1.4.5.2    Festplatten / Harddisk

Die Festplatte ist ein Massenspeicher auf dem alle Daten und Anwendungen eines Computersystems gespeichert sind.
Bei jedem Start eines Computers greifen die Startroutinen des Bios auf die Festplatte zu und sorgen für das Laden und Ausführen des Betriebssystems. Über das Betriebssystem hat der Anwender die Möglichkeit auf seine Daten und Anwendungsprogramme zuzugreifen oder dauerhaft zu speichern. Die Festplatte bietet ein sehr gutes Preis/Leistungsverhältnis. D. h., geringe Kosten pro Byte bei hoher Zugriffsgeschwindigkeit.

Der Begriff Festplatte (engl. Harddisk, HDD) kommt durch die Unterscheidung zur inzwischen veraltete Diskette (engl. Floppydisk, FDD), die als wechselbarer Datenträger bekannt ist. Die Festplatte ist durch ihre Art, fest in das Gehäuse eines Computers eingebaut zu sein, benannt worden.

In einem geschlossenem Metallgehäuse befinden sich alle Komponenten, die für das Funktionieren der Festplatte wichtig sind. Als einziger Kontakt zum Computersystem dient eine Anschlussleiste für eine Schnittstelle (IDE, S-ATA, SCSI, etc.), über die die Daten wandern.
Der eigentliche Datenspeicher einer Festplatte ist eine Metallscheibe (z. B. Aluminium), die mit einem magnetisierbaren Material beschichtet ist. Um die Speichermenge zu erhöhen liegen mehrere Scheiben übereinander. Die Scheiben sind um eine Drehachse mittels Halteklammern befestigt und dadurch voneinander getrennt. Zwischen den Metallscheiben greifen die Schreib-Lese-Kopf-Arme hinein. Auf diesen Armen befindet sich eine federnde Aufhängung. Auf dieser ist der Kopf befestigt, der zum Lesen und Schreiben der Daten dient. Der Abstand zwischen einem Kopf und der Scheibe ist geringer, als ein Haar, Staub- oder Rauchpartikel. Die Berührung von Kopf und Scheibe führt zum Head-Crash, der wiederum zum Datenverlust führt, was die Festplatte unbrauchbar macht. Bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten, bei der sich eine Festplatte dreht, bildet sich ein Luftpolster zwischen Kopf und Platte.

Die Schreib-Lese-Arme werden von einem Motor gesteuert, der zur Kopfpositionierung dient. Während des Festplattenbetriebs rotieren die Scheiben ständig. Während des Schreib- oder Lese-Vorgangs werden die Arme und damit die Köpfe hin und her bewegt. Damit die Schreib-Lese-Köpfe beim Transport keinen Schaden nehmen, werden die Arme beim Stromverlust in eine Parkposition gebracht und arretiert. Der dafür nötige Strom wird von einem Generator erzeugt, der die Schwungmasse der Plattenrotation ausnutzt.

Zur Steuerung des Motors befindet sich direkt daneben die Armelektronik. Unterhalb dieser ganzen Konstruktion befindet sich die Platine, auf der sich die Laufwerkselektronik befindet.
Um das Eindringen von Staub und Schmutz in das Gehäuse zu verhindern, ist die Festplatte ein ein nahezu luftdichtes Gehäuse verschlossen.

1954 wurden Festplatten erstmals industriell eingesetzt. Seit dem hat sich sehr viel getan. Vorallem die Speicherdichte führte zu den uns heute bekannten hohen Speicherkapazität. Im Prinzip funktioniert die heutige Festplatte genauso wie die ersten Modelle.
Ein Schreibkopf wird über die magnetisierbare Scheibe bewegt. Im Kopf befinden sich eine Spule, die von einem Strom durchflossen wird. Das entstehende Magnetfeld magnetisiert die Stelle unter dem Kopf. So entstehen viele kleine magnetisierbare Bereich die kreisförmig auf der Scheibe angeordnet sind.
Beim Lesen induzieren die kleinen magnetischen Bereiche ein Magnetfeld in der Spule des Kopfes. Es wird eine Spannung induziert. Diese wird verstärkt und als Datenstrom ausgelesen.

In der Entwicklung von der ersten Festplatte bis heute wurden die Schreib- und Lesevorgänge immer schneller und die Speicherstruktur immer kleiner. Diese Speicherstruktur muss man sich wie winzige Stabmagneten vorstellen, die in einer langen Kette hintereinander liegen. Man nennt dieses Schreib-Lese-Verfahren Longitudial Recording. Mit diesem Verfahren werden 120 GBit pro Quadratzoll Speicherdichte erreicht. Dieser Wert gilt als Grenze, bis zu der sich der superparamagnetische Effekt in den Griff bekommen lässt. Bei superparamagnetischen Effekt reichen bereits geringfügige äußere Einflüsse, z. B. Temperaturschwankungen, um die magnetische Ausrichtung der Speicherbereiche umzukehren. Die Daten wären dann verloren.

Perpendicular Recording geht auf die Forschung des dänischen Wissenschaftlers Valdemar Poulsen zurück. Im späten 19. Jahrhundert zeichnete er Töne erstmals mit Perpendicular Recording magnetisch auf.

Der Name dieser Aufzeichnungstechnik kommt von der vertikalen Anordnung der Speicherbereiche auf der Oberfläche der magnetischen Scheibe. Der wesentliche Unterschied ist der geringe Platzverbrauch jedes einzelnen Speicherbereichs im Vergleich zu Longitudial Recording. Man spricht davon, dass 1 Tera Bit pro Quadratzoll möglich ist.
Für Perpendicular Recording muss ein neuer Schreibkopf und ein neues Speichermedium her. Die Feldlinien müssen über den Schreibkopf senkrecht in das Medium eindringen, um eine senkrechte Magnetisierung eines Speicherbereichs zu ermöglichen. Deshalb hat der Schreibkopf zwei unterschiedliche Schenkel. Im Medium wird der obere Schreibkopf durch eine zweite untere magnetische Schicht gespiegelt. Dieser Magnet ist nicht wirklich da. Die untere Schicht verhält sich jedoch so, also ob es ihn geben würde. Die Feldlinien treten aus dem breiten Schenkel heraus und in den dünnen Schenkel hinein. Die senkrecht verlaufenden Feldlinien erzeugen einen senkrecht ausgerichteten Speicherbereich.

Zum Lesen der Speicherbereiche wird ein üblicher Lesekopf verwendet.

Um die Daten, die auf den magnetischen Platten abgelegt werden, wieder gefunden werden, ist es notwendig eine Einteilung der Magnetscheiben vorzunehmen. Als erster Schritt wird eine herstellerseitige Low-Level-Formatierung vorgenommen. Dazu wird auf den Scheiben Spuren angelegt. Es handelt sich dabei um einen konzentrischen Kreis, der auf allen Magnetscheiben in der Festplatte gleich sind. die Spuren werden vom äußeren Rand der Platte nach innen, beginnend bei 0, durchnummeriert. Der Abstand der Spuren, die Spurdichte, bestimmt die Speichermenge. Diese Dichte wird in Spuren pro Zoll (Tracks per Inch, TPI) angegeben.

Die Anordnung mehrerer Spuren (durch übereinander gelagerte Magnetscheiben) nennt man Zylinder.
Die Spuren werden wiederum in kleinere Abschnitte eingeteilt. Dieser Abschnitt nennt sich Sektor und entspricht einem Kreisausschnitt.

Digitale Videorekorder nehmen als Ersatz für die alten VHS-Geräte platz in unseren Wohnzimmern. Sie werden hauptsächlich für die Kurzzeitspeicherung von Filmen und Sendungen verwendet. Auch das zeitversetzte Fernsehen (Timeshift) wird so realisiert.
Allerdings müssen Festplatten in Video-Rekordern ganz andere Aufgaben erfüllen, als in einem Computer. Im Rekorder ist es wichtig, dass die Daten schnell geschrieben und gelesen werden können. Und das nach Möglichkeit an einem Stück. Deshalb gibt es für den CE-Bereich spezielle Festplatten, die im Handel eigentlich nicht erhältlich sind. Hin und wieder soll es vorkommen, dass CE-Festplatten im Handel auftauchen oder bei eBay versteigert werden. Außer in Festplatten-Rekordern wird man mit ihnen nicht glücklich. Für den Einsatz in Computern sind sie ungeeignet.

CE-Festplatten zeichen sich u. a. durch die großen Cluster aus, die bis zu 1 MByte betragen können. Das macht eine Defragmentierung überflüssig, weil die Daten trotz Verschachtelung immer noch relativ dicht beieinanderliegen. Bei Video-Aufnahmen handelt es sich schließlich um große, dafür wenige Datensätze.

Ein weiteres Merkmal ist der äußerst geringe Geräuschpegel, der in der Regel durch eine reduzierte Drehzahl erreicht wird. Meist profitiert man dann sogar von einem geringen Stromverbrauch, was den Netzteilen zu Gute kommt, die für geringere Leistung dimensioniert werden. Kühlmaßnahmen sind nicht in dem Maße erforderlich, wie bei einem Computer.

Ein weiteres Detail wurde von der Filmindustrie gefordert. Die CE-Festplatten bzw. deren Inhalt sind mit einem Passwort geschützt. Die Festplatte ausbauen und die Daten zur Vervielfältigung auslesen geht also nicht.
Wenn man einen älteren Festplatten-Rekorder mit einer größeren Festplatte ausstatten will, dann ist nicht sicher, ob der Controller mit dieser Festplatte zusammenarbeitet. Man sollte dann aber davon ausgehen, dass der Rekorder die Festplatte mit einem Passwort schützt und danach nicht mehr anderweitig zu verwenden ist.