Grundlagen der Festplattentechnik und Speicherstrukturen

Grundlagen der Festplatte

Eine Festplatte ist ein nichtflüchtiges Speichermedium auf magnetischer Basis. Jede Seite der Scheibe verfügt über viele kleine Bereiche, die positiv (1) oder negativ (0) magnetisiert werden können. Sie speichern große Mengen an digitalen Daten.

Festplattengeometrie und logische Struktur

Die Disk-Geometrie beschreibt die Gesamtzahl der Zylinder, Seiten und Sektoren pro Spur.

Die logische Struktur umfasst den Bootsektor (Master Boot Record, MBR). Dieser belegt den ersten Sektor der gesamten Festplatte; er speichert die Partitionstabelle und den Master-Boot-Loader, der die Partitionstabelle liest und die Kontrolle an die aktive Partition übergibt, wodurch der Computer gestartet wird.

• Partitionierter Speicherplatz: Speicherplatz, der einer Partition zugewiesen wurde.
• Nicht partitionierter Raum: Speicherplatz, der keiner Partition zugeordnet ist.

Eigenschaften der Festplatte (DD Features)

• Kapazität: Die Menge an Informationen, die gespeichert werden kann.
• Übertragungsmethoden:
  • PIO (Programmed I/O): Mikro-Vermittler zwischen RAM und Festplatte (5,6 MB/s bis 16,6 MB/s).
  • DMA (Direct Memory Access): Direktes Transfersystem zwischen Festplatte und RAM (16,6 MB/s bis 133 MB/s).
• Zugriffszeit: Die Zeit, die für Schreib- und Lesevorgänge benötigt wird.
• Drehzahl: Umdrehungen pro Minute (U/min).
• Disk-Cache (Latenzzeit): Speichert Schreib- und Lesebefehle zwischen, um den physischen Zugriff zu minimieren.
• Weitere Merkmale: Schnittstelle, Baugröße, Geräuschentwicklung und Temperatur.

IDE- und SATA-Anschlüsse

Der IDE-Anschluss (Integrated Drive Electronics) erfolgt über ein 40-poliges Flachbandkabel, das mit dem Motherboard verbunden wird. Früher waren zwei Anschlüsse üblich, heute meist nur noch einer oder gar keiner.

Jumper: Kleine Steckbrücken auf der Rückseite der Festplatte zur Konfiguration:

• Stand Alone oder Master / Single Drive (bei zwei Anschlüssen am Kabel).
• Master mit Slave (für Geräte an einem Strang).
• Slave / Drive ist ein Slave (zweiter Anschluss).
• Cable Select (automatische Auswahl über das Kabel).

SATA (Serial ATA) wurde entwickelt, um die Einschränkungen von IDE zu überwinden. Jumper haben hier nicht dieselbe Funktion wie bei IDE, sondern dienen teils zur Regulierung der Geschwindigkeit (z. B. SATA 3 auf SATA 2). SATA nutzt 7-polige Daten- und 15-polige Stromkabel.

Datenübertragung und Speicherhierarchie

Serielle Übertragung (Reichweite): Die Bits werden nacheinander in einer einzigen Leitung übertragen. Dies wird vor allem für lange Distanzen genutzt.

Parallele Übertragung: Die Bits werden in Gruppen über mehrere Leitungen gleichzeitig übertragen (typisch innerhalb des Computers).

Unterschiede zwischen Speichergeräten:

• Register: Im Prozessor, flüchtig, geringste Kapazität, höchste Geschwindigkeit.
• Cache: Im Prozessor, flüchtig, höhere Kapazität als Register.
• RAM: Arbeitsspeicher, flüchtig, individuell anpassbar, mittlere Kapazität.
• Festplatten-Cache: Ein unabhängiger, nichtflüchtiger RAM-Puffer mit hoher Kapazität.

Physischer Aufbau der Festplatte

• Platten (Platter): Magnetempfindliche Elemente aus widerstandsfähigen Materialien, die mit einer magnetisierbaren Substanz beschichtet sind.
• Spuren (Tracks): Konzentrische Ringe von außen nach innen.
• Zylinder: Die Gesamtheit aller übereinanderliegenden Spuren.
• Sektoren: Unterteilungen der Spuren.
• Seiten (Faces): Die Oberflächen der Platten.
• Antrieb (Motor): Dreht die Platten und bewegt die Schreib-/Leseköpfe.

Adressierung und Partitionierung

LBA (Logical Block Addressing): Ein Modus zur Adressierung von Datenblöcken zwischen Laufwerken und deren Treibern.

Primäre Partitionen: Hauptbereiche der Festplatte. Es können maximal 4 primäre Partitionen oder 3 primäre und eine erweiterte Partition erstellt werden. Die erweiterte Partition dient als Container, um eine unbegrenzte Anzahl an logischen Laufwerken aufzunehmen.