Eine Festplatte (engl. hard disk drive = HDD) ist ein ferro-magnetisches Speichermedium der Computertechnik, welches binäre Daten auf die Oberfläche einer rotierenden Scheibe schreibt. Dies geschieht durch der aufzuzeichnenden Information entsprechende Magnetisierung der hartmagnetischen Beschichtung der rotierenden Plattenoberfläche. Durch die Remanenz erfolgt die Speicherung der Information. Das Auslesen der Information erfolgt durch Abtastung des Magnetisierung der Plattenoberfläche mittels des Lesekopfes.

Im Gegensatz zu Disketten (Floppy Disks) bestehen die Scheiben von Festplatten aus starrem Material.

Auf einer Festplatte können beliebige Dateien, z. B. die des Betriebssystems, der Anwendungsprogramme oder persönlicher Daten (Dokumente, Videos, Musik, Bilder) dauerhaft gespeichert werden.

In Abgrenzung zu sequentiell adressierbaren Speichermedien wie Magnetband oder Lochstreifen werden Festplatten den direktadressierbaren Speichermedien (engl. direct access storage devices, DASD) zugerechnet, da auf die Daten direkt zugegriffen werden kann (Vergleich: Tonband ↔ Schallplatte)

Speicherkapazität 

Die Speicherkapazität einer Festplatte ist die Gesamtzahl an Bits (0 oder 1), die durch den „Anwender“ (gemeint ist dabei die ansteuernde Software, also meist das Betriebssystem bzw. dessen Gerätetreiber) angesprochen (adressiert) werden können. Diese Kapazität wird normalerweise in Byte (Oktetten, also in Vielfachen von 8 Bit) gemessen. Bei der Aufzeichnung erfolgt durch den (normalerweise im Festplattengehäuse eingebauten) Controller eine weitere Kodierung der Daten, weswegen kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den gespeicherten Daten und der daraus folgenden Magnetisierung der Plattenoberfläche besteht. Der Übersichtlichtkeit halber wird die Anzahl Bits in Kilo-, Mega-, Giga- und Terabit bzw. -byte angegeben. Die heute üblichen Speicherkapazitäten werden meistens in Gigabyte (GB) angegeben.

Vor allem Festplattenhersteller definieren bei der Angabe der Kapazität ein Gigabyte als 1000³ Byte = 10⁹ Byte = 1.000.000.000 Byte, während Computerprogramme ein Gigabyte meist als 1024³ Byte = 2³⁰ Byte = 1.073.741.824 Byte behandeln. Mit den Binärpräfixen (Mebibyte, Gibibyte) versucht man, diese Doppeldeutigkeit zu vermeiden.

Wenn man die Kapazität einer Festplatte, die in Gigabyte (1000³ Byte = 10⁹ Byte) angegeben wurde, in Gibibyte (GiB, 1024³ Byte = 2³⁰ Byte) umrechnen möchte, so kann man folgenden Umrechnungsfaktor benutzen:

Beispiel:

Viele Computerprogramme zeigen die Kapazität in Einheiten mit binärem Präfix (z. B. Gibibyte) an, beschriften dies jedoch meist mit den traditionell benutzten Dezimalpräfixen (wie Gigabyte) bzw. deren Abkürzungen. Näheres zu dieser Problematik im Artikel „Binärpräfix“.

Im April 2006 kündigte Seagate die neue Modellreihe Seagate Barracuda 7200.10 an. Deren größtes Modell besitzt eine Kapazität von 750 GB (698,6 GiB) und stellt damit die größte momentan erhältliche Festplatte dar (Stand Mai 2006).

Baugrößen 

Die physikalische Größe von Festplatten wird traditionell in Zoll angegeben und ist keine exakte Größenangabe, sondern ein Formfaktor. So sind beispielsweise 3,5″-Festplatten exakt 100 mm breit, was knapp 4 Zoll entspricht. Die Größe der Scheiben in diesem 100 mm breiten Gehäuse liegt aber um die 3,5 Zoll, wobei Serverplatten häufig etwas kleiner sind.

Die zur Zeit verwendeten Formfaktoren reichen von 5,25″ bis 0,85″, wobei der Trend zu kleineren Festplatten geht. Der 3,5″-Formfaktor ist im Desktop-Bereich der am weitesten verbreitete, in Laptops findet man meist 2,5″-Festplatten, in noch kleineren portablen Geräten (z. B. MP3-Player) häufig 1,8″-Festplatten.

• Die ersten Festplatten hatten Baugrößen von 24″ (IBM 350, 1956). Im Laufe der Zeit verringerten sich diese Größen.
• 5,25″-Baugrößen sind die 1980 von Seagate eingeführten Baugrößen der PC-Festplatten, jedoch ist diese Gattung seit 1996/97 ausgestorben. Einige SCSI-Server-Platten, sowie die LowCost-ATA-Platte BigFoot von Quantum waren die letzten Vertreter dieser Spezies. Man unterscheidet Geräte mit voller Bauhöhe (3,5″ bzw. ca. 88 mm), die zwei Steckplätze belegen und halber Bauhöhe (1,75″ bzw. ca. 44 mm). Andere Höhen gibt es auch − die bereits erwähnte BigFoot beispielsweise hat in der 4-GB-Version eine Bauhöhe von nur 0,75″ (etwa 19 mm). Die Breite beträgt 146 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 200 mm liegen.
• 3,5″-Baugrößen wurden um ca. 1990 eingeführt und werden derzeitig in Desktop-Computern und Servern verwendet, die meisten Platten haben halbe Bauhöhe (1″ bzw. ca. 25 mm). Im Serverbereich gibt es auch Platten bis 1,8″ Höhe (1,8″ bzw. ca. 44 mm). Die Breite beträgt 100 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 150 mm liegen.
• 2,5″-Baugrößen finden Verwendung in Notebooks oder Spezialrechnern. Die traditionelle Bauhöhe war 0,5″ (12,7 mm), mittlerweile gibt es mit 0,375″ (9,5 mm) und 0,25″ (6,35 mm) flachere Festplatten – und auch Notebooks, die diese flachen Varianten benötigen. Die Breite beträgt 68 mm, die Tiefe beträgt 100 mm. Der Anschluss ist gegenüber den größeren Bauformen modifiziert, bei ATA wird z. B. ein 44-poliger Anschluss verwendet, der gleichzeitig die Betriebsspannung von +5 Volt zuführt (Pin 1 ist meist auf der Seite der Jumper). Im Gegensatz zu den größeren Platten kommen diese Platten auch ohne 12-Volt-Betriebsspannung (zusätzlich zu der 5-Volt-Spannung) aus.
• 1,8″-Baugrößen werden seit 2003 bei Sub-Notebooks sowie diversen Industrieanwendungen verwendet.
• 1″-Baugrößen sind seit 1999 unter dem Name MicroDrives im Einsatz. Die meisten MicroDrives wurden bis Mitte 2004 als „verkleidete“ CompactFlash-Typ-II-Speichereinheiten für digitale Kameras eingesetzt. Hauptnachteil gegenüber ‚richtigen‘ CompatFlash-Medien ist die mechanische Empfindlichkeit außerhalb von Geräten und der hohe Stromverbrauch.
• 0,85″-Baugrößen sind derzeit (Januar 2005) nur in begrenzten Mengen über die Firma Toshiba verfügbar, welche diese Baugröße im März 2004 mit einer Kapazität von 4 Gigabyte (3,73 GiB) zum ersten Mal vorgestellt hat. Ob diese kleinen Bauformen jemals Bestand haben werden, ist fraglich. Flash-Speicher ist in diesem Bereich schon verfügbar und auf Wachstumskurs. Derzeitig ist Flash-Speicher noch teurer, aber wesentlich robuster und sparsamer im Energieverbrauch.

Überblick über die Speicherkapazitäten der verschiedenen Baugrößen [

Jahr	5,25″	3,5″	2,5″	1,8″	1,0″	0,85″	typ. Modell(e) mit hoher Kapazität	Quelle
1983	20 MByte	-	-	-	-	-	20-MB-Festplatte im IBM PC XT
1989	80 MByte	40 MB	-	-	-	-	Seagate ST4096, NEC D3142
1992	650 MB (1993)	120 MB	-	-	-	-	Seagate mit 120 MB, Micropolis mit 650 MB 5.25″ FH (1993)
1995	4096 MByte	850 MByte	-	-	-	-	Western Digital mit 850 MB
1997	12 GByte	8 GByte	2 GByte	-	-	-	Quantum Bigfoot (12 GB, 5,25″), Nov. 1997	[1]
2001	#	80 GByte	40 GByte	-	340 MByte	-	Seagate mi 80 GB
2005	#	500 GByte	120 GByte	60 GByte	8 GByte	6 GByte	Hitachi Deskstar 7K500 (500 GB, 3,5″), Juli 2005	[2]
2006	#	750 GByte *	200 GByte *	80 GByte	8 GByte	6 GByte	Western Digital WD5000KS, Seagate Barracuda 7200.10 750GB, u. a.	[3]

Anmerkungen:

• Angaben beziehen sich immer auf die zum jeweiligen Jahr größte käuflich erhältliche Festplatte, unabhängig von ihrer Drehzahl oder Schnittstelle.
• Kapazitäten sind Herstellerangaben, d. h. ein Gigabyte ist definiert als 1000³Byte = 10⁹Byte = 1.000.000.000Byte, ein Megabyte als 1000²Byte = 10⁶Byte
• Mit Fragezeichen markierte Einträge bitte verifizieren/ergänzen
• - noch nicht verfügbar
• * unter Verwendung von Perpendicular Recording
• # Baugröße veraltet; nicht mehr in Gebrauch

Aufbau und Funktion 

Physikalischer Aufbau der Einheit 

Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:

• einer oder mehreren drehbar gelagerten Scheiben (auch Platter genannt (eng.: Platters))
• einem Elektromotor als Antrieb für die Scheibe(n)
• bewegliche Schreib-/Leseköpfe (Heads)
• jeweils ein Lager für Platter (i. d. R. Füssigkeitslager) sowie für die Schreib-/Leseköpfe (auch Magnetlager)
• einem Antrieb für die Schreib-/Leseköpfe
• der Steuerelektronik für Motor- und Kopfsteuerung
• Hochleistungs-DSP für die Schreib/Leseköpfe.
• der Schnittstelle zur Verbindung mit dem Festplattenkontroller (auf der Hauptplatine)
• einem Festplattencache von 2 bis 16MB Größe

Technischer Aufbau und Material der Scheiben 

Die Scheiben bestehen meistens aus oberflächenbehandelten Aluminium-Legierungen, vereinzelt auch aus Glas. Sie müssen formstabil sein und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um die Größe der Wirbelströme gering zu halten. Da die magnetiserbare Schicht besonders dünn sein soll, darf das Material der Scheiben selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen und dient nur als Träger der Magnetschicht. Auf die Scheiben wird eine Eisenoxid- oder Kobaltschicht von ungefähr einem Mikrometer Stärke aufgetragen. Diese wird zusätzlich von einer Schutzhülle aus Graphit ummantelt, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Zusätzlich wurde eine Steigerung der Datendichte durch besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

In älteren Desktopfestplatten von IBM (Deskstar 75GXP/40GV DTLA-30xxxx, Deskstar 60GXP/120GXP IC35Lxxxx) aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas als Material für die Scheiben zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 übernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium, mit Ausnahme der Festplatten für den Serverbereich. In dem Festplattengehäuse befindet sich eine oder mehrere übereinander liegende rotierende Scheiben. Verbaut worden sind bisher ein bis zwölf Scheiben, üblich sind ein bis vier. Allerdings geht eine höhere Scheibenanzahl in der Regel mit einem höheren Energieverbrauch und einer größeren Geräuschentwicklung einher. Manchmal werden aus Platzgründen nicht alle Scheibenoberflächen genutzt, sodass Festplatten mit ungerader Schreib-/Lesekopfanzahl entstehen. Um die Nachfrage nach Festplattenmodellen mit kleinerer Kapazität zu befriedigen, können die Hersteller ebenfalls auf diese Weise die Kapazität künstlich beschränken bzw. verkleinern. Eine neuere Entwicklung (seit 2004) ist das Perpendicular Recording, das zur Zeit u. a. von Toshiba und Hitachi entwickelt wird, um die Datendichte weiter zu steigern.

Achsen-Lagerung und Drehzahlen (U/min) 

Festplatten, welche in Arbeitsplatzrechnern oder in PCs für den privaten Gebrauch verwendet werden – momentan zum größten Teil Platten mit ATA- oder SATA-Schnittstelle – rotieren mit Geschwindigkeiten von 5.400 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute. Vor der Zeit der ATA-Festplatten und im Bereich der Hochleistungsrechner und Server wurden bisher überwiegend Festplatten mit den technisch überlegenen SCSI, FC oder SAS-Schnittstellen verwendet, die inzwischen in der Regel 10.000 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei den 2,5-Zoll-Festplatten, die hauptsächlich in Notebooks zum Einsatz kommen, liegen die Geschwindigkeiten im Bereich von 4.200 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute. Die Achsen der Scheiben früherer Festplatten (bis 2000) waren kugelgelagert; heute (2006) werden überwiegend Flüssigkeitslager (engl. „fluid dynamic bearing“ – FDB) verwendet. Diese zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer und geringere Geräuschentwicklung aus.

Die Schreib-Lesekopfeinheit 

Der Schreib-/Lesekopf (Magnetkopf) des Schreibfingers, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, magnetisiert winzige Bereiche der Scheibenoberfläche unterschiedlich und schreibt somit die Daten auf die Festplatte. Die Schreib-/Leseköpfe schweben durch ein – durch Reibung der Luft an der rotierenden Scheibenoberfläche – erzeugtes Luftpolster über der Plattenoberfläche. Die Schwebehöhe liegt jedoch heutzutage (2006) nur im Bereich von etwa 20 Nanometern, sodass die Luft innerhalb des Festplattengehäuses keinerlei Verunreinigungen beinhalten darf. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 0,05 mm = 50 µm = 50.000 nm dick. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinräumen. Das Auslesen der Daten wurde bis ca. 1994 durch Induktion des Magnetfelds der magnetisierten Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes erreicht. Über die Jahre wurden jedoch die Flächen, auf denen einzelne Bits gespeichert werden, immer kleiner – die Datendichte wurde erhöht. Um diese Daten auszulesen, werden kleinere und empfindlichere Leseköpfe benötigt. Diese wurden nach 1994 entwickelt: MR-Leseköpfe sowie einige Jahre später GMR-Leseköpfe (Riesenmagnetowiderstand). Der GMR-Lesekopf ist eine Anwendung der Spintronik.

Zum Schutz der für Daten benutzten Oberflächen vor dem Aufsetzen der Schreib-/Leseköpfe fahren diese, noch bevor sich beim Ausschalten der Festplatten die Umdrehungsgeschwindigkeit merklich verringert hat, in die sogenannte „Landezone“ („landing zone“), in der sie fixiert werden. Diese Parkposition kann sich außerhalb der Scheiben befinden oder im Innenbereich der Platten. Die Fixierung geschieht z. B. über einen kleinen Magneten, der den Lesekopf festhält. Bei älteren Festplatten mussten die Köpfe explizit vor dem Ausschalten per Befehl vom Betriebssystem geparkt werden. Das Parken erhöht auch die Stoßfestigkeit der Festplatten für einen Transport oder Umbau. Doch auch moderne Festplatten müssen mitunter explizit geparkt werden, da der beschriebene automatische Parkmechanismus nach Wegfall der Versorgungsspannung zu einem erhöhten Verschleiß führen kann.^[4] Heutzutage wird dieser Befehl automatisch beim Herunterfahren des Systems vom Gerätetreiber abgesetzt.

Bei modernen Laptops sorgt ein Beschleunigungssensor für das Parken des Festplattenfingers noch während eines eventuellen freien Falls, um so den Schaden beim Sturz eines Rechners zu begrenzen.

Festplatten-Gehäuse 

Das Gehäuse der Festplatte ist sehr massiv, es besteht meist aus einer Aluminiumlegierung mit einem Edelstahlblechdeckel versehen. Es ist staubdicht, aber nicht luftdicht abgeschlossen: Durch eine mit einem Filter versehene kleine Öffnung kann bei Temperaturänderungen die Luft eindringen oder austreten. Diese Öffnung darf, wie auf neben stehendem Bild zu sehen ist, in der Regel nicht verschlossen werden, nicht zuletzt wegen der Wärmeausdehnung der Luft, die im Plattengehäuse vorhanden ist. Da der Luftdruck im Gehäuse mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb ein Mindestluftgehalt aber erforderlich ist, dürfen Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen Höhe betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugehörigen Datenblatt vermerkt. Wird eine Festplatte in normaler, verunreinigter Luft geöffnet, so sorgen bereits kleinste Staub-/Rauchpartikel, Fingerabdrücke etc. für wahrscheinlich irreparable Beschädigungen der Plattenoberfläche und der Schreib-/Leseköpfe.

Speichern (Schreiben) und Lesen der Daten 

Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster – vom Schreibfinger angesteuerter – Flächen der permeablen Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität (Nord/Süd) den elektronisch-binär interpretierten Wert 0 oder 1 annehmen. Beim Lesen der jeweiligen Sequenzen von 0- und 1-Werten werden die Informationen dekodiert und an das Betriebssystem übergeben. Sie werden vom Prozessor des Computers ausgewertet und weiterverarbeitet. Entsprechend umgekehrt geht das Schreiben der vorher vom Prozessor erstellten Daten vonstatten.

Vor dem Schreiben der Daten werden diese mittels spezieller Verfahren wie den früher üblichen GCR, MFM, RLL und heute üblichen PRML oder EPRML kodiert. Ein Bit der Anwenderdaten entspricht daher physikalisch nicht unmittelbar einem magnetischen Flusswechsel auf der Plattenoberfläche. Die Kodierung ermöglicht dem Festplattencontroller das Verwalten der Daten (Organisation der Daten in Blöcke) und das Führen des Schreib-/Lesekopfes über der Spur.

Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib-/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der Block unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen heutzutage bei ca. 5–10 ms, was nach Maßstäben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich zu RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muss. Um eine hohe Performance zu erreichen, muss eine Festplatte soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib-/Lesekopf nicht neu positioniert werden muss. Dies erreicht man, indem man möglichst viele Operationen im RAM durchführt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abstimmt. Dazu dient vor allem ein großer Cache als Teil der Festplattenelektronik, auf dessen Inhalt mit RAM-Geschwindigkeit zugegriffen werden kann. Die Firmware der Festplatte sorgt für die korrekte Verwaltung und Aktualisierung des Cache-Inhalts.

Logischer Aufbau der Scheiben 

Die magnetische Schicht der Scheiben ist die eigentliche Trägerin der Informationen. Diese wird auf konzentrischen Spuren magnetisch aufgeprägt, während die Scheibe rotiert. Eine Scheibe enthält typischerweise einige tausend solcher Spuren, meist auch auf beiden Seiten. Die Gesamtheit aller identischen Spuren der einzelnen Platten(oberflächen) nennt man Zylinder. Jede Spur ist in kleine logische Einheiten unterteilt, die man Blöcke nennt. Ein typischer Block enthält 512 Byte an Nutzdaten (Anwenderdaten). Jeder Block verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde. Die Gesamtheit aller Blöcke, die die gleichen Winkelkoordinaten auf den Platten haben, nennt man Sektor. Der Aufbau eines speziellen Festplattentyps, das heißt, die Anzahl der Spuren, Oberflächen und Sektoren, wird auch als Festplattengeometrie bezeichnet. Verwirrenderweise wird der Begriff Sektor häufig fälschlicherweise auch synonym für Block verwendet.

Da manche Betriebssysteme zu früh an Grenzen stießen, als die Nummerierung der Sektoren bei steigenden Festplattenkapazitäten die Wortgrenze (16 Bit) überstieg, führte man Cluster ein. Das sind Gruppen von jeweils einer festen Anzahl von Blöcken (s. o., Anzahl beispielsweise 32), die sinnvollerweise physisch benachbart sind bzw. zusammenhängend aufeinander folgen. Das Betriebssystem spricht dann nicht mehr einzelne Blöcke an, sondern verwendet auf seiner (höheren) Ebene diese Cluster als kleinste Zuordnungseinheit. Erst auf Hardwaretreiber-Ebene wird dieser Zusammenhang aufgelöst.

Bei modernen Festplatten ist es normalerweise so, dass die wahre Geometrie, also die Anzahl von Sektoren, Köpfen und Zylindern, die vom im Festplattengehäuse integrierten Controller (im Folgenden „Festplatten-Intelligenz“ genannt) verwaltet werden, nach außen nicht mehr sichtbar ist. Der Computer, der die Festplatte benutzt, arbeitet dann mit einer virtuellen Festplatte, die völlig andere Geometriedaten aufweist. Dies erklärt, warum z. B. eine Festplatte, die real nur vier Köpfe aufweist, vom Computer mit 255 Köpfen gesehen wird. Ein Grund für solch ein virtuelles Konzept ist, dass man Begrenzungen von PC-kompatibler Hardware überwinden wollte. Weiterhin kann die Festplatten-Intelligenz durch dieses virtuelle Konzept defekte Blöcke ausblenden, um dann einen Block aus einer Reserve-Spur einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Blöcke defektfrei und nutzbar. Es wird vermutet, dass besagte Reserve-Spuren ca. 10–20 % des auf der Festplatte angegebenen Speicherplatzes ausmachen. Dieser Speicherplatz lässt sich durch spezielle Firmware-Versionen nutzen, was dann aber logischerweise die Lebensdauer der Festplatte (bzw. die Datensicherheit) reduzieren kann. Heute übliche Festplatten teilen weiterhin die Platten in Zonen auf, wobei eine Zone mehrere Spuren mit jeweils gleicher Anzahl an Blöcken enthält. Weitere Zonen können eine andere Anzahl von Blöcken pro Spur besitzen.

Partitionen als Laufwerke 

Aus Sicht des Betriebssystems können Festplatten durch Partitionen in mehrere Bereiche unterteilt werden. Das sind keine echten Laufwerke, sondern die stellt das Betriebssystem als solche dar, sie sind Teilmengen des gesamten Laufwerkes. Man kann sich diese als virtuelle Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem (und damit evtl. dem Benutzer) gegenüber als getrennte Geräte dargestellt werden. Es ist dabei im Verhalten (von zeitlichen Effekten sowie dem Verhalten im Falle des Festplattenausfalls abgesehen) nicht erkennbar, ob es sich tatsächlich jeweils um eine physikalisch getrennte Festplatte handelt oder lediglich um ein logisches Laufwerk auf einer gemeinsamen Festplatte.

Jede Partition wird vom Betriebssystem gewöhnlich mit einem Dateisystem formatiert. Unter Umständen werden, je nach benutztem Dateisystem, mehrere Blöcke zu Clustern zusammengefasst, die dann die kleinste logische Einheit für Daten sind, die auf die Platte geschrieben werden. Das Dateisystem sorgt dafür, dass Daten in Form von Dateien auf die Platte abgelegt werden können. Ein Inhaltsverzeichnis im Dateisystem sorgt dafür, dass Dateien wiedergefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden können. Der Dateisystemhandler verwaltet die belegten, verfügbaren und defekten Cluster. Ein Beispiel für ein Dateisystem ist das (von MS-DOS und Windows 9x ausschließlich unterstützte) FAT-Dateisystem.

Technische Neuerungen 

Um die Lautstärke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterstützen die meisten ATA- und SATA-Festplatten, die für den Desktop-Einsatz gedacht sind, „Automatic Acoustics Management“ (AAM). Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib- und Leseköpfe weniger stark beschleunigt, sodass die Zugriffe leiser sind. Das Laufgeräusch des Plattenstapels wird davon nicht verändert, ebenso bleibt die Dauertransferrate von AAM unberührt; jedoch verlängert sich die Zugriffszeit.

Schnittstellen, Bussystem und Jumperung 

Als Schnittstelle der Festplatte zu Laufwerks Computer-Komponenten werden heute hauptsächlich die parallelen Schnittstellen ATA (IDE, EIDE) (überwiegend bei Personal Computern), SCSI (bei Servern, Workstations und höherwertigen Personal Computern) sowie Festplatten mit Fibre-Channel- oder SAS-Anschlüssen für Storage-Subsysteme verwendet. Ältere Schnittstellen wie ST506 (s. u. bei Geschichte/Chronologische Übersicht) sind nur noch von historischem Interesse. Die Mainboards, an denen die Festplatten bei Personal Computern angeschlossen werden können, waren bisher meist mit zwei ATA-Schnittstellen versehen, werden aber zunehmend – in einer Übergangszeit – mit SATA-(S-ATA)-Schnittstellen zusätzlich versehen. ATA wird zukünftig wahrscheinlich vom SATA-Bussystem abgelöst.

Ein vergleichbarer Wandel ist im Bereich der Server bzw. Speicher-Subsysteme zu erkennen. Neben den oft verwendeten SCSI Festplatten werden mehr und mehr serielle Typen wie Fibre-Channel oder SAS-Festplatten eingesetzt. Bei den parallelen Übertragungen muss der Umstand berücksichtigt werden, dass es mit zunehmender Geschwindigkeit schwieriger wird, unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Bits durch das Kabel zu korrigieren. Daher kommen die parallelen Schnittstellen an ihre Grenzen; diese Einschränkung fällt bei seriellen Übertragungstechniken weg, womit höhere Übertragungsraten möglich werden.

Jumper an der Festplatt

Jumper sind kleine elektrische Kurzschlussstecker, mit denen man den Pegel an einem Pin verändern kann, um so verschiedene Laufwerkseinstellungen zu konfigurieren.

ATA (IDE) 

Bei einer ATA-Festplatte wird durch Jumper festgelegt, ob sie das Laufwerk mit Adresse 0 oder 1 der ATA-Schnittstelle ist (Device 0 bzw. 1, früher mit Master bzw. Slave bezeichnet). Manche Modelle erlauben auch eine Beschränkung der an das Betriebssystem bzw. BIOS gemeldeten Kapazität des Laufwerks, wodurch die Festplatte im Falle von Inkompatibilitäten dennoch (unter Verschenkung des nicht gemeldeten Plattenplatzes) in Betrieb genommen werden kann.

Durch die Festlegung der ATA-Bus-Adresse können zwei Festplatten an einer ATA-Schnittstelle des Mainboardes angeschlossen werden. Es können maximal je zwei Festplatten an jeder ATA-Schnittstelle angeschlossen werden. Dazu werden sie mit dem oben beschriebenen Jumper an der Festplatte als Device 0 oder Device 1 bestimmt (gejumpert). Die meisten Mainboards haben zwei ATA-Schnittstellen, genannt primary ATA und secondary ATA, also „erste“ und „zweite ATA-Schnittstelle“. Daher können insgesamt bis zu vier Festplatten an beide ATA-Schnittstellen des Mainboards angeschlossen werden. Ältere BIOS von Mainboards erlauben es nur, den Computer von der ersten ATA-Schnittstelle zu starten, und auch nur, wenn die Festplatte als Device 0 gejumpert ist.

Sollen mehr Festplatten angeschlossen werden, als die auf dem Mainboard vorhandenen ATA-Schnittstellen erlauben, können weitere per Einsteckkarte nachgerüstet werden.

SCSI 

SCSI-Festplatten kennen nicht nur zwei, sondern, je nach verwendetem Controller, acht oder sechzehn Adressen. Daher finden sich an SCSI-Laufwerken drei oder vier Jumper zur Bestimmung der Adressen – ID-Nummern genannt –, die es erlauben, bis zu sieben bzw. 15 Geräte zu adressieren (der Controller belegt eine eigene Adresse). Alternativ erfolgt die Adresseinstellung durch einen kleinen Drehschalter. Abhängig von den Kabelspezifikationen und Übertragungsmodi ist nicht in jedem Fall möglich, die maximal adressierbare Zahl von Geräten an einem Anschluss zu betreiben. Je nach Modell wird die Terminierung des SCSI-Anschlusses über steckbare Widerstandsarrays oder per Jumper aktiviert.

Dazu kommen noch andere Jumper wie der (optionale) Schreibschutzjumper, der es erlaubt, eine Festplatte gegen Beschreiben zu sperren. Weiterhin können je nach Modell Einschaltverzögerungen oder das Startverhalten beeinflusst werden.

S-ATA (SATA) löst den IDE-Bus ab 

Seit 2002 gewinnt das neue Verfahren Serial ATA (S-ATA oder SATA) an Bedeutung. Die Vorteile gegenüber ATA sind der höhere mögliche Datendurchsatz, Plug & Play, Kopplung von mehreren Festplatten (RAID) und die einfachere Verkabelung. Im Jahr 2005 wurden erste Festplatten mit Serial Attached SCSI (SAS) als potentieller Nachfolger von SCSI für den Server- und Storagebereich vorgestellt, über zwei Anschlüsse kann der Datenaustausch hier theoretisch mit bis zu 600 MByte/s erfolgen.

Queuing im SCSI- und S-ATA-Datentransfer 

Vor allem bei SCSI-Platten und auch bei neueren S-ATA-Festplatten werden sogenannte Queues (Warteschlangen) eingesetzt. Das sind Software-Verfahren als Teil der Firmware, die die Daten zwischen dem Anfordern von Computerseite und physikalischem Zugriff auf die Speicherscheibe verwalten und ggf. zwischenspeichern. Beim Queuing reihen sie die Anfragen an den Datenträger in eine Liste und sortieren sie entsprechend der physikalischen Position auf der Scheibe und der aktuellen Position der Schreibköpfe, um so möglichst viele Daten mit möglichst wenigen Umdrehungen und Kopfpositionierungen zu lesen. Der festplatteneigene Cache spielt hierbei eine große Rolle, da die Queues in diesem abgelegt werden (siehe auch: Tagged Command Queuing, Native Command Queuing).

FireWire und USB als Schnittstellen für externe Laufwerke 

Es werden universelle Schnittstellen wie FireWire oder USB für den Anschluss von externen Festplatten verwendet. Hierbei sind jedoch die eingebauten Festplatten selbst mit herkömmlichen (meist ATA- oder S-ATA-)Schnittstellen ausgestattet. Die Signale werden mittels eines speziellen Chipsatzes, der auf einer Wandlerplatine in dem USB-Gehäuse sitzt, von ATA in USB-Signale transferiert und über die USB-Schnittstelle nach außen geführt. Eine reine USB-Festplatte, d. h. mit eigener USB-Schnittstelle, wird von keinem Hersteller gebaut. Es gibt auch externe CD- und DVD-Laufwerke mit USB-Schnittstelle, ebenfalls mit interner Wandlerplatine auf ATA/ATAPI.

Fibre-Channel-Interface

Die Kommunikation via Fibre-Channel-Interface ist noch leistungsfähiger und ursprünglich vor allem für die Verwendung in Speichersubsystemen entwickelt. Die Festplatten werden nicht direkt angesprochen, sondern über einen FC-Controller, FC-HUBs oder FC-Switche.

Serial Attached SCSI

Die SAS-Technologie basiert auf der etablierten SCSI-Technologie, sendet die Daten jedoch seriell. Neben einer höheren Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlicher SCSI-Technik können mit über 16.000 Geräten deutlich mehr Laufwerke in einem Verbund angesprochen werden, als es beim SCSI-Protokoll der der Fall ist. Ein weiterer Vorteil liegt dabei in der maximalen Kabellänge von 10 Metern.

Vorläufer der seriellen High-Speed-Schnittstellen ]

Die ersten verbreiteten seriellen Schnittstellen für Festplatten waren SSA (Serial Storage Architecture, von IBM entwickelt) und Fibre-Channel in der Variante FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop). SSA-Festplatten werden heute praktisch nicht mehr hergestellt, aber Fibre-Channel-Festplatten werden weiterhin für den Einsatz in großen Speichersystemen gebaut. Fibre Channel bezeichnet dabei das verwendete Protokoll, nicht das Übertragungsmedium. Deshalb haben diese Festplatten trotz ihres Namens keine optische, sondern eine elektrische Schnittstelle.

Datensicherheit 

Ausfallrisiken und Lebensdauer [Bearbeiten]

Zu den typischen Ausfallrisiken gehören:

• Die Anfälligkeit von Festplatten ist besonders bei den neuen, sehr schnell drehenden Systemen vorwiegend auf thermische Probleme zurückzuführen.
• Beim mechanischen Aufsetzen des Schreib-Lesekopfes (Head-Crash) kann die Festplatte beschädigt werden (manchmal scherzhaft spanabhebende Datenverarbeitung genannt). Der Kopf schwebt im Betrieb über der Platte und wird durch ein Luftpolster, das durch von der drehenden Scheibe mitgerissene Luft entsteht, am Aufsetzen gehindert. Bei laufendem Betrieb sollte der Computer daher möglichst nicht bewegt werden oder Erschütterungen ausgesetzt sein.
• Äußere Magnetfelder können die Sektorierung der Festplatte irreversibel zerstören. Eine Löschung mit einem Magnetfeld macht neuere Festplatten unbrauchbar.
• Fehler in der Steuerelektronik oder allgemeine Abnutzung führen zu Ausfällen.

Die durchschnittliche Anzahl an Betriebsstunden, bevor eine Festplatte ausfällt, wird bei irreparablen Platten als MTTF (Mean Time To Failure) bezeichnet. Bei Festplatten, die repariert werden können, wird ein MTBF-Wert (Mean Time Between Failure) angegeben. Alle Angaben zur Haltbarkeit sind stets und ausschließlich statistische Werte. Die Lebensdauer einer Festplatte kann daher nicht im Einzelfall vorhergesagt werden, denn diese hängt von vielen Faktoren ab:

• Eine gute Kühlung erhöht die statistische Lebensdauer, da Mechanik und Elektronik weniger schnell altern und beansprucht werden.
• Anzahl der Zugriffe (Lesekopfbewegungen): Durch häufige Zugriffe verschleißt die Mechanik schneller, als wenn die Platte nicht genutzt wird und sich nur der Plattenstapel dreht.
• Vibrationen und Stöße: Starke Erschütterungen können zu einem vorzeitigen (Lager-)Verschleiß führen und sollten daher vermieden werden.
• Unterschiede zwischen verschiedenen Modellreihen eines Herstellers: Abhängig vom jeweiligen Modell lassen sich bestimmte Baureihen ausmachen, die als besonders zuverlässig oder fehleranfällig gelten. Um statistisch genau Angaben zu der Zuverlässigkeit machen zu können, sind allerdings eine große Anzahl von baugleichen Platten notwendig, die unter ähnlichen Bedingungen betrieben werden. Systemadministratoren, die viele Systeme betreuen, können so im Laufe der Jahre durchaus einige Erfahrungen sammeln, welche Festplatten eher zu auffälligem Verhalten und damit vorzeitigem Ausfall neigen.

Allgemein sind schnelldrehende Server-Festplatten für eine höhere MTTF als typische Desktop-Festplatten ausgelegt, sodass sie theoretisch eine höhere Lebensdauer erwarten lassen. Dauerbetrieb und häufige Zugriffe können jedoch dazu führen, dass sich dies relativiert und die Festplatten nach wenigen Jahren ausgetauscht werden müssen.

Notebook-Festplatten werden durch die häufigen Transporte besonders beansprucht und sind dementsprechend trotz robusterer Bauart mit einer kleineren MTTF als Desktop-Festplatten spezifiziert.

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