr Masse und damit eine langsamere Reaktion auf Befehle zum Starten oder Stoppen des Laufwerks. Dies kann durch einen stärkeren Spindelmotor ausgeglichen werden, führt aber zu anderen Kompromissen.
Tatsächlich geht der Trend in letzter Zeit in Richtung Laufwerke mit weniger Kopfarmen und Platten, nicht mehr. Die Flächendichte nimmt weiter zu, was die Herstellung großer Laufwerke ohne Verwendung vieler Platten ermöglicht. Dies ermöglicht es den Herstellern, die Plattenanzahl zu reduzieren, um die Suchzeit zu verbessern, ohne Laufwerke zu entwickeln, die für den Markt zu klein sind.
Der Formfaktor der Festplatte hat auch großen Einfluss auf die Anzahl der Platten in einem Laufwerk. Es gibt mehrere Faktoren, die mit der Anzahl der in der Festplatte verwendeten Platten zusammenhängen. Laufwerke mit vielen Platten sind aufgrund der größeren Masse der Spindeleinheit, der Notwendigkeit einer perfekten Ausrichtung aller Laufwerke und der größeren Schwierigkeit, Geräusche und Vibrationen unter Kontrolle zu halten, schwieriger zu konstruieren.
Selbst dann, obwohl Festplatteningenieure viele Platten in ein bestimmtes Modell einbauen wollten, ist der Formfaktor der standardmäßigen „Slimline“-Festplatten auf 1 Zoll Höhe beschränkt, was die Anzahl der Platten begrenzt, die in eine einzelne Einheit eingebaut werden können. Natürlich arbeiten Ingenieure ständig daran, den erforderlichen Abstand zwischen den Platten zu verringern, damit sie die Anzahl der Platten in Laufwerken einer bestimmten Höhe erhöhen können.
Die magnetischen Muster, aus denen Ihre Daten bestehen, werden in einer sehr dünnen Medienschicht auf den Oberflächen der Platten der Festplatte aufgezeichnet; der Großteil des Materials der Platte wird als Substrat bezeichnet und dient lediglich zur Unterstützung der Medienschicht. Um geeignet zu sein, muss ein Substratmaterial starr, leicht zu verarbeiten, leicht, stabil, magnetisch inert, kostengünstig und leicht verfügbar sein. Das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von Platten ist traditionell eine Aluminiumlegierung, die alle diese Kriterien erfüllt.
Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Platten drehen und die Lese-/Schreibköpfe direkt darüber schweben, müssen die Platten extrem glatt und flach sein. Daher wurden Alternativen zu Aluminium wie Glas, Glasverbundstoffe und Magnesiumlegierungen vorgeschlagen. Es sieht nun zunehmend wahrscheinlicher aus, dass Glas und Verbundstoffe aus Glas der nächste Standard für das Plattensubstrat sein werden. Im Vergleich zu Aluminiumplatten haben Glasplatten mehrere Vorteile:
- Bessere Qualität:
- Verbesserte Steifigkeit:
- Dünnere Platten:
- Thermische Stabilität:
Ein Nachteil von Glas im Vergleich zu Aluminium ist die Zerbrechlichkeit, insbesondere wenn es sehr dünn ist.
Das Trägermaterial, aus dem die Platten bestehen, bildet die Basis, auf der das eigentliche Aufzeichnungsmedium aufgebracht wird. Die Medienschicht ist eine sehr dünne Beschichtung aus magnetischem Material, auf der die eigentlichen Daten gespeichert sind. Sie ist normalerweise nur wenige Millionstel Zoll dick.
Ältere Festplatten verwendeten Oxidmedien. Oxidmedien sind kostengünstig, weisen aber auch mehrere wichtige Nachteile auf. Erstens handelt es sich um ein weiches Material, das durch den Kontakt mit einem Lese-/Schreibkopf leicht beschädigt werden kann. Zweitens ist es nur für relativ niedrigdichte Speicher geeignet. Bei älteren Festplatten mit relativ niedriger Datendichte funktionierte es gut, aber da die Hersteller immer mehr Daten auf demselben Platz unterbringen wollten, war Oxid dieser Aufgabe nicht gewachsen: Die Oxidpartikel wurden für die kleinen Magnetfelder neuerer Designs zu groß.
Heutige Festplatten verwenden Dünnschichtmedien. Dünnschichtmedien bestehen aus einer sehr dünnen Schicht magnetischen Materials, die auf die Oberfläche der Platten aufgebracht wird. Um das Medienmaterial auf die Platten aufzubringen, werden spezielle Herstellungsverfahren eingesetzt.
Im Vergleich zu Oxidmedien sind Dünnschichtmedien viel gleichmäßiger und glatter. Sie haben auch weitaus bessere magnetische Eigenschaften, sodass sie auf derselben Fläche viel mehr Daten speichern können. Nach dem Aufbringen des magnetischen Mediums wird die Oberfläche jeder Platte normalerweise mit einer dünnen Schutzschicht aus Kohlenstoff überzogen. Darüber wird eine superdünne Schmierschicht aufgetragen. Diese Materialien werden verwendet, um die Platte vor Schäden durch versehentlichen Kontakt mit den Köpfen oder anderen Fremdkörpern zu schützen, die in das Laufwerk gelangen könnten.
Lese-/Schreibköpfe
Die Köpfe sind die Lese-/Schreibschnittstelle zum magnetischen physischen Medium, auf dem die Daten auf einer Festplatte gespeichert sind. Die Köpfe wandeln Bits in magnetische Impulse um und speichern sie auf den Platten. Anschließend kehren sie den Vorgang um, wenn die Daten wieder gelesen werden müssen. Köpfe sind einer der teureren Teile der Festplatte, da sie eine Erhöhung der Flächendichte und der Plattendrehgeschwindigkeit ermöglichen.
Obwohl GMR-Köpfe bei den heutigen Festplatten am weitesten verbreitet sind, wurden für Lese-/Schreibköpfe mehrere verschiedene Technologien vorgeschlagen:
- Ferritköpfe
- Metal-In-Gap (MIG)-Köpfe
- Dünnschichtköpfe (TF)
- Anisotrope magnetoresistive (AMR/MR) Köpfe
- Giant Magneto Resistive (GMR) Köpfe
- Kolossale magnetoresistive (CMR) Köpfe
Lese-/Schreibköpfe sind ein äußerst wichtiger Bestandteil der Gesamtleistung der Festplatte, da sie eine so wichtige Rolle bei der Speicherung und dem Abrufen von Daten spielen. Neue Kopftechnologien sind oft der Auslöser für die Erhöhung der Geschwindigkeit und Größe moderner Festplatten. Daher sind Lese-/Schreibköpfe der anspruchsvollste Teil der Festplatte, die selbst ein technologisches Wunderwerk ist.
Jedes zu speichernde Datenbit wird mithilfe einer speziellen Kodierungsmethode auf der Festplatte aufgezeichnet, die Nullen und Einsen in Muster magnetischer Flussumkehrungen übersetzt. Jede Festplattenplatte hat zwei Oberflächen, die im Allgemeinen zum Speichern der Daten verwendet werden, und normalerweise gibt es für jede Oberfläche des Laufwerks einen Kopf. Da die meisten Festplatten ein bis vier Platten haben, haben die meisten Festplatten zwischen zwei und acht Köpfe. Einige größere Laufwerke können 20 Köpfe oder mehr haben. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann nur ein Kopf von der Festplatte lesen oder darauf schreiben. Mit speziellen Schaltkreisen wird gesteuert, welcher Kopf zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv ist.
Der Kopf schwebt über der Oberfläche der Platte und erledigt seine gesamte Arbeit, ohne die Platten jemals physisch zu berühren. Der Abstand zwischen den Köpfen und den Platten wird als Schwebehöhe oder Flughöhe oder Kopfabstand bezeichnet. Die Lese-/Schreibkopfbaugruppen sind mithilfe des Federstahls der Kopfarme federbelastet, wodurch die Schieber gegen die Platten gedrückt werden, wenn die Platte stillsteht.
Dies wird getan, um sicherzustellen, dass die Köpfe nicht von den Platten abdriften. Daher ist die Einhaltung einer exakten Schwebehöhe für den korrekten Betrieb unerlässlich. Wenn die Platte auf Betriebsgeschwindigkeit hochfährt, strömt aufgrund der hohen Geschwindigkeit Luft unter die Gleiter und hebt sie von der Plattenoberfläche ab. Der Abstand zwischen den Platten und den Köpfen ist ein spezifischer Konstruktionsparameter, der von den Herstellern streng kontrolliert wird.
Eine moderne Festplatte hat eine Schwebehöhe von 0,5 Mikrozoll und selbst ein menschliches Haar ist über 2.000 Mikrozoll dick. Deshalb ist es so wichtig, die Festplatte von Schmutz fernzuhalten. Es ist eigentlich ziemlich erstaunlich, wie nah die Köpfe an der Oberfläche der Platten vorbeifliegen, ohne sie zu berühren. Staubpartikel, Fingerabdrücke, ja sogar Rauchpartikel sind ein großes Problem für den Kopf einer Festplatte.
Lese-/Schreibstruktur des Festplattenlaufwerks
Wenn die Flächendichte eines Laufwerks erhöht wird, um Kapazität und Leistung zu verbessern, werden die Magnetfelder kleiner und schwächer. Um dies auszugleichen, müssen entweder die Köpfe empfindlicher gemacht oder die Schwebehöhe verringert werden.
Jedes Mal, wenn die Schwebehöhe verringert wird, müssen die mechanischen Aspekte der Platte angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Platten flacher sind, die Ausrichtung der Plattenbaugruppe und der Lese-/Schreibköpfe perfekt ist und sich kein Staub oder Schmutz auf der Oberfläche der Platten befindet. Vibrationen und Stöße werden ebenfalls zu einem größeren Problem und müssen ausgeglichen werden.
Dies ist ein Grund, warum Hersteller kleinere Platten verwenden und Plattenträger aus Glas einsetzen. Neuere Köpfe wie GMR werden bevorzugt, da sie bei sonst gleichen Bedingungen eine höhere Flughöhe ermöglichen als ältere, weniger empfindliche Köpfe.
Kopfcrash
Da die Lese-/Schreibköpfe einer Festplatte auf einer mikroskopischen Luftschicht über den Platten selbst schweben, ist es möglich, dass die Köpfe unter bestimmten Umständen mit dem Medium auf der Festplatte in Kontakt kommen. Normalerweise berühren die Köpfe die Oberfläche nur, wenn das Laufwerk entweder startet oder stoppt.
Eine moderne Festplatte dreht sich über 100 Mal pro Sekunde. Wenn die Köpfe die Oberfläche der Platte berühren, während sie mit Betriebsgeschwindigkeit läuft, kann dies zu Datenverlust, Schäden an den Köpfen, Schäden an der Oberfläche der Platte oder zu allen drei Ursachen führen. Dies wird normalerweise als Head-Crash bezeichnet, zwei der erschreckendsten Wörter für jeden Computerbenutzer. Die häufigsten Ursachen für Head-Crashes sind Verunreinigungen, die sich im schmalen Spalt zwischen Kopf und Platte festsetzen, sowie Stöße, die während des Betriebs auf die Festplatte einwirken.
Kopfparken
Wenn die Platten nicht rotieren, liegen die Köpfe auf der Oberfläche der Platte. Wenn die Platten rotieren, reiben die Köpfe an der Oberfläche der Platten, bis sie schnell genug sind, um abzuheben und auf ihrem Luftkissen zu schweben. Wenn das Laufwerk langsamer wird, wiederholt sich der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge. In beiden Fällen haben die Köpfe während der Bewegung eine Zeit lang Kontakt mit der Oberfläche der Platte.
Obwohl bei der Entwicklung der Platten und Köpfe berücksichtigt wird, dass dieser Kontakt auftreten wird, ist es dennoch sinnvoll, dies in einem Festplattenbereich zu vermeiden, in dem sich Daten befinden.
Aus diesem Grund haben die meisten Festplatten eine spezielle Spur, die als Ablage für die Köpfe beim Starten und Landen vorgesehen ist. Dieser Bereich wird als Landezone bezeichnet und enthält keine Daten. Der Vorgang, die Köpfe in diesen dafür vorgesehenen Bereich zu bewegen, wird als Kopfparken bezeichnet.
Fast alle neuen Betriebssysteme verfügen über eine integrierte Funktion zum automatischen Parken der Köpfe, wenn dies erforderlich ist. Die meisten frühen Festplatten, die Schrittmotoren verwendeten, parkten die Köpfe der Festplatte nicht automatisch. Aus Sicherheitsgründen wurden daher viele kleine Dienstprogramme geschrieben, die der Benutzer ausführen konnte, bevor er den PC dieser Tage herunterfuhr. Das Dienstprogramm wies die Festplatte an, die Köpfe in die Landezone zu bewegen, und dann konnte der PC sicher heruntergefahren werden.
Ein Parameter im BIOS-Setup für die Festplatte teilt dem System mit, welche Spur die Landezone für das jeweilige Festplattenmodell war. Normalerweise war es die nächste fortlaufende Nummer über der Spur mit der höchsten Nummer, die tatsächlich für Daten verwendet wurde. Moderne Festplattenlaufwerke mit Schwingspulenantrieb verfügen alle über eine automatische Parkfunktion. Es ist heute nicht mehr notwendig, die Köpfe moderner Festplatten manuell zu parken.
Kopfschieber, Arme und Aktuator
Wenn auf die Festplattenplatten für Lese- und Schreibvorgänge zugegriffen wird, verwenden Sie dazu die auf der Ober- und Unterseite jeder Platte angebrachten Lese-/Schreibköpfe. Es ist offensichtlich, dass die Lese-/Schreibköpfe nicht einfach im Raum schweben. Sie müssen in einer exakten Position relativ zu den Oberflächen gehalten werden, die sie lesen, und sie müssen außerdem von Spur zu Spur bewegt werden, um Zugriff auf die gesamte Oberfläche der Platte zu ermöglichen.
Die Köpfe sind auf einer Struktur montiert, die diesen Vorgang erleichtert und die oft als Kopfbaugruppe, Aktuatorbaugruppe oder Kopf-Aktuator-Baugruppe bezeichnet wird. Sie besteht aus mehreren verschiedenen Teilen. Die Köpfe selbst sind auf Kopfgleitern montiert. Die Gleiter sind an den Enden der Kopfarme über der Oberfläche der Platte aufgehängt. Die Kopfarme sind alle mechanisch zu einer einzigen Struktur verschmolzen, die vom Aktuator über die Oberfläche der Platte bewegt wird.
Kopfschieber
Jeder Festplattenkopf ist an einem speziellen Gerät montiert, das als Kopfschieber oder kurz Schieber bezeichnet wird. Die Funktion des Schiebers besteht darin, den Kopf physisch zu stützen und ihn in der richtigen Position relativ zur Platte zu halten, während der Kopf über die Oberfläche schwebt. Lese-/Schreibköpfe von Festplatten sind zu klein, um verwendet zu werden, ohne sie an einer größeren Einheit anzubringen.
Schieber erhalten eine spezielle Form, damit sie präzise über die Platte gleiten. Da die Lese-/Schreibköpfe von Festplatten immer kleiner werden, sind auch die Schieber, die sie tragen, kleiner geworden. Der Hauptvorteil der Verwendung kleiner Schieber besteht darin, dass das Gewicht, das über die Oberfläche der Platte gezogen werden muss, reduziert wird, was sowohl die Positionierungsgeschwindigkeit als auch die Genauigkeit verbessert. Kleinere Schieber haben auch weniger Oberfläche, die möglicherweise mit der Oberfläche der Platte in Kontakt kommt. Jeder Schieber ist auf einem Kopfarm montiert, damit er über die Oberfläche der Platte bewegt werden kann, mit der er verbunden ist.
Kopf Arme
Die Kopfarme sind dünne Metallstücke, meist dreieckig, auf denen die Kopfschieber mit den Lese-/Schreibköpfen montiert sind. Es gibt einen Arm pro Lese-/Schreibkopf, und alle sind in einer Reihe angeordnet und am Kopfantrieb montiert, um eine einzelne Einheit zu bilden.
Das bedeutet, dass sich bei Bewegung des Aktuators alle Köpfe synchron bewegen. Die Arme selbst bestehen aus einem leichten, dünnen Material, damit sie schnell vom inneren zum äußeren Teil des Laufwerks bewegt werden können. Neuere Designs haben feste Arme durch strukturelle Formen ersetzt, um das Gewicht zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.
Neuere Laufwerke erreichen schnellere Suchzeiten teilweise durch die Verwendung schnellerer und intelligenterer Aktuatoren und leichterer, steiferer Kopfarme, wodurch die Zeit zum Wechseln zwischen den Spuren verkürzt werden kann. Ein aktueller Trend in der Festplattenindustrie ist die Reduzierung der Anzahl der Platten in verschiedenen Laufwerksfamilien. Sogar einige Flaggschiff-Laufwerke verschiedener Familien haben jetzt nur noch drei oder sogar zwei Platten, während vor etwa einem Jahr noch vier oder fünf üblich waren.
Ein Grund für diesen Trend ist, dass es bei einer großen Anzahl von Kopfarmen schwierig ist, das Laufwerk mit ausreichender Präzision herzustellen, um eine sehr schnelle Positionierung bei zufälligen Suchvorgängen zu ermöglichen. Dies liegt am erhöhten Gewicht der Antriebsbaugruppe durch die zusätzlichen Arme und auch an Problemen bei der Ausrichtung aller Köpfe.
Kopfantrieb
Der Aktuator ist ein sehr wichtiger Teil der Festplatte, da der Wechsel von Spur zu Spur die einzige Operation auf der Festplatte ist, die eine aktive Bewegung erfordert. Der Wechsel der Köpfe ist eine elektronische Funktion, und beim Wechseln der Sektoren muss man warten, bis die richtige Sektornummer sich dreht und unter den Kopf kommt. Beim Wechseln der Spuren müssen die Köpfe verschoben werden, und daher ist es von größter Bedeutung, dass diese Bewegung schnell und genau durchgeführt werden kann.
Der Aktuator ist das Gerät, mit dem die Kopfarme auf verschiedene Spuren auf der Oberfläche der Platte auf verschiedene Zylinder positioniert werden. Da alle Kopfarme als synchrone Einheit bewegt werden, bewegt sich jeder Arm zur gleichen Spurnummer seiner jeweiligen Oberfläche. Kopfaktuatoren gibt es in zwei allgemeinen Varianten:
- Schrittmotoren
- Schwingspulen
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Designs besteht darin, dass der Schrittmotor ein absolutes Positionierungssystem ist, während die Schwingspule ein relatives Positionierungssystem ist.
Alle modernen Festplatten verwenden Schwingspulenantriebe. Der Schwingspulenantrieb ist nicht nur viel anpassungsfähiger und unempfindlicher gegenüber thermischen Problemen. Er ist auch viel schneller und zuverlässiger als ein Schrittmotor. Die Positionierung des Antriebs ist dynamisch und basiert auf Rückmeldungen aus der Untersuchung der tatsächlichen Position der Spuren. Dieses geschlossene Rückkopplungssystem wird manchmal auch Servomotor oder Servopositionierungssystem genannt und wird häufig in Tausenden verschiedener Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Positionierung wichtig ist.
Spindelmotor
Der Spindelmotor oder die Spindelwelle ist für das Drehen der Festplattenplatten verantwortlich, damit die Festplatte funktioniert. Ein Spindelmotor muss über Tausende von Stunden oft kontinuierlichen Betriebs eine stabile, zuverlässige und konstante Drehleistung liefern, damit die Festplatte ordnungsgemäß funktioniert, da viele Laufwerksfehler tatsächlich auf Fehler des Spindelmotors und nicht der Datenspeichersysteme zurückzuführen sind.
Der Spindelmotor einer Festplatte muss die folgenden Eigenschaften besitzen, um lange zu halten und Ihre Daten lange Zeit sicher aufzubewahren:
- Es muss von hoher Qualität sein, damit es Tausende von Stunden laufen und Tausende von Start- und Stoppzyklen überstehen kann, ohne auszufallen.
- Aufgrund der engen Toleranzen der Platten und Köpfe im Laufwerk muss ein reibungsloser Betrieb mit minimaler Vibration gewährleistet sein.
- Es darf keine übermäßige Hitze oder Lärm erzeugen.
- Es sollte nicht zu viel Strom verbrauchen.
- Die Geschwindigkeit muss geregelt werden, damit es sich mit der richtigen Geschwindigkeit dreht.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, verwenden alle PC-Festplatten servogesteuerte Gleichstromspindelmotoren. Festplattenspindelmotoren sind für den Direktanschluss konfiguriert. Sie werden nicht über Riemen oder Zahnräder mit der Festplattenspindel verbunden. Die Spindel, auf der die Platten montiert sind, ist direkt mit der Welle des Motors verbunden.
Die Platten werden mit einem Loch in der exakten Größe der Spindel bearbeitet und mit Distanzringen dazwischen auf die Spindel gesetzt, um den richtigen Abstand einzuhalten und Platz für die Kopfarme zu schaffen. Die Menge an Arbeit, die der Spindelmotor leisten muss, hängt von folgenden Faktoren ab:
Die Größe und Anzahl der Platten: Größere Platten und mehr Platten in einem Laufwerk bedeuten mehr Masse, die der Motor drehen muss, sodass leistungsstärkere Motoren erforderlich sind. Dasselbe gilt für Laufwerke mit höherer Geschwindigkeit.
o Energiemanagement: Heutzutage wünschen sich Benutzer zunehmend Festplatten, die schnell aus dem Stand auf Betriebsgeschwindigkeit hochfahren können, was auch schnellere oder leistungsstärkere Motoren erfordert.
Da die Spindeldrehzahl bei neueren Festplatten ein wichtiger Aspekt sein sollte, ist es bei Festplatten auch wichtig geworden, die Menge an Lärm, Wärme und Vibrationen zu kontrollieren, die durch die hohe Spindeldrehzahl von den Festplatten erzeugt werden.
Einige neuere Laufwerke, insbesondere Modelle mit 7.200 und 10.000 U/min, können im Betrieb sehr laut sein. Wenn möglich, ist es eine gute Idee, eine Festplatte vor dem Kauf im Betrieb zu testen, um den Geräuschpegel einzuschätzen und zu sehen, ob er Sie stört; dieser kann von Person zu Person sehr unterschiedlich sein. Die Geräuschentwicklung variiert in gewissem Maße je nach Laufwerk, sogar innerhalb derselben Familie. Die vom Spindelmotor erzeugte Hitze kann die Festplatte schließlich beschädigen, weshalb bei neueren Laufwerken und Festplatten der Kühlung mehr Aufmerksamkeit gewidmet wird.
Steckverbinder und Jumper
Auf einer Festplatte gibt es verschiedene Anschlüsse und Jumper, mit denen die Festplatte konfiguriert und mit dem Rest des Systems verbunden wird. Anzahl und Art der Anschlüsse auf der Festplatte hängen von der Datenschnittstelle ab, die sie für die Verbindung mit dem System verwendet, vom Hersteller der Festplatte und von etwaigen Sonderfunktionen der Festplatte.
Anweisungen zum Einstellen gängiger Jumper sind normalerweise direkt auf dem Laufwerk aufgedruckt. Festplattenlaufwerke verwenden einen standardmäßigen 4-poligen Stecker, der einen der Stromanschlüsse vom Netzteil aufnimmt. Dieser 4-adrige Kunststoffstecker versorgt die Festplatte mit +5 und +12 Volt.
Es gibt zwei Arten von Schnittstellen, von denen moderne Festplatten normalerweise eine verwenden:
- IDE/ATA: Es verfügt über einen rechteckigen 40-poligen Anschluss.
- SCSI: Ein 50-poliger, 68-poliger oder 80-poliger D-förmiger Anschluss. Alle drei Pinnummern stehen für einen anderen Typ von SCSI-Festplatte, z. B.:
- Ein 50-poliger Anschluss bedeutet, dass es sich bei dem Gerät um ein Narrow SCSI-Gerät handelt.
- 68 Pins bedeuten Wide SCSI.
- 80 Pins bedeuten Wide SCSI mit Single Connector Attachment (SCA).
Steckverbinder und Jumper
Die Anschlüsse von Festplattenlaufwerken haben im Allgemeinen die Form eines rechteckigen 2xN-Rasters mit Pins (wobei N je nach Schnittstelle 20, 25, 34 oder 40 ist) . Die meisten aktuellen SCSI-Schnittstellenanschlüsse sind kodiert, um ein falsches Einstecken zu verhindern, da sie D-förmig sind. Bei anderen Schnittstellen ist dies nicht immer der Fall.
Aus diesem Grund ist es wichtig, vor dem Einstecken darauf zu achten, dass das Kabel richtig ausgerichtet ist. Auf dem Kabel ist Ader 1 mit einem roten Streifen gekennzeichnet und auf der Festplatte sind Markierungen der einen oder anderen Art zu sehen, die den passenden Pin 1 kennzeichnen.
IDE/ATA-Festplatten haben in Bezug auf Jumper einen ziemlich standardisierten Aufbau. Normalerweise gibt es nur wenige Jumpereinstellungen und diese unterscheiden sich nicht sehr von Laufwerk zu Laufwerk. Hier sind die Jumpereinstellungen, die Sie normalerweise auf einer Festplatte finden:
Laufwerkauswahl: Es können zwei Laufwerke, Master und Slave, auf demselben IDE-Kanal vorhanden sein. Normalerweise wird mit einem Jumper jedem Laufwerk mitgeteilt, ob es als Master oder Slave auf dem IDE-Kanal fungieren soll.
Bei einem einzelnen Laufwerk auf einem Kanal empfehlen die meisten Hersteller, das Laufwerk als Master zu programmieren, während einige Hersteller, insbesondere Western Digital, eine separate Einstellung für ein einzelnes Laufwerk anstelle eines Masters auf einem Kanal mit einem Slave haben. Die Begriffe Master und Slave sind irreführend, da die Laufwerke in Wirklichkeit keine betriebliche Beziehung haben.
Slave vorhanden: Einige Laufwerke verfügen über einen zusätzlichen Jumper, der einem als Master konfigurierten Laufwerk mitteilt, dass sich auch ein Slave-Laufwerk auf dem ATA-Kanal befindet. Dies ist nur für einige ältere Laufwerke erforderlich, die die standardmäßige Master/Slave-IDE-Kanalsignalisierung nicht unterstützen.
Kabelauswahl: Einige Konfigurationen verwenden ein spezielles Kabel, um zu bestimmen, welches Laufwerk Master und welches Slave ist. Bei Verwendung dieses Systems ist normalerweise ein Kabelauswahl-Jumper aktiviert.
Jumper zur Größenbeschränkung: Einige größere Festplatten funktionieren in älteren Computern nicht richtig, da sie nicht über ein BIOS-Programm oder eine Unterstützung für große Festplatten verfügen. Um dies zu umgehen, verfügen einige Laufwerke über spezielle Jumper, die, wenn sie gesetzt sind, dazu führen, dass sie im BIOS aus Kompatibilitätsgründen kleiner angezeigt werden, als sie tatsächlich sind.
Beispielsweise verfügen einige 2,5-GB-Festplatten über einen Jumper, der sie in einem System, das keine Festplatten mit mehr als 2,1 GB unterstützt, als 2,1-GB-Festplatten erscheinen lässt. Diese Jumper werden manchmal auch als Kapazitätsbegrenzungsjumper bezeichnet und variieren von Hersteller zu Hersteller.
Beispiel für die Jumpereinstellung eines Festplattenmodells von Seagate Technology
SCSI-Festplatten haben ausgefeiltere Controller als IDE/ATA-Festplatten. Daher verfügen SCSI-Festplatten normalerweise über viel mehr Jumper, die zur Steuerung ihres Betriebs eingestellt werden können. Die Anzahl und Art der Jumper variiert von Hersteller zu Hersteller und von Modell zu Modell auch viel stärker.
Im Folgenden sind die gebräuchlichsten und wichtigsten Jumper für SCSI-Laufwerke aufgeführt:
SCSI-Geräte-ID: Jedes Gerät an einem SCSI-Bus muss zu Adressierungszwecken eindeutig identifiziert werden. Schmale SCSI-Laufwerke verfügen über einen Satz von drei Jumpern, mit denen der Festplatte eine ID-Nummer von 0 bis 7 zugewiesen werden kann. Breite SCSI-Laufwerke verfügen über vier Jumper, um ID-Nummern von 0 bis 15 zu aktivieren. Einige Systeme verwenden keine Jumper, um SCSI-Geräte-IDs zu konfigurieren.
Jumper für SCSI-Laufwerke
Terminierung aktivieren: Die Geräte an den Enden des SCSI-Busses müssen den Bus terminieren, damit er richtig funktioniert. Wenn sich die Festplatte am Ende des Busses befindet, bewirkt das Setzen dieses Jumpers, dass der Bus terminiert wird, damit der ordnungsgemäße Betrieb gewährleistet ist. Nicht alle Laufwerke unterstützen die Terminierung.
Autostart deaktivieren: Wenn dieser Jumper vorhanden ist, weist er das Laufwerk an, nicht automatisch hochzufahren, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, sondern stattdessen auf einen Startbefehl über den SCSI-Bus zu warten. Dies wird normalerweise getan, um eine übermäßige Startlast des Netzteils zu vermeiden. Einige Hersteller kehren die Bedeutung dieses Jumpers um; sie deaktivieren den Start standardmäßig und stellen einen Jumper zum Aktivieren des Autostarts zur Verfügung.
Autostart verzögern: Dieser Jumper weist das Laufwerk an, automatisch zu starten, aber nach dem Einschalten eine vordefinierte Anzahl von Sekunden zu warten. Er wird auch verwendet, um die Motorstartlast bei Systemen mit vielen Laufwerken auszugleichen.
Stagger Spin: Wenn bei einem System mit vielen Festplatten diese Option für jede Einheit eingestellt ist, staffeln die Laufwerke ihre Startzeit, indem sie eine benutzerdefinierte Konstante mit ihrer SCSI-Geräte-ID multiplizieren. Dadurch wird sichergestellt, dass nicht zwei Laufwerke auf demselben SCSI-Kanal gleichzeitig starten.
Schmal oder breit: Einige Laufwerke verfügen über einen Jumper, um zu steuern, ob sie im schmalen oder breiten Modus funktionieren.
Force SE: Ermöglicht die Erzwingung des Single-Ended-Betriebs (SE) bei Ultra2-, Wide Ultra2-, Ultra160-, Ultra160+- oder anderen LVD-SCSI-Laufwerken anstelle des LVD-Betriebs (Low Voltage Differential).
Parität deaktivieren: Deaktiviert die Paritätsprüfung auf dem SCSI-Bus, um die Kompatibilität mit Hostadaptern zu gewährleisten, die diese Funktionen nicht unterstützen.
Das ist aber noch nicht alles. Viele SCSI-Laufwerke verfügen über einige zusätzliche Spezialfunktionen, die durch zusätzliche Jumper aktiviert werden. Bei manchen Laufwerken wurden einige Jumper durch Softwarebefehle ersetzt, die über die SCSI-Schnittstelle gesendet werden.
Hauptplatine
Die neueren Festplattenlaufwerke wurden mit vielen Funktionen und höherer Geschwindigkeit eingeführt und die Entwicklung ist noch im Gange. Um all diese Funktionen zu steuern und die Hochleistungsfunktionen der Festplatte in der erwarteten Weise bereitzustellen, werden alle modernen Festplatten mit einer intelligenten Platine ausgestattet, die in die Festplatteneinheit integriert ist. Diese Platine wird als Festplatten-Logikplatine bezeichnet. Eine Logikplatine verwendet die folgenden wichtigen Komponenten, um einer Festplatte eine Vielzahl von Funktionen und Merkmalen bereitzustellen:
- Steuerschaltkreis
- Sensor-, Verstärkungs- und Konvertierungsschaltungen
- Schnittstellenhardware
- Firmware
- Steuerung und Neuanordnung mehrerer Befehle
Die beiden heute am häufigsten verwendeten Schnittstellen für PC-Festplatten, IDE (Integrated Drive Electronics) und SCSI (Small Computer Systems Interface), verwenden integrierte Controller . Die korrektere Bezeichnung für die IDE-Schnittstelle lautet AT Attachment oder ATA (Advanced Technology Attachment). Die modernen Festplatten verfügen über eine sehr ausgefeilte Hauptplatine, die mehr Speicher und schnellere interne Prozessoren enthält als ein kompletter PC aus der Mitte der 1980er Jahre.
Die Hauptplatine erfüllt heute mehrere wichtige Funktionen. Daher müssen die Logikschaltkreise leistungsfähiger sein, um Änderungen wie Geometrieübersetzung, erweiterte Zuverlässigkeitsfunktionen, kompliziertere Kopftechnologien, schnellere Schnittstellen und Datenstreaming mit höherer Bandbreite von der Festplatte selbst zu verarbeiten.
Die interne Hauptplatine einer Festplatte enthält einen Mikroprozessor und internen Speicher sowie weitere Strukturen und Schaltkreise, die steuern, was im Inneren des Laufwerks passiert. Einige der wichtigsten Funktionen der Steuerschaltkreise des Laufwerks sind folgende:
- Steuern des Spindelmotors, einschließlich Sicherstellen, dass die Spindel mit der richtigen Geschwindigkeit läuft.
- Steuerung der Bewegung des Antriebs auf verschiedenen Spuren.
- Verwalten aller Lese- und Schreibvorgänge.
- Implementieren von Energieverwaltungsfunktionen.
- Handhabung der Geometrieübersetzung.
- Verwalten des internen Cache und Optimierungsfunktionen wie Prefetch.
- Koordinieren und Integrieren der anderen in diesem Abschnitt genannten Funktionen, wie etwa des Informationsflusses über die Festplattenschnittstelle, der Optimierung mehrerer Anfragen, der Konvertierung von Daten in und aus der von den Lese-/Schreibköpfen benötigten Form usw.
- Implementierung aller erweiterten Leistungs- und Zuverlässigkeitsfunktionen.
Moderne Festplatten haben interne Mikroprozessoren und die meisten von ihnen verfügen auch über interne Software, die sie steuert. Diese Routinen führen die Steuerlogik aus und sorgen dafür, dass das Laufwerk funktioniert. Tatsächlich handelt es sich dabei nicht wirklich um Software im herkömmlichen Sinne, da diese Anweisungen in einen Nur-Lese-Speicher eingebettet sind. Dieser Code ist analog zum System-BIOS, hardwarebasierten Low-Level-Steuerroutinen, die in einen ROM eingebettet sind. Er wird normalerweise als Firmware bezeichnet.
Aus diesem Grund wird die Firmware manchmal als Bindeglied zwischen Hardware und Software bezeichnet. Bei vielen Laufwerken kann die Firmware softwaregesteuert aktualisiert werden.
Cache und Cache-Schaltkreise
Die Funktion des integrierten Caches (oft auch Puffer genannt) einer Festplatte besteht darin, als Puffer zwischen einem relativ schnellen und einem relativ langsamen Gerät zu fungieren. Bei Festplatten wird der Cache verwendet, um die Ergebnisse der letzten Lesevorgänge von der Festplatte zu speichern und auch um Informationen vorab abzurufen, die wahrscheinlich in naher Zukunft angefordert werden, z. B. den Sektor oder die Sektoren unmittelbar nach dem gerade angeforderten.
Der Zweck dieses Caches ist also dem anderer im PC verwendeter Caches nicht unähnlich, auch wenn er normalerweise nicht als Teil der regulären PC-Cache-Hierarchie betrachtet wird. Sie sollten immer bedenken, dass, wenn jemand allgemein von einem Festplattencache spricht, er sich normalerweise nicht auf diesen kleinen Speicherbereich innerhalb der Festplatte bezieht, sondern eher auf einen Cache des Systemspeichers, der zum Puffern von Zugriffen auf das Festplattensystem reserviert ist.
Die Verwendung von Cache verbessert die Leistung jeder Festplatte, indem die Anzahl der physischen Zugriffe auf die Festplatte bei wiederholten Lesevorgängen verringert wird und Daten ohne Unterbrechung von der Festplatte gestreamt werden können, wenn der Bus ausgelastet ist. Die meisten modernen Festplatten haben zwischen 512 KB und 2 MB internen Cache-Speicher, und einige Hochleistungs-SCSI-Laufwerke haben sogar bis zu 16 MB.
Der Cache einer Festplatte ist wichtig, da die Geschwindigkeiten von Festplatte und Festplattenschnittstelle sehr unterschiedlich sind. Das Auffinden eines Datenelements auf der Festplatte erfordert eine zufällige Positionierung und führt zu einer Verzögerung von Millisekunden, da der Festplattenantrieb bewegt wird und die Festplatte sich auf der Spindel dreht. Aus diesem Grund verfügen Festplatten über interne Puffer.
Das Grundprinzip hinter der Funktionsweise eines einfachen Caches ist unkompliziert. Das Lesen von Daten von der Festplatte erfolgt im Allgemeinen in Blöcken unterschiedlicher Größe und nicht nur in einem 512-Byte-Sektor auf einmal. Der Cache ist in Segmente oder Teile aufgeteilt, von denen jedes einen Datenblock enthalten kann.
Wenn Daten von der Festplatte angefordert werden, wird zunächst die Cache-Schaltung abgefragt, um festzustellen, ob die Daten in einem der Cache-Segmente vorhanden sind. Wenn dies der Fall ist, werden sie der Hauptplatine bereitgestellt, ohne dass ein Zugriff auf die Festplattenplatten erforderlich ist. Wenn die Daten nicht im Cache vorhanden sind, werden sie von der Festplatte gelesen, dem Controller bereitgestellt und dann für den Fall, dass sie erneut angefordert werden, in den Cache gestellt.
Da die Größe des Caches begrenzt ist, können nur eine bestimmte Anzahl von Daten gespeichert werden, bevor die Segmente wiederverwendet werden müssen. Normalerweise werden die ältesten Daten durch die neuesten ersetzt. Dies wird als zirkuläres, First-In-First-Out-(FIFO-) oder Wrap-Around-Caching bezeichnet.
Um die Leistung zu verbessern, haben die meisten Festplattenhersteller heutzutage Verbesserungen an ihren Cache-Verwaltungsschaltkreisen vorgenommen, insbesondere bei High-End-SCSI-Laufwerken:
Adaptive Segmentierung: Herkömmliche Caches sind in mehrere gleich große Segmente aufgeteilt. Da Datenblöcke unterschiedlicher Größe angefordert werden können, kann dies dazu führen, dass ein Teil des Cachespeichers in einigen Segmenten übrig bleibt und somit verschwendet wird. Viele neuere Laufwerke passen die Größe der Segmente dynamisch an, je nachdem, wie viel Speicherplatz für jeden Zugriff benötigt wird, um eine bessere Auslastung zu gewährleisten. Auch die Anzahl der Segmente kann geändert werden. Dies ist komplexer zu handhaben als Segmente mit fester Größe und kann selbst zu Verschwendung führen, wenn der Speicherplatz nicht richtig verwaltet wird.
Pre-Fetch: Die Cache-Logik eines Laufwerks versucht auf Grundlage der Analyse von Zugriffs- und Nutzungsmustern des Laufwerks, einen Teil der Daten in den Cache zu laden, die noch nicht angefordert wurden, von denen aber erwartet wird, dass sie bald angefordert werden. Normalerweise bedeutet dies, dass zusätzlich zu den gerade von der Festplatte gelesenen Daten weitere Daten geladen werden, da statistisch gesehen die Wahrscheinlichkeit höher ist, dass diese als nächstes angefordert werden. Bei korrekter Ausführung verbessert dies die Leistung in gewissem Maße.
Benutzersteuerung: High-End-Laufwerke verfügen über eine Reihe von Befehlen, die dem Benutzer eine detaillierte Steuerung des Laufwerks-Cache-Betriebs ermöglichen. Dazu gehört, dass der Benutzer das Caching aktivieren oder deaktivieren, die Größe der Segmente festlegen, die adaptive Segmentierung und den Prefetch ein- oder ausschalten usw. kann.
Obwohl der interne Puffer die Leistung offensichtlich verbessert, hat er auch seine Grenzen. Er hilft wenig, wenn Sie viele wahlfreie Zugriffe auf Daten in verschiedenen Teilen der Festplatte haben, denn wenn die Festplatte in der Vergangenheit keine Daten geladen hat, sind diese nicht im Cache.
Der Puffer ist auch wenig hilfreich, wenn Sie eine große Datenmenge von der Festplatte lesen, da er normalerweise sehr klein ist, wenn Sie eine 50 MB große Datei kopieren. Auf einer typischen Festplatte mit einem 512 Byte großen Puffer könnte sich beispielsweise ein sehr kleiner Teil der Datei im Puffer befinden und der Rest muss von der Festplatte selbst gelesen werden.
Aufgrund dieser Einschränkungen hat der Cache keinen so großen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems, wie Sie vielleicht denken. Wie sehr er hilft, hängt in gewissem Maße von seiner Größe ab, aber mindestens genauso sehr von der Intelligenz seiner Schaltkreise; genau wie die Logik der Festplatte insgesamt. Und genau wie bei der Logik insgesamt ist es in vielen Fällen schwierig, genau zu bestimmen, wie die Cache-Logik auf einem bestimmten Laufwerk aussieht. Die Größe des Cache der Festplatte ist jedoch wichtig für seinen Gesamteinfluss auf die Verbesserung der Systemleistung.
Das Zwischenspeichern von Lesevorgängen von der Festplatte und das Zwischenspeichern von Schreibvorgängen auf die Festplatte ähneln sich in mancher Hinsicht, unterscheiden sich jedoch in anderer Hinsicht erheblich. Ihr übergeordnetes Ziel ist es, den schnellen Computer von der langsamen Mechanik der Festplatte zu entkoppeln. Der Hauptunterschied besteht darin, dass beim Schreiben eine Änderung an der Festplatte vorgenommen wird, während dies beim Lesen nicht der Fall ist.
Ohne Schreibcache ist jeder Schreibvorgang auf der Festplatte mit einem Leistungsverlust verbunden, während das System darauf wartet, dass die Festplatte auf die richtige Stelle auf der Festplatte zugreift und die Daten schreibt. Dies dauert auf den meisten Laufwerken mindestens 10 Millisekunden, was in der Computerwelt eine lange Zeit ist und die Leistung erheblich verlangsamt, während das System auf die Festplatte wartet. Dieser Betriebsmodus wird als Write-Through-Caching bezeichnet.
Wenn der Schreibcache aktiviert ist und das System einen Schreibvorgang an die Festplatte sendet, zeichnet die Logikschaltung den Schreibvorgang in ihrem viel schnelleren Cache auf und sendet dann sofort eine Bestätigung an das Betriebssystem zurück, dass der Vorgang abgeschlossen ist. Der Rest des Systems kann dann fortfahren, ohne darauf warten zu müssen, dass der Aktuator in Position gebracht und die Platte rotiert usw. Dies wird als Write-Back-Caching bezeichnet, da die Daten im Cache gespeichert und erst später wieder auf die Platten geschrieben werden. Die Write-Back-Funktionalität verbessert natürlich die Leistung.
Da der Cache-Speicher flüchtig ist, geht sein Inhalt bei einem Stromausfall verloren. Wenn sich im Cache noch ausstehende Schreibvorgänge befanden, die noch nicht auf die Festplatte geschrieben wurden, sind diese für immer verloren und der Rest des Systems kann dies nicht wissen, da die Festplatte dies als abgeschlossen meldet. Daher gehen nicht nur einige Daten verloren, sondern das System weiß auch nicht einmal, welche Daten es sind oder dass dies passiert ist. Das Endergebnis können Dateikonsistenzprobleme, Beschädigungen des Betriebssystems usw. sein. Aufgrund dieses Risikos wird in einigen Situationen überhaupt kein Schreibcache verwendet.
Dies gilt insbesondere für Anwendungen, bei denen eine hohe Datenintegrität von entscheidender Bedeutung ist. Aufgrund der Leistungsverbesserung, die Schreib-Cache bietet, wird es jedoch trotz des Risikos zunehmend verwendet, und das Risiko wird durch den Einsatz zusätzlicher Technologie gemindert.
Die gängigste Methode besteht einfach darin, sicherzustellen, dass der Strom nicht ausfällt. Für noch mehr Sicherheit verfügen bessere Laufwerke mit Schreibcache über eine Schreiblöschfunktion, die das Laufwerk anweist, alle ausstehenden Schreibvorgänge in seinem Cache sofort auf die Festplatte zu schreiben. Dies ist ein Befehl, der normalerweise gesendet wird, bevor die USV-Batterien leer sind, wenn das System eine Stromunterbrechung erkennt, oder kurz bevor das System aus einem anderen Grund heruntergefahren wird.
Festplattengeometrie auf niedriger Ebene
Wenn wir von Festplattengeometrie auf niedriger Ebene sprechen, geht es uns nicht so sehr um die physischen Schaltkreise der Festplatte. Hier werden wir die Begriffe besprechen, mit denen wir uns jetzt befassen werden, um die oben beschriebene Festplattenfehlerbehebung und Datenwiederherstellungsprogrammierung zu verstehen.
Bei der Festplattengeometrie auf niedriger Ebene geht es üblicherweise um die folgenden Begriffe:
- Schiene
- Zylinder
- Sektor
- Kopf oder Seite
Festplattengeometrie auf niedriger Ebene
Die Platten einer Festplatte haben zwei Seiten zum Aufzeichnen der Daten. Auf jeder Oberfläche der Platte befinden sich unsichtbare konzentrische Kreise, die beim Formatieren der Festplatte als magnetische Informationen auf die Oberfläche geschrieben werden. Diese Kreise werden Spuren genannt. Alle auf einer Festplatte gespeicherten Informationen werden in Spuren aufgezeichnet. Die Spuren sind nummeriert, beginnend bei 0, an der Außenseite der Platte und nach innen hin ansteigend.
Die maximale Anzahl von Spuren und Zylindern werden wir in den nächsten Kapiteln ausführlich besprechen. Vorerst können wir uns jedoch mit der physikalischen Geometrie auf niedriger Ebene der maximalen Anzahl von Zylindern, Spuren, Köpfen (Seiten) und Sektoren vertraut machen.
| Name |
Beginnen bei |
Endbegrenzung |
Gesamtzahl |
| Zylinder |
0 |
1023 |
1024 |
| Köpfe |
0 |
255 |
256 |
| Branchen |
1 |
63 |
63 |
Auf der Oberfläche der Platten einer Festplatte werden die Daten abgerufen, indem die Köpfe vom inneren zum äußeren Teil der Platte bewegt werden. Diese Datenorganisation ermöglicht einen einfachen Zugriff auf jeden Teil der Platte, weshalb Platten als Speichergeräte mit wahlfreiem Zugriff bezeichnet werden.
Low-Level-Festplattengeometriespur
Jeder Track kann Tausende von Bytes an Daten enthalten und im Allgemeinen beträgt dieser Speicher mehr als 5000 Bytes. Wenn wir also einen Track zur kleinsten Speichereinheit auf der Festplatte machen, ist das eine Verschwendung von Speicherplatz, denn dadurch verschwenden kleine Dateien mit einer Größe von weniger als 5000 Bytes Speicherplatz und im Allgemeinen ist es durchaus möglich, dass sich auf der Festplatte eine Anzahl von Dateien befindet, die viel kleiner als diese Größe sind.
Wenn ein Track die kleinste Speichereinheit ist, wird dadurch viel Speicherplatz verschwendet. Daher wird jeder Track in kleinere Einheiten, sogenannte Sektoren, aufgeteilt. Die Größe jedes Sektors beträgt 512 Byte, d. h. ein Sektor kann 512 Byte an Informationen enthalten.
Die Grundeinheit der Datenspeicherung auf einer Festplatte ist also der Sektor. Der Name Sektor bezieht sich auf einen tortenstückförmigen Winkelabschnitt eines Kreises, der auf zwei Seiten durch Radien und auf der dritten durch den Umfang des Kreises begrenzt ist. Im Folgenden sehen Sie eine logische Abbildung, die Sektoren auf einer Spur darstellt.
Auf einer Festplatte mit konzentrischen kreisförmigen Spuren würde diese Form also einen Sektor jeder Spur auf der Plattenoberfläche definieren, den sie abfängt. In der Festplattenwelt wird dies als Sektor bezeichnet, also ein kleines Segment entlang der Länge einer Spur.
Gemäß dem Standard kann jeder Sektor einer Festplatte 512 Bytes Benutzerdaten speichern. Tatsächlich enthält ein Sektor jedoch viel mehr als 512 Bytes an Informationen. Zusätzliche Bytes werden für Kontrollstrukturen und andere Informationen benötigt, die zur Verwaltung des Laufwerks, zum Auffinden von Daten und zum Ausführen anderer Supportfunktionen erforderlich sind.
Die genaue Struktur eines Sektors hängt vom Laufwerksmodell und Hersteller ab. Der Inhalt eines Sektors umfasst jedoch normalerweise die folgenden allgemeinen Elemente:
ID-Informationen: Normalerweise wird in jedem Sektor Platz gelassen, um die Nummer und den Standort des Sektors zu identifizieren. Dies wird zum Lokalisieren des Sektors auf der Festplatte verwendet und enthält in diesem Bereich auch Statusinformationen über den Sektor. Beispielsweise wird häufig ein Bit verwendet, um anzugeben, ob der Sektor als defekt markiert und neu zugeordnet wurde.
Synchronisierungsfelder: Diese werden intern vom Laufwerkscontroller verwendet, um den Lesevorgang zu steuern.
Daten: Die aktuellen Daten im Sektor.
Fehlerkorrekturcodes (ECC): Fehlerkorrekturcodes werden verwendet, um die Datenintegrität sicherzustellen.
Lücken: Lücken bestehen grundsätzlich aus einem oder mehreren Abstandshaltern, die nach Bedarf hinzugefügt werden, um andere Bereiche des Sektors zu trennen oder dem Controller Zeit zu geben, das Gelesene zu verarbeiten, bevor weitere Bits gelesen werden.
Zusätzlich zu den Sektoren, die jeweils die beschriebenen Elemente enthalten, wird der Speicherplatz auf jeder Spur auch für Servoinformationen verwendet. Die Menge an Speicherplatz, die jeder Sektor für Overhead-Elemente einnimmt, ist wichtig, denn je mehr Bits für diese Verwaltung verwendet werden, desto weniger können insgesamt für Daten verwendet werden.
Aus diesem Grund bemühen sich die Festplattenhersteller, die Menge der nicht benutzerdefinierten Daten, die auf der Festplatte gespeichert werden müssen, zu reduzieren. Der Prozentsatz der Bits auf jeder Festplatte, die für Daten verwendet werden, im Gegensatz zu anderen Dingen, wie zuvor beschrieben, wird als Formateffizienz bezeichnet. Daher ist die höhere Formateffizienz eine erwartete Funktion eines Laufwerks.
Beim neuesten Ansatz zur Erzielung einer höheren Formatleistung werden heutzutage die ID-Felder aus dem Sektorformat entfernt. Anstatt jeden Sektor im Sektorheader zu kennzeichnen, wird eine Formatzuordnung im Speicher abgelegt und referenziert, wenn ein Sektor lokalisiert werden muss.
Diese Karte enthält auch Informationen über die Sektoren, die als fehlerhaft markiert und an die Stelle verschoben wurden, an der sich die Sektoren im Verhältnis zur Position der Servoinformationen usw. befinden. Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Formatierungseffizienz, wodurch bis zu 10 % mehr Daten auf der Oberfläche jeder Platte gespeichert werden können, sondern verbessert auch die Leistung. Da diese kritischen Positionsinformationen im Hochgeschwindigkeitsspeicher vorhanden sind, können sie viel schneller abgerufen werden.
Physische Schaltkreisstruktur der Festplatte (HDD)
Jede Platte der Festplatte verwendet (außer in einigen Sonderfällen) zwei Köpfe zum Aufzeichnen und Lesen von Daten, einen für die Oberseite und einen für die Unterseite der Platte. Die Köpfe, die auf die Platten zugreifen, sind an einer Baugruppe aus Kopfarmen miteinander verbunden, sodass alle Köpfe gemeinsam ein- und ausfahren können und sich jeder Kopf physisch immer auf derselben Spurnummer befindet.
Aus diesem Grund ist es nicht möglich, einen Kopf auf Spur 0 und einen anderen auf Spur 1000 zu haben. Aufgrund dieser Anordnung wird die Spurposition der Köpfe häufig nicht als Spurnummer, sondern als Zylindernummer bezeichnet.
Ein Zylinder ist im Grunde die Menge aller Spuren, auf denen sich alle Köpfe gerade befinden. Wenn eine Platte vier Platten hat, hat sie im Allgemeinen acht Köpfe. Nehmen wir nun an, sie hat die Zylindernummer 720.
Festplattenlaufwerke Zylinder physikalische Schaltung Geometrie Struktur
Es würde aus den acht Spurensätzen bestehen, einer pro Plattenoberfläche mit der Spurnummer 720. Der Name rührt von der Tatsache her, dass diese Spuren einen Skelettzylinder bilden, da sie gleich große Kreise sind, die im Raum übereinander gestapelt sind, wie in der zuvor gezeigten Abbildung gezeigt.
Die Adressierung der Faktoren der Platte erfolgt traditionell durch Bezugnahme auf Zylinder, Köpfe und Sektoren (CHS).
Formatierung
Jedes Speichermedium muss vor der Verwendung formatiert werden. Die zum Formatieren verwendeten Dienstprogramme verhalten sich bei Festplatten anders als bei Disketten. Das Formatieren einer Festplatte umfasst die folgenden Schritte:
Partitionierung:
Bei diesem Vorgang wird die Festplatte in logische Teile aufgeteilt, denen unterschiedliche Festplattenvolumes bzw. Laufwerksbuchstaben zugewiesen werden.
Die Festplattenpartitionierung ist eine der effektivsten Methoden zur Organisation von Festplatten. Partitionen bieten eine allgemeinere Organisationsebene als Verzeichnisse und Dateien. Sie bieten außerdem mehr Sicherheit, indem sie Daten von Betriebssystemen und Anwendungen trennen.
Mit Partitionen können Sie Datendateien, die regelmäßig gesichert werden müssen, von Programm- und Betriebssystemdateien trennen. Eine Partitionierung der Festplatte ist notwendig, wenn Sie mehr als ein Betriebssystem auf die Festplatte laden möchten, da es sonst in den meisten Fällen zum Datenverlust kommen kann.
Der erste Sektor einer Festplatte enthält eine Partitionstabelle. Diese Partitionstabelle bietet nur Platz für die Beschreibung von vier Partitionen. Diese werden als primäre Partitionen bezeichnet. Eine dieser primären Partitionen kann auf eine Kette weiterer Partitionen verweisen. Jede Partition in dieser Kette wird als logische Partition bezeichnet. In den nächsten Kapiteln werden wir die Partitionsgrundlagen mit einem logischen Ansatz im Detail besprechen.
Formatierung auf hoher Ebene:
Es definiert die logischen Strukturen auf der Partition und platziert alle erforderlichen Betriebssystemdateien am Anfang der Festplatte. Dieser Schritt ist ebenfalls ein Befehl auf Betriebssystemebene.
Der FORMAT-Befehl von DOS, FORMAT.COM , verhält sich bei Verwendung auf einer Festplatte anders als bei Verwendung auf einer Diskette. Disketten haben eine einfache, standardmäßige Geometrie und können nicht partitioniert werden. Der FORMAT-Befehl ist daher so programmiert, dass er eine Diskette bei Bedarf automatisch sowohl auf niedriger als auch auf hoher Ebene formatiert. Bei Festplatten führt FORMAT jedoch nur eine Formatierung auf hoher Ebene durch.
Wenn wir die Formatierung auf niedriger Ebene abgeschlossen haben, haben wir eine Festplatte mit Spuren und Sektoren, auf denen aber nichts geschrieben ist. Bei der Formatierung auf hoher Ebene werden die Dateisystemstrukturen auf die Festplatte geschrieben, damit die Festplatte zum Speichern von Programmen und Daten verwendet werden kann.
Wenn Sie DOS verwenden, erledigt der Befehl FORMAT (also FORMAT.COM) diese Aufgabe und schreibt Strukturen wie Dateizuordnungstabellen für den DOS-Bootdatensatz und Stammverzeichnisse auf die Festplatte. Die High-Level-Formatierung wird durchgeführt, nachdem die Festplatte partitioniert wurde.
Formatierte und unformatierte Speicherkapazität
Die Gesamtkapazität einer Festplatte hängt davon ab, ob Sie die formatierte oder unformatierte Kapazität betrachten. Ein Teil des Speicherplatzes auf Ihrer Festplatte wird von Formatierungsinformationen belegt, die den Anfang und das Ende von Sektoren markieren, von ECC (Fehlerkorrekturcodes) und von anderen Serviceinformationen. Aus diesem Grund kann der Unterschied ziemlich groß sein.
Auf älteren Laufwerken, die normalerweise vom Benutzer auf niedriger Ebene formatiert wurden, wurde die Größe häufig in Einheiten der unformatierten Kapazität angegeben.
Nehmen Sie beispielsweise die Seagate ST-412, das erste Laufwerk, das Anfang der 1980er Jahre im ursprünglichen IBM PC/XT verwendet wurde. Die „12“ in dieser Modellnummer bezieht sich auf die unformatierte Kapazität des Laufwerks von 12,76 MB. Die formatierte Festplatte hat tatsächlich eine Kapazität von 10,65 MB.
Die unformatierte Kapazität einer Festplatte ist normalerweise 19 % (19 Prozent) höher als die formatierte Kapazität. Da niemand ein nicht formatiertes Laufwerk verwenden kann, kommt es nur auf die formatierte Kapazität an. Aus diesem Grund werden moderne Laufwerke von den Herstellern immer Low-Level-formatiert.
Die Festplattenkapazität kann auf die folgenden vier Arten ausgedrückt werden:
- Formatierte Kapazität in Millionen Bytes
- Formatierte Kapazität in Megabyte
- Unformatierte Kapazität in Millionen Bytes
- Unformatierte Kapazität in Megabyte
Wenn ich jetzt eine Festplatte mit C–H–S = 1024*63*63 habe (das bedeutet, die Festplatte hat eine Zylinderzahl = 1024, eine Anzahl von Köpfen oder Seiten = 63, eine Anzahl von Sektoren pro Spur = 63) und jeder Sektor hat 512 Bytes. Die Formel zur Berechnung der Festplattengröße lautet wie folgt:
Gesamte Festplattengröße (Bytes) = (Zylinder) x (Köpfe) x (Sektoren) x (Bytes pro Sektor) |
Nach dieser Formel ergibt sich für die Größe dieser Festplatte in Bytes folgendes:
= 1024 x 63 x 63 x 512
= 2080899072 Bytes
Wenn ich nun die Größe meiner Festplatte in Millionen Bytes berechne, beträgt sie ungefähr
= 2080,899072
~ 2081 Millionen Bytes
Traditionell wird die Größe in Millionen Bytes als M angegeben. Die Größe meiner Festplatte in Millionen Bytes beträgt also ungefähr 2081 M.
Wenn ich aber die Kapazität meiner Festplatte in Megabyte angebe, ergibt das etwa 1985 und wird als 1985 Meg geschrieben.
Die allgemeine Formel zur Berechnung der Festplattenkapazität in Millionen Bytes wäre also:
Und die allgemeine Formel zur Berechnung der Festplattenkapazität in Megabyte sieht folgendermaßen aus:
