Speichermedien: Von der Festplatte bis zum Flash-Speicher

Disclaimer: Dieses Dokument umfasst das gesamte Kapitel 4 des McGraw-Hill-Buchs „MME“. Es wurde so formatiert, dass es einfacher in das JAR-Format konvertiert und auf Java-fähigen Mobiltelefonen genutzt werden kann. Ich hoffe, es ist hilfreich.

Grundlagen der Datenspeicherung

Inzwischen verfügen fast alle Computer über zwei Massenspeicher: eine Festplatte und ein DVD-RW-Laufwerk. Diskettenlaufwerke verschwinden zunehmend. Immer häufiger gehören auch Kartenleser zur Standardausstattung, die uns ermöglichen, tragbare Speichermedien mit hoher Kapazität wie CompactFlash, SmartMedia oder Secure Digital (SD) zu nutzen.

Die Festplatte (HDD – Hard Disk Drive)

Festplattenlaufwerke dienen der Speicherung wichtiger Informationen. Sie sind Teil des Sekundärspeichers des Computers, im Gegensatz zum Hauptspeicher (RAM). Der Sekundärspeicher bietet große Kapazitäten, ist nicht flüchtig (Daten bleiben nach dem Ausschalten erhalten), aber der Zugriff ist langsamer als beim RAM.

Physikalischer Aufbau einer Festplatte

Eine Festplatte besteht aus einem luftdicht verschlossenen Gehäuse, in dem sich die Magnetscheiben (Platter) befinden. Die Informationen werden dort gespeichert und von Schreib-/Leseköpfen verarbeitet.

Interne Komponenten

• Motoren: Ein Motor dreht die Scheiben, ein zweiter bewegt den Arm mit den Köpfen.
• Elektronik: Eine Steuereinheit synchronisiert die Motoren und die Aktionen der Köpfe.
• Magnetscheiben: Diese bestehen aus Millionen kleiner magnetisierter Elemente, die positiv oder negativ geladen sein können (Darstellung von 0 und 1).

Funktionsweise und Datenzugriff

Die Scheiben rotieren mit konstanter Geschwindigkeit, solange der Computer eingeschaltet ist. Ein mechanischer Arm führt die Köpfe linear über die Oberflächen. Ein Lesevorgang umfasst:

1. Bewegen des Kopfes zur Zielspur.
2. Warten, bis der Sektor unter dem Kopf erscheint.
3. Lesen der Daten.

Festplattengeometrie und Adressierung

Um Daten zu organisieren, werden drei Parameter genutzt: Kopf (Head), Zylinder (Cylinder) und Sektor (Sector).

• Tracks (Spuren): Konzentrische Ringe auf der Scheibe.
• Zylinder: Alle Spuren, die sich an derselben Position über alle Scheiben hinweg befinden.
• Sektoren: Die kleinsten Einheiten (meist 512 Byte).

Adressierungsmethoden

• NORMAL: Standardmethode für alte Festplatten bis 528 MB.
• LBA (Logical Block Addressing): Aktuelle Methode für große Festplatten, bei der Sektoren fortlaufend nummeriert werden.
• S.M.A.R.T.: Technologie zur Selbstüberwachung und Fehlerfrüherkennung.

Kapazitätsberechnung und Grenzen

Die Kapazität berechnet sich aus: Zylinder x Köpfe x Sektoren/Spur x 512 Byte. Historisch gab es Grenzen durch das BIOS (z. B. 528 MB oder 128 GB), die durch moderne Adressierungsverfahren wie LBA überwunden wurden.

Logische Struktur der Festplatte

• Master Boot Record (MBR): Der erste Sektor (Kopf 0, Zylinder 0, Sektor 1). Er enthält die Partitionstabelle und das Boot-Programm.
• Partitionen: Logische Unterteilungen der Festplatte (z. B. Laufwerk C:, D:).
• Unpartitionierter Bereich: Speicherplatz, der noch keiner Partition zugewiesen wurde.

Schnittstellen: IDE, SATA und SCSI

ATA / IDE (PATA)

Die IDE-Schnittstelle (Integrated Device Electronics) war lange Standard. Sie nutzt 40-polige Flachbandkabel. Pro Kanal können zwei Geräte (Master und Slave) angeschlossen werden, die über Jumper konfiguriert werden.

Serial ATA (SATA)

SATA ist der moderne Standard mit serieller Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Er bietet höhere Geschwindigkeiten (SATA I: 150 MB/s, SATA II: 300 MB/s, SATA III: 600 MB/s) und dünnere Kabel.

SCSI

SCSI-Systeme werden in professionellen Umgebungen (Servern) eingesetzt. Sie sind teurer, aber leistungsfähiger und zuverlässiger.

Leistungsmerkmale von Festplatten

• Zugriffszeit: Zeit, um einen Sektor zu finden (ca. 9–12 ms).
• Drehzahl: Typisch 5.400 oder 7.200 U/min (bis zu 15.000 bei SCSI).
• Cache: Interner Zwischenspeicher zur Beschleunigung von Zugriffen.

Optische Speichermedien

Die CD (Compact Disc)

Eingeführt 1982. Kapazität ca. 700 MB. Formate: CD-ROM (nur lesen), CD-R (einmal beschreibbar), CD-RW (wiederbeschreibbar).

Die DVD (Digital Versatile Disk)

Bietet höhere Kapazitäten (4,7 GB bis 17 GB) durch engere Spuren und mehrere Schichten (Layers). Formate: DVD-R, DVD+R, DVD-RAM.

Blu-ray Disc (BD)

Nutzt einen blau-violetten Laser für extrem hohe Datendichte (25 GB bis 50 GB). Ideal für High-Definition-Video (HD).

Flash-Speicher und Wechselmedien

Speicherkarten

Nicht-flüchtige EEPROM-Speicher, robust und stromsparend. Gängige Formate:

• SD / SDHC: Weit verbreitet in Kameras und Handys.
• CompactFlash (CF): Oft in Profi-Kameras.
• Memory Stick: Sony-proprietäres Format.

USB-Sticks (Pendrives)

Kleine, tragbare Geräte, die über USB angeschlossen werden. Sie haben Disketten und CDs als primäres Austauschmedium fast vollständig ersetzt.

Veraltete und spezielle Speichermedien

• Disketten: Früher essenziell, heute aufgrund geringer Kapazität (1,44 MB) und Unzuverlässigkeit veraltet.
• Streamer (Magnetbänder): Werden für Backups großer Datenmengen genutzt (sequenzieller Zugriff).
• ZIP und SuperDisk: Kurzlebige Versuche, die Diskette zu ersetzen.

Wichtige Tipps zum Umgang mit Datenträgern

• Festplatten nicht erschüttern oder starken Magnetfeldern aussetzen.
• Optische Medien nicht zerkratzen und nur an den Rändern anfassen.
• Keine alkoholhaltigen Stifte zur Beschriftung von CDs/DVDs verwenden.
• Regelmäßige Backups erstellen, um Datenverlust vorzubeugen.