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Aufbau einer Festplatte

Anmerkung:
Durch die relativ hohe Drehzahl der Festplatte und dem relativ geringen Abstand der Köpfe bildet sich zwischen Kopf und Festplatte ein dünnes Luftkissen, auf welchem der Lesekopf gleitet. 
Es gibt Festplatten, bei denen die Köpfe erst bei Höchstdrehzahl an die Festplatte gesaugt werden. Auch hier gleitet der Kopf auf dem dünnen Luftkissen. Bei Stillstand der Platte sind die Köpfe in sicherem Abstand zur Platte.

Egal welches System auch eingesetzt wird, kommt es aus irgendwelchen Gründen zum Abriss des dünnen Luftfilmes, so kommt es zu einem direkten Kontakt des Kopfes mit der schnell drehenden Festplatte mit verheerenden Folgen. Hierbei spricht man von einem Headcrash.

Die beschichtete Oberfläche, welches die Daten trägt wird unwiderruflich beschädigt, gleiches gilt für den Lese- Schreibkopf der Festplatte. Man spricht hier auch von einer "Spanabhebenden Datenverarbeitung". Das ist dann der Daten GAU, der wahrhaft größte anzunehmendste Unfall.

Auch wenn es heute Software gibt, mit welcher man (versehentlich) gelöschte Dateien wiederherstellen kann, sind mechanisch zerstörte Daten nicht wiederherstellbar.

Merke: 
Software kann Hardware Fehler nicht korrigieren, da die Software auf der Hardware aufsetzt.

Die Festplatte beherbergt die Metallplatten zusammen mit ihren Schreib-Lese-Köpfen, dem Positionierungsmechanismus für die Köpfe und dem Spindelmotor in einem versiegelten Gehäuse, das vor äußeren Einflüssen schützt, sodass die Daten magnetisch aufgezeichnet werden können. Dementsprechend ist das Koordinatensystem einer Festplatte aufgebaut, dem man folgen muss, wenn man Daten auf der Platte lokalisieren möchte. Der Kamm der Schreib/Leseköpfe erzeugt konzentrische Kreise auf der Oberfläche des Mediums. Denkt man sich den Rest der Platte weg, erscheinen diese Kreise als ein Zylinder im Raum.

Einige Bauteile von Festplatten im Überblick

Dieser Zylinder besteht aus mehreren Spuren, von denen jede von jeweils einem Schreib- /Lesekopf erzeugt wird. Eine solche kreisförmige Spur wird dann in Kreissegmente, die Sektoren unterteilt. Durch die Angabe von Zylinder, Kopf und Sektor kann man so genau einen Abschnitt einer Festplatte, den Block, adressieren. Der Block stellt die kleinste adressierbare Einheit einer Festplatte dar, d.h. zur Änderung eines einzelnen Bits muss immer ein ganzer Block gelesen und wieder geschrieben werden.

Die Aufteilung einer Festplatte

Aus den Informationen über die Geometrie einer Festplatte kann man die Kapazität der Platte berechnen. Ist außerdem noch die Rotationsgeschwindigkeit des Plattenstapels bekannt, kann man zusätzlich die maximale Datenrate der Festplatte ausrechnen, indem man bestimmt, wie viele Blöcke pro Sekunde an einem Kopf vorbei rotieren. Diese Datenrate stellt eine theoretische Obergrenze für den Datenfluss von der Plattenoberfläche zum Kopf dar und kann nicht überschritten werden.

Partitionen

Für einige Zwecke kann es nützlich oder notwendig sein, statt einer großen Festplatte mehrere kleinere Platten zu haben. So möchte man eventuell auf einem Rechner mehr als ein Betriebssystem installieren und bei Bedarf zwischen den verschiedenen Installationen hin- und her wechseln können. Auch wenn man nur ein einzelnes Betriebssystem verwendet, kann es nützlich sein, eine Festplatte aufzuteilen, etwa um die Datensicherung zu vereinfachen, Scandisk nach dem üblichen Absturz zu beschleunigen oder verschiedene Dateisystemtypen oder verschieden wichtige Daten voneinander zu trennen. 

Die meisten Betriebssysteme stellen dazu den Mechanismus der Partitionierung von Festplatten zur Verfügung. Eine Partition ist dabei ein zusammenhängender Abschnitt von Zylindern einer Platte. So könnte man sich die Platte aus Abbildung in zwei Partitionen unterteilt vorstellen. Die erste Partition würde auf den äußeren Zylindern beginnen und sich bis zum markierten Zylinder erstrecken, die zweite würde dort beginnen und die gesamten inneren Zylinder der Platte umfassen.

Partitionen einer Festplatte dürfen sich niemals überlappen. Schließlich kann man den Festplattenplatz nur einmal vergeben. Sie stoßen im Normalfall nahtlos aneinander. Normalerweise wird man eine Festplatte vollständig partitionieren, d.h. keinen Platz ungenutzt liegen lassen.

Eine Partition einer Festplatte wirkt auf ein Betriebssystem dann wie eine einzelne, kleine Festplatte. Auf einer Partition kann in der Regel genau ein Dateisystem eingerichtet werden bzw. ein Betriebssystem installiert werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, auf einem PC mit einer Festplatte mehrere Betriebssysteme wie DOS, Windows 9X, Windows NT, Linux, BeOS usw. zu installieren. Mit einem speziellen Ladeprogramm (dem Bootlader) kann man beim Einschalten des Rechners angeben, von welcher Partition man booten möchte. SCSI Systeme können hierfür auch die Logical Unit Number (LUN) nutzen. (Siehe SCSI und LUN)

Partitionen werden im PC-Bereich in der Regel (bei Microsoft) mit dem Programm FDISK erzeugt, das mit dem jeweiligen Betriebssystem mitgeliefert wird. Es hat sich als notwendig herausgestellt, die Partitionen des jeweiligen Betriebssystems mit seinem eigenen fdisk-Programm zu erstellen. Falls ein Rechner wahlweise mit MS-DOS oder OS/2 und UNIX betrieben werden soll, ist es eine gute Idee, die Partitionen für MS-DOS und OS/2 anzulegen, bevor man die UNIX-Version auf einem PC installiert. Zur Installation eines PC mit MS-DOS und Linux wird man also zunächst eine Partition für MS-DOS mit dem fdisk-Programm von MS-DOS anlegen und MS-DOS installieren. Danach wird man Linux booten und mit dem fdisk-Programm von Linux die Linux-Partitionen anlegen und Linux installieren.

Bei PCs wird die Partitionierung einer Festplatte am Anfang der Platte in einer Partitionstabelle festgehalten. Ursprünglich konnte diese Tabelle genau vier Einträge enthalten, d.h. eine physikalische Festplatte konnte in maximal vier verschiedene logische Laufwerke, die sogenannten primären Partitionen, unterteilt werden. Durch die Einführung größerer Festplatten und durch die Verfügbarkeit von mehr unterschiedlichen Betriebssystemen war man später gezwungen, dieses Verfahren zu erweitern. Man muss eine primäre Partition opfern, um sich eine sogenannte erweiterte Partition zu definieren. Diese lässt sich dann in beliebig viele Partitionen unterteilen. Leider lassen sich jedoch viele Betriebssysteme nur aus einer primären Partition booten. Eine angenehme Ausnahme bildet hier LINUX. Hier können Sie das System von einer primären oder einer sekundären Partition booten.

Fragmentierung

Dadurch, dass Festplattenplatz nur in Einheiten zu jeweils einem Block zur Verfügung steht, geht natürlich Platz verloren. Eine Datei, die nur ein einzelnes Byte belegt, wird trotzdem die Mindestgröße von einem Plattenblock belegen und damit bei einer Blockgröße von 512 Byte 511 Byte verschwenden. Wenn man annimmt, dass Dateigrößen gleichmäßig verteilt sind, wird im Mittel pro Datei jeweils ein halber Block verschwendet. Bei angenommenen 20000 Dateien auf einer Platte und bei einer Blockgröße von 512 Byte werden etwa 5 MB mehr verbraucht. Fasst man mehrere physikalische Plattenblöcke zu logischen Blöcken zusammen, steigt der Platzverlust durch diese sogenannte interne Fragmentierung stark an. Im Beispiel wird eine Festplatte von 768 MB Größe mit 20000 Dateien zugrunde gelegt. Man sieht leicht, dass die Blockgröße einer Festplatte für eine optimale Platzausnutzung möglichst klein sein sollte.

Plattenplatzverlust durch interne Fragmentierung

Auf der anderen Seite ist es wünschenswert, für einen schnellen Zugriff auf die Daten möglichst große Blöcke zu verwenden. Die Entwickler des BSD UNIX-Systems haben gezeigt, dass eine simple Verdoppelung der Blockgröße von 512 Byte auf 1024 Byte in einem normalen UNIX-Dateisystem den Durchsatz schon mehr als verdoppelt. Platzausnutzung und Transfergeschwindigkeit stehen also grundsätzlich miteinander in Konflikt: Während eine kleine Blockgröße für eine optimale Ausnutzung des Plattenplatzes gut ist, sind nur mit großen Blöcken hohe Datentransferraten möglich.

Externe Fragmentierung

Für eine zügige Übertragung von Daten ist es außerdem gut, wenn die Daten einer Datei auf der Platte zusammenhängend abgelegt sind. Dateioperationen, die eine Datei von vorne nach hinten durchlesen, sind relativ häufig. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Datei zusammenhängend auf der Platte abgelegt ist und ohne zusätzliche Kopfbewegungen eingelesen werden kann. Wenn Dateien jedoch nahtlos hintereinander angeordnet werden, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine Datei nicht mehr in einem zusammenhängenden Stück auf der Platte abgelegt werden kann, wenn sie wächst. Auch durch das Löschen und Neuanlegen von größeren Dateien kann es zur externen Fragmentierung von Platten kommen.

Festplatten sollten nicht gedankenlos formatiert werden. Bedingt durch das DOS-Dateisystem (FAT 16) kann beim Formatieren der Festplatte eine Menge an Speicherplatz verloren gehen. Dazu eine kurze Erläuterung: Die Festplatte ist in Cluster aufgeteilt. Ein Cluster besteht aus einem oder mehreren Sektoren. Trotzdem werden Cluster nur im Ganzen verwaltet. D.h. selbst wenn eine Datei auf der Festplatte kleiner ist als der Cluster, belegt sie trotzdem einen kompletten Cluster. 

Beispiel: Wenn Sie im Internet surfen, werden mit jeder besuchten Seite Dateien auf die Festplatte geschrieben (Browsercache) - Beim Internet Explorer befinden sich diese Dateien im Verzeichnis C:\WINDOWS\Temporary Internet Files\ . Diese Dateien liegen meistens im Größenbereich von je 50 Byte - 50 KB.

Beispiel:

Die gekaufte 4,3 GB Festplatte wird in zwei Partitionen aufgeteilt. Das bedeutet, die Platte ist in Cluster mit der Größe 32 KB aufgeteilt. Somit belegt jede Datei aus dem Browsercache, die kleiner als 32 KB ist, einen kompletten Cluster. Dies gilt auch für die Dateien mit 50 Byte !!!! Bei einer Datei der Größe 1KB und der Clustergrösse 32 KB sind das satte 97% verschenkter Speicherplatz. Damit sich dieser verlorene Speicherplatz in Grenzen hält, sollte man die Festplatte vernünftig partitionieren. Die unten aufgeführte Tabelle soll dabei eine Hilfe sein. 

Unter Windows 9X sieht die Sache etwas anders aus. Aufgrund des neuen Dateisystems FAT 32, kann man selbst große Partitionen mit einer Clustergrösse von 4KB betreiben. Dies schmälert allerdings die Performance der Festplatte, da der Verwaltungsaufwand bei dieser kleinen Clustergröße recht hoch ist. 

Der Autor möchte nicht für oder gegen FAT 32 sprechen, das sollte jeder für sich ausmachen. Der/die Leser sollten jedoch das Mehr an Festplattenplatz gegenüber dem Verlust an Geschwindigkeit abwiegen.