Festplatten
Begriffe
Kapazität von Massenspeichern
Kenndaten
Partitionen
Master Boot Record, Bootsektor
Partitionen eines Windows-PCs
Der Bootvorgang auf dem PC
Leistungsmerkmale
Auf Festplatten stehen Daten im direkten Zugriff (Random Access) zur Verfügung. Im Vergleich zum Hauptspeicher (Memory), der Daten ebenfalls im direkten Zugriff bereit hält, gehen die Daten beim Abschalten des Computers nicht verloren. Der Zugriff auf die Daten einer Festplatte erfolgt allerdings um ein Vielfaches langsamer.
Ein etwas allgemeinerer Begriff als "Festplatte" ist "Massenspeicher". Zu den Massenspeichern gehören neben den (magnetischen) Festplattenlaufwerken auch Halbleiterspeicher. Damit ist aber nicht der Hauptspeicher gemeint sondern Speicher, die wie Festplatten organisiert sind, aber aus Halbleiterspeichern aufgebaut sind. Sie sind wesentlich teurer als Festplattenlaufwerke, dafür lassen sich aber auch deutlich kleinere Zugriffszeiten realisieren.
Festplatten sind die üblicherweise eingesetzten Massenspeicher. Sie arbeiten mit einem magnetischen Aufzeichnungsverfahren (daher auch der Name "Magnetplatten") und lassen sich beliebig oft lesen und beschreiben. Festplatten können nach Kapazität, Speicherbus-Schnittstelle und Abmessung ("Formfaktor") unterschieden werden. Wichtige Leistungsmerkmale sind z.B. Zugriffszeiten und die Umdrehungsgeschwindigkeit.
Die Kapazität von Massenspeichern wird in von der Einheit Byte abgeleiteten Einheiten angegeben, eine genauere Beschreibung findet man bei der Informationsmenge. Zunächst muss man zwischen der Bruttokapazität und der Nettokapazität unterscheiden. Die Bruttokapazität ergibt sich aus dem physischen Plattenaufbau, wonach eine Festplatte eigentlich ein rotierender Plattenstapel ist, der in Sektoren und Spuren (Zylinder) aufgeteilt ist. Das Lesen und Schreiben erfolgt mit Hilfe eines Kamms, auf dem für jede Plattenoberfläche ein Schreib-Lesekopf (Heads) aufgebracht ist. Die Brutokapazität der Platte errechnet sich aus der Multiplikation von Bitdichte auf einer Spur mit Spurlänge, Spurenanzahl und Zahl der Plattenoberflächen.
Für den Benutzer interessanter ist die Nettokapazität, die angibt, wie viel Platz tatsächlich auf einem Laufwerk nutzbar ist. Dabei muss man jedoch immer noch zwischen den Herstellerangaben und der für den Anwender tatsächlich nutzbaren Nettokapazität unterscheiden. Dafür gibt es mehrere Gründe:
Dem Vergleich von Festlatten dienen die folgenden Kenndaten, die sich in den technischen Beschreibungen der Platten mehr oder weniger vollständig finden:
| Datum | Einheit | Typisch (Stand 2018) |
|---|---|---|
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Kapazität
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TiB
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1-12
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Drehzahl
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min-1
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5400/7200/15000(Server)
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Bauform
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Zoll
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1,8/2,5/3,5
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Zugriffszeit
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ms
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3-14
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Datenrate
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MB/s
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30-70
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Laufgeräusch
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Sone [1 Sone = 40 dB]
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0,2-1,2
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Für die Kennzeichnung des empfundenen Laufgeräusches wird das Maß Sone verwendet. 1 Sone entspricht einem Schalldruckpegel von 40 dB. Ein doppelt so laut empfundenes Geräusch hat 2 Sone oder 50 dB.
Seit einigen Jahren gewinnen zunehmend Flash-Speicher-Festplatten, sogenannte Solid State Disks (SSD) an Bedeutung. Sie zeichnen sich durch geringen Energieverbrauch, kurze Zugriffszeiten und das Fehlen mechanischer Bauteile aus. Ist in einer Festplatte herkömmlicher Technologie nicht flüchtiger Flashspeicher integriert, so spricht man von einer Hybridplatte.
Die Kapazität einer Festplatte kann auf mehrere Teilbereiche ("Partitionen") verteilt werden. Die Betriebssysteme bzw. deren Dateisysteme lassen meist nicht beliebig große Platten oder Partitionen zu. Beispielsweise lag die maximale Partitionsgröße bei DOS, Windows 3.x und Windows 95 bei 2 GB, die maximale Plattengröße bei 8 GB.
In diesem Zusammenhang muss auf den Unterschied zwischen einem Laufwerk ("Festplatte", "hard disk"), einer Partition und einem Filesystem (Dateisystem) unterscheiden: Eine Festplatte kann wie gesagt in mehrere Partitionen aufgeteilt werden (s.o.). Gründe dafür gibt es mehrere, einer kann sein, dass die Gesamt-Kapazität einer Festplatte in mehrere Teile unterteilt werden soll. Jede Partition stellt somit logisch gesehen ein eigenes Laufwerk dar. Damit man darauf aber auch Informationen geordnet speichern kann, wird eine Formatierung benötigt. Erst durch die Formatierung einer Partition wird darauf ein Filesystem oder Dateisystem erstellt.
Zur Zeit der Entwicklung von DOS oder Windows 3.x waren Festplattengrößen von 2 GB ziemlich unvorstellbar, sodass die Organisation des damals verwendeten Filesystems das oberste Limit bei 2 bzw. 8 GB ansetzte. Zu beachten ist ferner, dass bei diesem Filesystem (FAT) die Mindestgröße jeder Datei mit zunehmender Größe der Partition stark ansteigt. So beträgt die Mindestgröße (Cluster Size) bei einer Partition von 2 GB immerhin 32 KB, d.h. jede Datei belegt mindestens 32 KB auf der Festplatte. Bei einer Partitionsgröße von 500 MB war die Cluster Size nur 8 KB.
Diese Einschränkungen sind bei anderen Filesystemen zumeist nicht so deutlich spürbar, doch sie sind vorhanden. Bei Windows NT und seinen Nachfolgern beträgt die maximale Filesystemgröße beispielsweise 16 Millionen Terabyte.
Unter Windows erhalten Partitionen Laufwerksbuchstaben zur Kennzeichnung, unter Unix/Linux sind sie im Namenskürzel einer Festplatte enthalten undkönnen im laufenden Betrieb gemountet werden. Unterschiedliche Partitionen können unterschiedliche Dateisysteme enthalten.
MBR
Für PCs gibt es zwei unterschiedliche Arten der Partitionierung. Das ältere Schema ist die Partitionierung über einen so genannten Master Boot Record (MBR). Es kann in diesem System höchstens vier Partitionen geben.
| Primäre Partition | Jede Platte hat mindestens eine und höchstens vier primäre Partitionen. Falls eine erweiterte Partition vorhanden ist, ist die Maximalanzahl der primären Partitionen drei. Bei bootfähigen Medien muss eine Partition aktiv sein, was sie als Bootpartition (Betriebssystem oder Bootmanager) auszeichnet. |
| Erweiterte Partition | Sie kann nur genau einmal vorhanden sein und ist selbst nicht nutzbar. Sie kann aber mehrere logische Partitionen enthalten. |
| Logische Partition | Logische Partitionen sind in relativ großer Anzahl möglich. Die Grenze setzt die Festplatte. |
Primäre Partitionen haben einen einfachen Aufbau: Sie sind ein durchgehender Bereich von Plattenzylindern, der einem Betriebssystem zugeordnet ist. Mit primären Partitionen könnte man pro Festplatte maximal vier Partitionen einrichten; mehr passen nicht in die Partitionstabelle. Die Partitionstabelle ist Bestandteil des Master Boot Records (s.u.).
Werden mehr als vier Partitionen benötigt, muss eine erweiterte Partition angelegt werden. Die erweiterte Partition ist ebenfalls ein durchgehender Bereich von Plattenzylindern. Sie kann aber weiter in so genannte logische Partitionen aufgeteilt werden, die selbts keinen Eintrag in der Partitionstabelle belegen.
Wenn man mehr als vier Partitionen benötigt, muss man also beim Partitionieren darauf achten, dass spätestens die vierte Partition eine erweiterte Partition ist und diese den ganzen übrig bleibenden freien Zylinderbereich enthält.
Mit dem MBR-Schema lassen sich Festplatten mit einer maximalen Größe von 2 TB unterteilen. Bei größeren Platten bleibt alles oberhalb von 2 TB ungenutzt.
Der Grund für die Einschränkung liegt in der internen Adressierung der Cluster (Blöcke) auf der Festplatte, die in der Partitionstabelle, das ist ein Teil des Master Boot Records, festgehalten wird. Bei modernen Platten wird dabei das Verfahren LBA (logical block adressing) benutzt, das, im Gegensatz zum von der Plattengeometrie abhängigen CHS (cylinder, heads, sectors), 32 Bit lange Blockadressen speichert. Damit ergibt sich für die Partitionsgrenzen eine Obergrenze von 232 , was bei einer Clustergröße von 512 Byte eine maximale Partitionsgröße von
232 * 512 B = 2*240 B = 2 TiB
ergibt. Es wäre zwar möglich, die Clustergröße etwa auf 2 KiB zu erhöhen, womit Platten bis zu einer Größe von
232 * 2048 B = 232 * 211 B = 8 TiB
adressierbar wären, allerdings ergeben sich bei derartigen Medien Probleme bei hardwarenahen Zugriffen und bei der Verwendung als Bootmedium.
Der MBR ist der erste logische Sektor (512 Bytes) eines bootfähigen Mediums. Er besteht aus:
| Boot-Loader (erste 446 Bytes) |
Dies ist ein Programm, das vom BIOS aufgerufen wird, um das eigentliche Betriebssystem zu laden. Normalerweise übergibt der Boot-Lader die Kontrolle an den Kernel des Betriebssystems. |
| Partitionstabelle (64 Bytes) |
Sie enthält die auf dem Medium vorhandenen Partitionen und kann maximal 4 Einträge zu 16 Bytes enthalten. |
| "Magische
Zahl" (2 Bytes) |
Die letzten 2 Bytes des MBR enthalten die Zahl AA55. Steht dort etwas anderes, wird der MBR vom BIOS und von allen PC-Betriebssystemen als ungültig angesehen. |
Bootsektoren
Bootsektoren sind die jeweils ersten Sektoren (512 Bytes) einer jeden Partition, außer einer erweiterten Partition. Sie sind dazu gedacht, Code aufzunehmen, der ein auf dieser Partition befindliches Betriebssystem starten kann. Bootsektoren von Linux-Partitionen sind leer.
Ein Bootsektor mit gültigem Systemstartcode trägt in den letzten zwei Bytes dieselbe magische Kennung wie der MBR (AA55).
Das modernere Partitionsschema heißt GPT (GUID Partition Table), ein Standard der auf dem EFI-Standard für 64-Bit-Systeme aufbaut. Dabei wird unmittelbar hinter dem klassischen Master Boot Record eine zusätzliche Partitionstabelle gesetzt, die eine LBA-Adressierung mit 64 Bit benutzt, womit, bei einer Sektorgröße von 512 Byte, Platten bis zu einer Größe von
264 * 29 B = 213 * 260 B = 8192 EiB = 8 ZiB
in 128 Partitionen aufgeteilt werden können (Zebibyte - binäres Präfix von Zettabyte ; 1 ZiB = eine Milliarde TiB).
Welches Partitionierungsschema ein Windows-PC benutzt, hängt davon ab, in welchem Modus die Firmware des Motherboards bootet. Moderne PC-Hardware verfügt über eine so genannte UEFI-Firmware, die wahlweise im UEFI-Modus bootet oder ein ursprünglich im PC verbautes BIOS emuliert. Windows will im UEFI-Modus nur von einer GPT-Platte starten, im BIOS-Modus nur von einer MBR-Platte. Diese Verknüpfung von Bootmodus und Partitionierungsschema gilt nur für jenes Laufwerk, auf dem der Bootloader abgespeichert ist. Alle weiteren Platten können wahlweise nach GPT- oder MBR-Schema unterteilt sein.
Neuere Versionen von Windows verwenden grundsätzlich mehrere Partitionen, egal, ob es sich um GPT- oder MBR-Partitionen handelt. Der Grund ist, dass bei der Installation eine eigene Partition mit Wiederherstellungsinformationen angelegt wird. Außerdem befindet sich der Bootloader zumeist auf einer weiteren, separaten Partition. Hinzu kommt schließlich die Partition, die das eigentliche Betriebssystem enthält.
Der Bootvorgang auf dem PC über BIOS / UEFI
Nach dem Einschalten des Rechners werden vom BIOS (Basic Input Output System) Bildschirm und Tastatur initialisiert und der Hauptspeicher getestet. Diese erste Phase wird gelegentlich mit dem Akronym POST (Power On Self Test) umschrieben. Zu diesem Zeitpunkt verfügt der Rechner noch über keinen Massenspeicher! Das Problem besteht also vor allem darin, wie das Betriebssystem, dessen Maschinencode sich auf einem Massenspeicher befindet, in den Hauptspeicher transferiert werden kann. Die Kenntnis über die Organisation des Massenspeichers ist zu diesem Zeitpunkt noch sehr gering.
Immerhin existieren auf dem BIOS Routinen, die Zugriff auf die wichtigsten Peripheriegeräte (Diskette, Festplatte vom Typ IDE, USB-Geräte, optische Laufwerke, Netzwerk,...) ermöglichen. Dazu kann im BIOS eine Bootsequenz eingestellt werden, die festlegt, in welcher Reihenfolge die angeschlossenen Geräte auf ihre Bootfähigkeit, dh. auf das Vorhandensein eines ausführbaren Master Boot Record überprüft werden.
Wenn anstelle von IDE-Festplatten SCSI-Platten vorliegen und von einer SCSI-Platte gebootet werden soll, muss der SCSI-Controller selbst ein BIOS besitzen, das den Bootvorgang von einer angeschlossenen SCSI-Platte ermöglicht.
Jedenfalls muss es die Hardware (BIOS / UEFI auf dem Motherboard oder BIOS des SCSI-Controllers) schaffen, vom ersten eingestellten Bootmedium (in der Regel die erste Festplatte) die ersten 512 Bytes, den Master Boot Record in den Speicher zu laden. Am Beginn des MBR (die ersten 446 Bytes) befindet sich ein Programm, auf das die Kontrolle nun übergeht. Die Abfolge der auf diese Weise ausgeführten Anweisungen bestimmt den weiteren Ablauf des Bootvorganges.
Bis zum Laden des MBR läuft der Bootvorgang völlig unabhängig vom installierten Betriebssystem auf jedem PC immer gleich ab. Der Rechner hat für den Zugriff auf seine Peripherie lediglich die im BIOS gespeicherten Routinen zur Verfügung.
Wenn auf den Partitionen eines Rechners mehrere Betriebssyteme installiert sind, stellt sich die Frage, wie man das gewünschte Betriebssystem auswählen kann. Diese Aufgabe erledigt ein Bootmanager, der vom BIOS gestartet, dem Benutzer die Auswahl des zu startenden Betriebssystems anbietet. Die bekanntesten Boot-Manager sind LILO und GRUB für Linux und der in Windows NT und seinen Nachfolgern enthaltene Manager.
Bei Installiertem UEFI läuft der Bootvorgang im Wesentlichen in der gleichen Weise ab, es gibt allerdings erweiterte Einstellungsmöglichkeiten. Es dürfen etwa nur signierte Bootmanager gestartet werden (Secure Boot), was einen gewissen Schutz vor Bootviren mit sich bringt.
Die Leistungsfähigkeit einer Festplatte wird von zwei wichtigen Größen beherrscht:
Die Zugriffszeit errechnet sich aus der Zeit, die für die folgenden Vorgänge benötigt wird:
Die Datenübertragungsrate ermittelt sich einerseits aus der Transferrate, die zwischen Festplatte und Festplatten-Controller vorliegt. Wohlgemerkt — es handelt sich dabei um den internen Controller in der Festplatte. Je höher die Transferrate einer Platte ist, desto kleiner ist die zum Datentransfer benötigte Zeit. Sind die Daten beim Festplatten-Controller angekommen, schickt dieser sie über den jeweiligen Speicherbus (z.B. ATA oder SCSI) an den Adapter für die Festplatte. Die erzielbaren Transferraten über den Speicherbus bestimmen ebenfalls die Datenübertragungsrate.
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