Speichertechnologien und Festplatten: Grundlagen, Typen und RAID

Grundlagen der Datenspeicherung

Magnetischer Speicher

Geräte, die dieses Prinzip nutzen, verfügen über eine Speicheroberfläche, die aus vielen magnetischen Partikeln besteht. Ein Partikel speichert eine logische 1, wenn es in eine Richtung ausgerichtet ist, während ein in eine andere Richtung orientiertes Partikel eine logische 0 speichert. Diese Geräte verfügen über Lese- und Schreibköpfe. Ein Lesekopf ist eine kleine Drahtspule, die durch einen Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt, das die Polarisation der Oberfläche an einem Punkt erkennt. Ein Schreibkopf erzeugt ein Magnetfeld, das die magnetischen Partikel entsprechend polarisiert.

Optischer Speicher

Bei diesen Geräten werden keine Magnetfelder zur Informationsänderung verwendet, wodurch sie stabiler als magnetische Speichermedien sind. Sie verfügen über ein Lese-/Schreibsystem, das aus einem Laser, einer Reihe von Linsen und einem Photodetektor besteht.

Magneto-optischer Speicher

Es handelt sich um eine Kombination der beiden zuvor genannten Speichertypen. Diese Geräte sind sehr stabil, da sie nicht durch Magnetfelder in unklimatisierten Räumen beeinflusst werden.

• Schreibprozess: Um Daten in einem magnetischen Partikel zu speichern, wird das Partikel mit einem Hochleistungslaser auf 200 °C erhitzt.
• Leseprozess: Zum Lesen erkennt ein Low-Power-Laser das reflektierte Licht.

Die Festplatte (HDD)

Die Festplatte ist der wichtigste sekundäre Speicher und nutzt magnetische Speichermedien. Sie besteht aus mehreren Scheiben, die beidseitig mit einer dünnen magnetischen Schicht beschichtet sind.

Physikalische Struktur

• Anzahl der Köpfe: Alle Festplatten verfügen über eine Reihe von Köpfen, die über die Platten gleiten, um Daten zu lesen oder zu schreiben. Jede Platte benötigt zwei Köpfe, einen für jede Seite.
• Anzahl der Zylinder: Ein Zylinder ist die Menge der Plattenoberflächen, die vertikal auf der gleichen Position liegen.
• Anzahl der Sektoren pro Spur: Spuren sind in Sektoren unterteilt. Obwohl die äußeren Sektoren größer als die inneren sind, speichern alle die gleiche Menge an Informationen.

Mit Kenntnis der Geometrie einer Festplatte kann deren Kapazität berechnet werden. Beispiel:

Eine Festplatte hat 8 Zylinder, 1200 Köpfe und 70 Sektoren pro Spur.

Kapazität = 8 x 1200 x 70 x 512 = 3.440.640.000 Bytes

Aufnahmetechniken

• FM (Frequency Modulation): Zum Schreiben einer 1 sind zwei Flusswechsel erforderlich, während eine 0 einen Flusswechsel impliziert.
• MFM (Modified Frequency Modulation): Eine 1 hat immer einen Übergang in der Bitmitte. Eine 0 erhält einen Übergang am Ende, wenn eine weitere 0 folgt. Mit MFM können mehr Informationen gespeichert werden als mit FM.
• RLL (Run Length Limited Code): Jeder Gruppe von Eingangsdaten wird ein Muster der Magnetisierung zugeordnet. Diese Muster sind nicht die ursprünglichen Daten: 1. Übergänge sind in einer Reihe von Zellen getrennt. 2. Die neue Gruppe gewährleistet das Vorhandensein eines Übergangs innerhalb eines bestimmten Bereichs.

Logische Struktur

Partitionen

Partitionen sind feste Größenabschnitte, die eine zusammenhängende Gruppe von Festplattenzylindern belegen. Jede Festplattenpartition kann ein anderes Betriebssystem enthalten. Es gibt zwei Arten:

• Primäre Partitionen: Auf diesen muss das Betriebssystem installiert werden. Eine Festplatte kann maximal vier primäre Partitionen enthalten.
• Logische Partitionen: Diese werden innerhalb einer erweiterten primären Partition erstellt.

Dateisysteme

Ein Dateisystem ist eine Struktur, die sowohl die Speicherung von Informationen in einer Partition als auch deren Modifikation und Wiederherstellung ermöglicht.

Die in Windows verwendeten Dateisysteme sind:

• FAT (File Allocation Table): Basiert auf einer Dateizuordnungstabelle. Es speichert die von jeder Datei verwendeten Cluster (die kleinste Einheit der Dateispeicherung auf einer Partition, gebildet aus einem oder mehreren Sektoren), freie Cluster und defekte Cluster.
• Einschränkungen von FAT:
  • Kurze Dateinamen
  • Maximale Partitionsgröße von 2 GB
  • Zu große Cluster führen zu Speicherplatzverschwendung
  • Hohe Fragmentierung
• NTFS (New Technology File System): Ermöglicht die Nutzung aller Funktionen und Sicherheitsmerkmale von Windows-Dateien. Eine NTFS-Partition wird nur für Größen über 400 MB empfohlen.

Merkmale einer Festplatte

• Speicherkapazität: Menge an Informationen in Bytes, die eine Festplatte speichern kann.
• Drehzahl: Die Geschwindigkeit, mit der sich die Platten der Festplatte drehen, angegeben in Umdrehungen pro Minute (rpm).
• Zugriffszeit: Die durchschnittliche Zeit, die die Lese-/Schreibköpfe benötigen, um auf Daten der Festplatte zuzugreifen.
• Übertragungsrate: Die Datenmenge, die eine Festplatte pro Sekunde lesen und schreiben kann.
• Schnittstelle: Es gibt drei Haupttypen: ATA, SATA und SCSI.

Festplattentechnologien

• ATA (Advanced Technology Attachment): Dies ist die Standardfamilie für IDE- oder EIDE-Festplatten.
• ATAPI (ATA Packet Interface): Ermöglicht anderen Geräten (außer Festplatten) die Nutzung von ATA-Verbindungen.
• IDE (Integrated Drive Electronics): Dies ist der ATA-1-Standard.
• EIDE (Enhanced IDE): Dies ist ein ATA-2-Standard. EIDE ist ein Handelsbegriff.

EIDE-Festplatten

Bekannt unter der Bezeichnung IDE, sind sie die am häufigsten im Haushalt verwendeten Festplatten. Es gibt Kabel mit 40 und 80 Adern. Sie verwenden einen Molex-Stecker. Bei der Installation von zwei Festplatten am selben Kabel muss eine als Master und die andere als Slave konfiguriert werden. Sie enthalten zwei EIDE-Controller, einen primären und einen sekundären.

SSD (Solid-State Drive)

• Vorteile: Geringe Geräuschentwicklung, geringeres Gewicht, schneller und weniger anfällig für Ausfälle.
• Nachteile: Sehr teuer, geringe Speicherkapazität (z.B. 32 GB).

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

RAID ist ein Satz von Festplatten, die zusammenarbeiten, als ob sie eine einzige Festplatte wären. Es gibt verschiedene RAID-Typen, die am häufigsten verwendeten sind:

• RAID 0 (Striping / Verteilungsvolumen): Die Daten werden in Blöcke aufgeteilt und abwechselnd auf jede Platte geschrieben, was die Arbeitsgeschwindigkeit erheblich beschleunigt. Fällt eine Festplatte aus, gehen alle Daten des RAID-Systems verloren. Dieses System bietet keine Redundanz.
• RAID 1 (Mirroring / Spiegelung): Daten werden auf zwei verschiedenen physischen Festplatten gespeichert, wodurch ein Backup aller Daten vorhanden ist. Im Falle eines Plattenausfalls kann mit der verbleibenden Platte weitergearbeitet und die beschädigte ersetzt werden.
• RAID 5 (Striping mit Parität): Speichert die Daten in Blöcken abwechselnd und fügt Paritätsinformationen hinzu. Fällt eine Festplatte aus, können die darin enthaltenen Daten wiederhergestellt werden. Kombiniert die Vorteile von RAID 0 und RAID 1.

• PIO (Programmed Input/Output): Eine Methode zur Datenübertragung zwischen Festplatte und RAM, die in den ersten Versionen von ATA verwendet wurde.
• UDMA (Ultra Direct Memory Access): Ein aktuelles Verfahren zur Datenübertragung zwischen Festplatte und RAM.