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Wie rette ich meine Daten von einer kaputten Festplatte
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Festplatten - allgmeine Informationen


1. Physikalischer Aufbau
2. Speichern und Lesen von Daten
3. Logischer Aufbau
4. Schnittstellen
 
Physikalischer Aufbau

Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:

  • einer oder mehreren drehbar gelagerten Scheiben, genannt Platter.
  • einem Antrieb für die Scheibe(n)
  • bewegliche Schreib-/Leseköpfe (Heads)
  • einem Antrieb für die Schreib-/Leseköpfe
  • der Steuerelektronik für Motor- und Kopfsteuerung
  • Hochleistungs-DSP für die Schreib/Leseköpfe.
  • der Schnittstelle zur Verbindung mit dem Computer
  • 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 7.200 Umdrehungen pro Minute. Im Bereich der Hochleistungsrechner und Server werden meistens Festplatten mit SCSI-Schnittstelle verwendet, die 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.

    In dem Festplattengehäuse befinden sich ein oder mehrere übereinander liegende rotierende Platten. Sie bestehen meistens aus Aluminium, Legierungen davon oder Glas. Sie müssen formstabil sein, eine geringe elektrische leitfähigkeit verringert Wirbelströme. Verbaut worden sind bisher 1 bis 12 Platter, üblich sind 1 bis 4. Manchmal ist einer von zwei Plattern nur zur Hälfte formatiert, so dass die Hersteller mehrere Kapazitäten anbieten können.

    In älteren Modellen von IBM (Deskstar 75GXP/40GV DTLA-30xxxx, Deskstar 60GXP/120GXP IC35Lxxxx) aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 übernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium.

    In konventionellen Festplatten wurde auf die Oberfläche dieser Platter dotierte Eisenoxid-Partikel als magnetisierbares Material aufgebracht. Im Zuge immer höherer Speicherdichten ist dieses amorphe Filme und mittlerweile durch Mehrschichtsysteme ersetzt.

    Bei den beengten Verhältnissen im Gehäuse wird bei manchen Modellen auf die Nutzung einer der Scheibenoberflächen verzichtet. So entstehen Festplatten mit einer ungeraden Anzahl von Schreib-/Leseköpfen.

    Die Schreib-/Leseköpfe schweben durch ein durch die Rotation der Platten erzeugtes Luftpolster über der Plattenoberfläche. Die Flughöhe liegt jedoch heutzutage (2005) nur im Bereich von Nanometern, sodass die Luft innerhalb des Festplattengehäuses keinerlei Verunreinigungen beinhalten darf. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinräumen. 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.

    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 "Landing-Zone", in der sie fixiert werden. Diese Park-Position kann sich außerhalb der Scheiben befinden oder im Innenbereich der Platten. Die Fixierung geschieht z. B. über einen kleinen Magneten, der den Lesekopf festhält. Das Parken erhöht auch die Stoßfestigkeit der Festplatten für einen Transport oder Umbau.

    Das Gehäuse der Festplatte ist staubdicht, aber nicht luftdicht abgeschlossen: durch eine kleine Öffnung mit einem Filter kann Luft eindringen oder austreten. Diese Öffnung darf in der Regel nicht verschlossen werden. Da der Luftdruck im Gehäuse mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb aber ein Mindestdruck erforderlich ist, dürfen Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen Höhe betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugehörigen Datenblatt vermerkt.

    Speichern und Lesen von Daten
     
    Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster Flächen einer Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität den Wert 0 oder 1 annehmen. Der Schreib-/Lesekopf, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, polarisiert die einzelnen Sektoren unterschiedlich und speichert so die Daten permanent.

    Vor dem Schreiben der Daten werden diese in speziellen Verfahren wie die früher üblichen Verfahren GCR, MFM, RLL und heute üblicherweise mit PRML oder EPRML kodiert. Ein logisches Bit steht daher nicht mehr physikalisch als magnetisierte oder nicht magnetisierte Einheit auf der Plattenoberfläche. Durch die Schreibverfahren wird auch eine Kompression erreicht, so dass die Datendichte steigt.

    Das Auslesen der Daten wurde (bis ca. 1994) durch Induktion des Magnetfelds der polarisierten Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes erreicht.

    Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muß vor dem Zugriff auf einen bestimmten Sektor der Schreib/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte der Sektor 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 mit RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muß. Um eine hohe Performanz zu erreichen, muß eine Festplatte soweit wie möglich immer große Mengen von Daten in aufeinanderfolgenden Sektoren 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.

    Über die Jahre wurden die Flächen, die einzelne Bits speichern, immer kleiner - bei gleich großer Fläche wurde die Datendichte erhöht. Das wurde durch kleinere Leseköpfe ("Giant-magneto-resistance"-Köpfe) und besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.

    Eine neuere Entwicklung ist das Perpendicular Recording, das zur Zeit z.B. von Hitachi entwickelt wird, um die Datendichte weiter zu steigern.

    Logischer Aufbau
     
    Die magnetische Schicht der Scheiben ist der eigentliche Träger der Informationen. Sie wird auf zylindrischen 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 Sektoren nennt. Ein typischer Sektor enthält 512 Byte an Information. Jeder Sektor verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde.

    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 Sektoren ausblenden, um dann einen Sektor aus einer Reserve-Spur einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Sektoren 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 reduzieren kann.

    Der Benutzer der Festplatte kann diese partitionieren. So kann eine Festplatte in mehrere Bereiche unterteilt werden, die man als Partitionen bezeichnet. Man kann sie sich als logische Festplatten vorstellen, die unter einem Betriebssystem als einzelne Laufwerke erscheinen. Der Anwender sieht also nur Laufwerke und es ist nicht offensichtlich, 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 Sektoren zu Blöcken 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. Bei MS-DOS und Windows 9x war die File Allocation Table das übliche Dateisystem.

    Schnittstellen
     
    Als Schnittstelle der Festplatte zu anderen Computer-Komponenten werden bisher hauptsächlich die parallelen Schnittstellen ATA (IDE, EIDE) (überwiegend bei PCs) oder SCSI (bei Servern und z.T. Workstations) verwendet.

    Mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit ergeben sich hierbei technische Schwierigkeiten, die für die Übertragungsrate eine obere Grenze setzen (bisher max. 320 MByte/s bei SCSI) und den Aufwand bei der Realisierung erhöhen. Deshalb wird seit einigen Jahren ein Übergang zu seriellen Schnittstellen angestrebt.

    Seit 2002 gewinnt das neue Verfahren Serial ATA (S-ATA oder SATA) an Bedeutung. Die Vorteile gegenüber ATA (zur Abgrenzung nun vermehrt P-ATA oder PATA genannt) sind der höhere mögliche Datendurchsatz und die einfachere Verkabelung. 2005 werden 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.

    Es werden auch universelle Schnittstellen wie FireWire oder USB für den Anschluss externer Festplatten verwendet, hierbei sind jedoch die eingebauten Festplatten selbst mit herkömmlichen (meist ATA oder S-SATA) Schnittstellen ausgestattet, die Signale werden durch eine eigene Elektronik für die nach aussen geführte Schnittstelle umgesetzt.

    Eine weitere Option, nämlich die Kommunikation via Fibre Channel-Interface ist noch leistungsfähiger und für die Verwendung in Speichernetzwerken (Storage Area Network, SAN) konzipiert. Auch hier werden nicht die Festplatten selbst mit Fibre angesprochen, sondern haben herkömmliche Anschlüsse. Einen konkurrierenden Ansatz verfolgt iSCSI, jedoch unter Verwendung von IP-Netzen.

    In diesem Dokument werden Materialien aus dem Artikel "Festplatte" (Stand: Donnerstag, 24. Mai 2005 ) aus der freien Enzyklopädie Wikipedia verwendet. Dieser Text steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Eine Liste der früheren Autoren ist hier verfügbar.


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