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Magnetplattenspeicher
Der Magnetplattenspeicher ist ein blockorganisierter Speicher
mit quasi-wahlfreiem Zugriff. Es gibt ihn in verschiedenen Arten und Ausführungen. Die Speicherung erfolgt in konzentrischen Spuren. Zum Aufsuchen einer bestimmten Spur lässt sich der Magnetkopf in radialer Richtung verschieben. Bei Systemen mit größerem Abstand der Spuren voneinander (z. B. Floppy-Disk, bis zu 135 Spuren/Zoll) kann die Positionierung des Kopfes mittels eines Schrittmotors geschehen. Bei Systemen mit kleinem Spurabstand (z.B. Festplatte, bis zu 1000 Spuren/Zoll) verwendet man ein Tauchspulensystem mit Lageregelung (closed loop), das eine sehr präzise Steuerung des Kopfes erlaubt. Jede Spur ist durch eine Nummer gekennzeichnet, unter der sie adressiert werden kann  Spuradresse (äußerste Spur: 0). Zur feineren Adressierbarkeit der gespeicherten Information ist jede Spur in einzelne Abschnitte (Sektoren) unterteilt Sektoradresse. Der Spuranfang wird oft durch einen Schlitz oder ein Loch an bzw. auf der Platte (Indexschlitz, Indexloch) festgelegt. Er markiert den Beginn des Sektors 0. Die Festlegung der Sektoren erfolgt durch spezielle, zusätzlich zu den Daten auf die Platte geschriebene, Informationen. Das Aufschreiben der o.g. Verwaltungsinformationen muss vor Verwendung der Platte erfolgen Formatierung. Ein oder mehrere Sektoren bilden einen Block (Cluster), der mit einem Zugriff zwischen Platte und CPU transportiert werden kann. Neben den eigentlichen Daten enthält jede Spur Adress- und Formatierungsinformationen: - Spuradresse
- Sektoradressen
- weitere Markierungs- und Kennzeichnungsinfo
- Zwischenräume (Gaps)
- Prüfinfo zur Fehlererkennung (CRC-Prüfsumme) (für
Adressinfo-, Formatierungsinfo und eigentliche Daten)
Die Speicherkapazität für Nutzdaten ist nun zwar
geringer geworden, die Formatierung erlaubt aber auch
Datenträger zu lesen, die auf einem Gerät mit (innerhalb
einer Toleranzgrenze) abweichenden mechanischen Parameter
beschrieben wurden.
Die Aufzeichnung der Daten erfolgt byteweise bitseriell (MSB
zuerst). Ein zusätzliches Prüfbit wird nicht
aufgezeichnet, sondern eine Polynom-Prüfsumme für jeden
Block.
Arten von Magnetplattenspeichern
- Magnetplatte (Festplatte, Harddisk)
- Einzelplatte
- Einzelplattenkassette
- Festkopfplatte
- Festplattenstapel
- Wechselplattenstapel
- Magnetfolienspeicher (Floppy Disk)
- Einzeldiskette
- ZIP-Platte
- Floptical
Beim Plattenstapel wird oft die oberste und/oder unterste
Plattenfläche oft nicht für
Info-Speicherung verwendet (Schutz, Sektorplatte, Servoinfo
für Steuerung). Pro Fläche ein eigener Kopf; alle
Köpfe fest gekoppelt (Kamm).
Geschichtliches:
- Erste Festplatte 1956 bei IBM vorgestellt. 24"
Plattendurchmesser, 5 MByte Kapazität.
- 1973 entwickelt IBM unter dem Namen "Winchester" ein
Plattenlaufwerk mit 14" Durchmesser. Hier befindet sich die Platte
in einem "versiegelten" Raum, der über Mikrofilter
mit Luft versorgt wird. Die Köpfe wiegen nur etwa 10g und
"fliegen" in extrem geringer Höhe (0.5µ)
über die Platte. Durch spezielle aerodynamische Bauform des
Kopfes wird dieser Effekt durch die Rotation der Platte
(mitgerissene Luft) erreicht Kopf gleitet auf Luftpolster
(Bernoulli-Effekt).
- 1977 brachte Shugart das erste preiswerte Laufwerk auf den Markt
(14", 30 MByte). Die weitere Entwicklung führte zu kleineren
Platten (8", 5,25", 3½"), z.B. ST 506: 5,25", 6,4
MByte.
- 1983 Winchester-Wechselplatte
- 1988 Plattenlaufwerke höherer Kapazität, z.B. NEC D
5662: 5,25", 319 MByte (1224 Cylinder, 15 Köpfe).
- 1992 1,8"-Platte mit 60 MByte, 5,25"-Platte mit 1830 MByte
- 2000 3,5"-Platte mit 10 GByte für unter 200 DM
Die Platte rotiert mit konstanter Geschwindigkeit (z. B.
die ersten Winchester-Platten: 3600 U/min). Der Zugriff setzt sich aus zwei
Phasen zusammen:
- Auswahl der Spur:
Bewegung des Kopfes in radialer Richtung (Positionieren)
- Auswahl des Sektors
- Lesen der Sektoradresse auf der sich unter dem feststehenden
Kopf vorbeibewegenden Plattenspur, bis der gewünschte Sektor
gefunden ist.
mittlere Zugriffszeit = Positionierzeit + 1/2 Umdrehungszeit
Als "Zylinder" bezeichnet man die Gesamtheit aller
senkrecht übereinanderliegender Spuren (bei Einzelplatten die
beiden Seiten, bei Plattenstapeln alle aktive Flächen) = alle
Spuren auf allen Flächen mit gleicher Nummer = alle Spuren,
die mit einer Kopfpositionierung angesprochen werden. Die
Spuradresse wird zusammengesetzt aus:
- Zylinderadresse (Spurnummer)
- Kopfadresse (Nummer der Speicherfläche; beginnend bei 0 von
oben nach unten gezählt)
Die sogenannte Aufzeichnungsdichte wird in BPI (Bits per Inch =
Bits pro Zoll) angegeben. Diese erreicht Werte von 40000 BPI und
mehr. Ein ebenso gebräuchliches Maß für die
Aufzeichnungsdichte ist "Flux Changes per Inch" (FCI).
Übersetzt bedeutet das soviel wie "Flußwechsel pro
Zoll" und gibt an, wie oft die Ausrichtung der Magnetpartikel
pro Zoll geändert werden kann, denn der Abstand zwischen
zwei Flußwechseln kann eine bestimmte Grenze aus
physikalischen Gründen nicht unterschreiten. Je höher
jedoch die Werte von BPI beziehungsweise FCI sind, desto mehr
Daten lassen sich auf der Festplatte unterbringen.
Schon bald entwickelte man ein Verfahren, um den Platz auf
den äußeren, längeren Spuren besser zu nutzen:
"Zone-Bit-Recording" (ZBR). Die Platte
wird hierzu in mehrere Spurgruppen eingeteilt. Dabei wird für
jede Gruppe die maximale Anzahl von Sektoren pro Spur bestimmt. Je
kleiner diese Gruppen sind, desto besser ist die Ausnutzung der
Platte. Im Idealfall würde für jede Spur der optimale Wert
errechnet. Der Rechneraufwand für den Controller würde in
diesem idealen Fall stark ansteigen, da er bei jedem Zugriff erst
berechnen müßte, wie viele Sektoren auf der zu lesenden
Spur untergebracht sind. Um den Rechenaufwand gering zu halten, faßt
man mehrere Spuren zu einer "Zone" zusammen, in der die
Sektorenanzahl der Spuren gleich ist. Das Verfahren ist also ein
Kompromiß aus Geschwindigkeit und Platzgewinn.
Ansteuerung der Festplatte
Es gibt zwei Arten von Interfaces zur Festplattenansteuerung, die
in der Computerwelt sehr verbreitet sind. Einmal das
kostengünstige, aber ziemlich unflexible IDE-Protokoll
(Integrated Drive Electronics, auch als ATA, AT Attachement,
bekannt), auf der anderen Seite gibt es das teurere und vielseitig
verwendbare SCSI-Protokoll (Small Computer Systems
Interface). Der für den Normalanwender offensichtlichste
Unterschied zwischen beiden Techniken ist der Preis.
SCSI-Festplatten sind bei gleicher Größe und
Geschwindigkeit ungefähr doppelt so teuer wie IDE-Platten.
Dies hat u. a. seine Gründe im Aufbau der Platten.
An ein normales E-IDE-System kann man normalerweise bis zu vier
Gräte anschließen, dabei werden je zwei Geräte an
einen IDE-Port angeschlossen. Die beiden Ports bezeichnet man als
primären und sekundären Anschluss. Die beiden Geräte
an jedem Port werden in Master und Slave aufgeteilt. Ein
E-IDE-System bootet (normalerweise) von der Master-Platte am
primären Port.
Der IDE-Bus war ursprünglich nur zum Anschluss von
Festplatten gedacht, mittlerweile kann man aber auch
CD-ROM-Laufwerke und Brenner, Bandlaufwerke und große
Diskettenlaufwerke anschließen.
Im Gegensatz dazu kann man an einem SCSI-Controller bis zu sieben
Gräte betreiben, bei Wide-SCSI sogar bis zu 15 Geräte,
die jeweils über eine eindeutige ID-Nummer angesteuert werden.
SCSI war schon von Anfang an dafür ausgelegt, Geräte
aller Art ansteuern zu können, so ist es nicht verwunderlich,
dass man an den SCSI-Bus außer den Geräten, die man bei
IDE findet, auch noch Dinge wie Scanner anschließen kann.
Da an den IDE-Bus nur je zwei Geräte angeschlossen werden
können, sind keine besonderen Maßnahmen zur Abschirmung
getroffen worden (das hat sich aber bei Ultra-ATA2 geändert,
hier wird ein 80-poliges Kabel verwendet, wobei die 40
zusätzlichen Adern nur der Abschirmung dienen). Im Gegensatz
dazu sind SCSI-Kabel robuster, was elektrische Störstrahlung
angeht, des weiteren sorgen Terminatoren
(Abschlusswiderstände) für Sicherheit. An jedem Ende des
Busses muss ein Terminator befestigt werden, der eventuelle
Signalreflexionen an den Kabelenden verhindert. (Beispiel: Nur
interne Geräte --> Terminator am Hostadapter (meist
automatisch) und am hintersten Gerät am Kabel; oder: interne
und externe Geräte > Terminator am äußersten
externen und äußersten internen Gerät, keine
Terminierung am Hostadapter.)
Während bei SCSI-Platten die Ansteuerungselektronik zu
großen Teilen auf einem (teilweise recht teuren) Host-Adapter
untergebracht ist, befindet sich diese bei IDE-Platten im
Festplattengehäuse.
Geschwindigkeit
Lange Zeit galt, dass SCSI-Platten besonders schnell sind, dies
ist aber schon seit einiger Zeit nicht mehr so, denn auch die
IDE-Front hat sich rasant entwickelt, so dass sich beide Systeme in
punkto realer Plattengeschwindigkeit nichts mehr nehmen.
Die Übertragungsgeschwindigkeit bei Festplatten hat sich in
den letzten Jahren rasant gesteigert. Das führte aber
teilweise zu Problemen, denn die Geschwindigkeitssteigerungen
wurden durch eine Erhöhung der Taktfrequenz auf dem IDE bzw.
SCSI-Bus erreicht. Dadurch wurde die Gefahr durch elektrische
Störungen größer. Deshalb ist die maximale
Kabellänge immer kleiner geworden, z. B. waren IDE-Kabel vor 5
Jahren noch fast einen Meter lang, heute soll man moderne
Festplatten nur an Kabel anschließen, die maximal 45 cm lang
sind. Bei SCSI wurde die Geschwindigkeit zwar auch durch
Takterhöhungen realisiert, allerdings kam dazu eine
Verdopplung der Busbreite von 8 auf 16 Bit (Wide-SCSI). Im gleichen
Zuge wurde dabei auch die Abschirmung der Kabel verbessert. Mit der
neuesten Technik (Ultra2-Wide) wurde die Signalqualität
nochmals verbessert, so dass trotz erneuter Taktverdopplung auch
die maximal zulässige Kabellänge vergrößert
werden konnte.
Die eben erwähnten Übertragungsprotokolle haben bei
genauerer Betrachtung eigentlich recht wenig mit der eigentlichen
Übertragungsrate eine Festplatte zu tun, sie zeigen nur, wie
viele Daten theoretisch über die Schnittstelle
transportiert werden könnten. Die reale
Datenübertragungsrate hängt viel mehr davon ab, wie
schnell die Scheiben mit den Daten rotieren und wie dicht die Daten
auf ihnen gepackt sind. Je dichter die Daten gepackt sind und je
höher die Umdrehungszahl ist, desto schneller können die
Daten übertragen werden. Bei Festplatten für
durchschnittliche Rechner sind 5400 U/min üblich, bei
stärker belasteten Computern werden aber auch Festplatten mit
7200 oder sogar 10 000 U/min eingesetzt. Man muss dabei aber
beachten, dass hohe Umdrehungszahlen auch zu einer starken
Lärmbelästigung führen.
Neben der reinen Datenübertragungsrate ist die
durchschnittliche Zugriffszeit ein weiteres Kriterium für die
Geschwindigkeit einer Festplatte. Die Zugriffszeit ist die Zeit,
die benötigt wird, um die angeforderten Daten zu lesen. Sie
setzt sich zusammen aus der Zeit, die die Platte braucht, bis die
richtige Stelle beim Lesekopf angekommen ist (also im Durchschnitt
eine halbe Plattenumdrehung), was wiederum von der
Umdrehungsgeschwindigkeit abhängt, und der Zeit, die der
Lesekopf benötigt, um zur richtigen Spur auf der Platte zu
gelangen.
Disketten
Seit der Einführung 1970 hat sich die Diskette (Floppy
Disk) als schneller und preiswerter Massenspeicher durchgesetzt.
Das Arbeitsprinzip ist dasselbe, wie bei der Festplatte, jedoch
wird hier eine Kunstoffolie verwendet, die mit einer
nichtorientierten Magnetschicht versehen ist. Die Datenaufzeichnung
erfolgt entweder einseitig (SS) oder doppelseitig (DS). Zum Schutz
und zur besseren Handhabung befindet sich die Scheibe in einer
rechteckigen Kunststoffhülle, die mit einem Gleit- und
Reinigungsvlies ausgekleidet ist. Die Hülle besitzt
Öffnungen für den Arbeitskonus (über den die Scheibe
angetrieben wird), das Indexloch und den Schreib/Lesekopf.
Zusätzlich besitzt die Hülle noch eine Aussparung
für das Setzen eines Schreibschutzes. Je nach System wird der
Schreibschutz durch Abdecken oder Freilassen dieser Aussparung
gesetzt (üblich: 5,25" abgedeckt = Schreibschutz,
3½" offen = Schreibschutz). Der Schreib/Lese-Kopf
berührt beim Schreiben und Lesen die Diskettenoberfläche
- er wird nur in den Pausen abgehoben. Die Lebensdauer liegt bei
optimalen Bedingungen bei 1 .. 10 Mio. Abfragen/Spur
"Spanabhebende Datenverarbeitung". Disketten
werden/wurden nach Durchmesser unterschieden:
- 8 Zoll (Standard-Diskette, veraltet)
- 5,25 Zoll (Mini-Diskette, veraltet)
- 3,5 Zoll (Mikro-Diskette - heute Standard!)
- 3 Zoll (konnte sich nicht durchsetzen)
- 2 Zoll (konnte sich nicht durchsetzen)
Gegenüber den Festplatten haben Disketten eine weitaus
geringere Spurdichte (geringere Kapazität, Laufwerk mechanisch
weniger präzise), eine geringere Datenrate und eine
größere Zugriffszeit. Als Aufzeichnungsverfahren werden
FM (SD = single density) und MFM (DD = double density) verwendet
(siehe Festplatten). Die Umdrehungsgeschwindigkeit liegt zwischen
300 und 360 U/min, die Positionierzeit bei 3...10 ms und die
Aufsetzzeit für den Kopf beträgt ca. 20...30 ms. Die
mittlere Zugriffszeit liegt zwischen 100 und 300 ms.
Die ersten 8"-Disketten hatten eine Speicherkapazität von 256 KByte,
heute gibt es 3,5"-Disketten mit 1,4 MByte. Versuche einer Markteinführung
von einer 2,8-MByte-Diskette sind fehlgeschlagen. ZIP-Disketten, bei denen
beim Lesen und Schreiben das Bernoulli-Prinzip verwendet wird, haben Kapazitäten
von 100 bzw. 250 MByte.
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DIENSTE
