Festplatten und Dateisysteme - Robert Steichele

Festplatten,
Schnittstellen
und
Dateisysteme

Merkmale von Festplatten (Aufbau):
• Festplatten bestehen aus mehreren Scheiben
• Die Scheiben einer Festplatte sind über einer Zentralverankerung miteinander
verbunden
• Oberhalb und unterhalb jeder Scheibe befindet sich mindestens ein Arm mit einem
Schreib- und Lesekopf.
• Der Arm kann an jeder beliebigen Stelle der Platte positioniert werden.
Festplatten rotieren im Gegensatz zu Disketten ständig, und nicht nur wenn sie
angesprochen werden. Bei einer Geschwindigkeit von ca. 3600-15000 U/Min, schweben
die Magnetköpfe in einem Abstand von ungefähr 0,3-0,5 nm (siehe Zeichnung) über der
Plattenoberfläche (Zitat www.testticker.de: Das ist so, als flöge man mit einem Jumbojet
08 mm über der Erdoberfläche). Die Köpfe dürfen während des Betriebs niemals die
Plattenoberfläche berühren. Erst beim Ausschalten des PC werden die Köpfe auf die
Parkspur der Platte abgesenkt. Falls die Köpfe während des Betriebs die Oberfläche
berühren, ist dies der gefürchtete „Head-Crash“, womit die Festplatte in den meisten
Fällen unwiederbringlich zerstört ist.
Genauso wenig darf eine Festplatte in normalen Räumen geöffnet werden. Bei einer
Öffnung ist die Festplatte unwiederbringlich zerstört, weil sich sofort feinste
Staubpartikel auf den Plattenoberflächen ablegen.
Fingerabdruck Schreib- / Lesekopf
Die Festplatten werden von den Herstellern physikalisch formatiert. Diese
Datenträgerorganisation bezieht sich auf die Grundbausteine: Spuren, Zylinder und
Sektoren.
• Spuren: Konzentrische Kreispfade auf jeder Scheibenseite. Jede Spur erhält eine
Nummer. Die Spur „0“ liegt immer am äußeren Rand.
• Zylinder: Der Spurensatz, der auf allen Seiten der Platten im gleichen Abstand von
der Mitte angelegt wird, sind die Zylinder. Hardware und Software
arbeiten häufig mit diesen Zylindern.
• Sektoren: Die Ausschnitte der Spuren werden als Sektoren bezeichnet. In ihnen
kann eine bestimmte Datenmenge gespeichert werden.
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Errechnen der Kapazität einer Festplatte
Die Kapazität einer Festplatte kann anhand ihrer Aufschrift festgestellt werden, indem
man die Anzahl der Zylinder, der Köpfe und der Spuren multipliziert. Daraus ergibt sich
die Zahl der logischen Blöcke. Jeder dieser Blöcke hat eine Größe von 512 Byte. Wenn
jetzt die logischen Blöcke x 512 Byte genommen werden, ergibt sich die Kapazität der
Festplatte.
Beispiel:
Western Digital Caviar 24300 (4,3 GB)
Zylinder: 8912
Köpfe: 15
Spuren: 63
8912 x 15 x 63 = 8421840 logische Blöcke
8421840 x 512 Byte = 4311982080 Byte = 4311982 KB = 4311 MB = 4,3 GB
Schnittstellen
Bei Festplatten unterscheidet man zwischen verschiedenen Schnittstellen.
Dies wären:
• ST506 / ST412
• IDE
• SCSI
Da die STx-Schnittstellen anfangs der 80er Jahre für Festplatten mit ca. 5 MB aktuell
waren, bleiben uns heute noch IDE (Integrated Device Electronic) und SCSI (Small
Computer System Interface).
IDE
IDE ist heutzutage die Standard-Schnittstelle für Festplatten. In der Regel befinden sich
die IDE-Ports direkt auf den Mainboards. Es gibt auch zusätzliche Controller für ISA-
oder PCI-Steckplätze, diese sind aber eher eine Ausnahme. IDE-Ports sind so
ausgelegt, dass maximal zwei Geräte pro Port angeschlossen werden können. Diese
werden als Master / Slave gejumpert. Wenn zwei Geräte an einem Port angeschlossen
werden kann immer nur eines arbeiten, nie beide gleichzeitig. Eine Weiterentwicklung
der IDE-Schnittstelle sind die Ultra-DMA 33/66/100/133 Schnittstellen. Diese arbeiten im
DMA-Modus welcher Daten von der Festplatte direkt zum Hauptspeicher, zur
Grafikkarte ... liefern kann, ohne Umweg über den Prozessor. Dies ist eine wesentliche
Entlastung des Prozessors und führt zu einer spürbaren Leistungssteigerung.
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SCSI
SCSI ist ursprünglich für Workstations und IBM-Großrechner entwickelt worden, mit dem
Augenmerk auf einem schnellen Datentransfer zwischen CPU und Peripherie. SCSI ist
keine reine Festplatten-Schnittstelle, sondern vielmehr eine busorientierte
Geräteschnittstelle, an welcher sich verschiedene Geräte wie Band-, CD-Rom-
Laufwerke, Scanner ... an einem sogenannten Hostadapter betreiben lassen.
Im Gegensatz zur IDE-Schnittstelle lassen sich an SCSI-Adapter mehr wie zwei Geräte
anhängen, welche zudem parallel und nicht seriell arbeiten. Dadurch können theoretisch
alle Geräte gleichzeitig arbeiten was eine drastische Erhöhung der
Datenübertragungsrate zur Folge hat.
SCSI ist ein Strang von Geräten, der am Adapter beginnt und mit einem Terminator
geschlossen wird. Alle Geräte erhalten eine ID, über welche sie angesprochen werden.
SCSI-Festplatten haben im Durchschnitt eine Geschwindigkeit zwischen 10000-15000
Umdrehungen pro Minute (IDE 3600-7200 Umdrehungen pro Minute). Dies wirkt sich
auch noch mal positiv auf die Geschwindigkeit aus.
Im Gegensatz zu der IDE-Schnittstelle wird SCSi in der Regel über Steckkarten (Host-
Adapter) und nicht direkt auf dem Board betrieben.
Ein ganz entscheidender Nachteil ist der hohe Preis. SCSI-Komponenten sind im Schnitt
1/3 teurer wie normale Komponenten.
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Partitionen
Eine Festplatte kann in einzelne zusammenhängende Bereiche (Partitionen) aufgeteilt
werden. Sie wirken wie separate Laufwerke und werden deshalb durch fortlaufende
eigene Buchstaben gekennzeichnet.
Vorteile von mehreren Partitionen:
• Übersichtlichere Organisation der Dateien,
• Schnellerer Datenzugriff,
• Datensicherung durch Verlagerung,
• Effizientere Nutzung der Festplattenkapazität
Man unterscheidet zwischen Primärpartitionen und erweiterten Partitionen.
Primärpartitionen:
Gespeichert sind:
• Betriebssystem
• Anwendungsprogramme, Dateien usw.
Der PC wird von einer Primärpartition (C:) aus gebootet.
Auf der Festplatte können mehrere Primärpartitionen für verschiedene Betriebssysteme
eingerichtet sein. Es kann allerdings nur eine aktiv sein.
Erweiterte Partitionen:
Es handelt sich dabei um weitere Physikalische Unterteilungen der Festplatte für die
eine logische Formatierung (logische Laufwerke) vorgenommen wird.
Formatieren von Partitionen
Das Formatieren einer Partition dient der Einrichtung eines Dateisystems.
Die Aufgaben von Dateisystemen sind:
• Verwaltung des belegten und freien Speicherplatzes.
• Verwaltung von Verzeichnissen und Dateinamen.
• Festhalten, wo die unterschiedlichen Teile einer Datei auf der Festplatte gespeichert
sind.
Beim Formatieren werden die Sektoren einer Festplatte zu sogenannten Clustern
zusammengefasst. Cluster sind die kleinste Einheit die auf einer Festplatte beschrieben
werden kann. Wie groß diese Cluster sind, ist abhängig vom verwendeten Dateisystem.
Die gebräuchlichsten und wichtigsten Dateisysteme sind FAT (File Allocation Table),
NTFS (New Technology FileSystem) und HPFS (High Performance FileSystem).
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Es gibt:
FAT 12: Disketten
FAT 16: DOS 6.2, Windows 3.11, Windows 95 / 98 / ME / NT / 2000 / XP
FAT 32: Windows 95 (ab Ver. B), Windows 98 / ME / 2000 / XP
NTFS: Windows NT / 2000 / XP
NTFS 5: Windows 2000 / XP
HPFS: OS/2
CDFS: Bei beschriebenen CD’s
FAT 16
DAS FAT-Dateisystem arbeitet mit einer 16-Bit-Adressierung, wodurch maximal 65536
Sektoren verwaltet werden können. Multipliziert man diesen Wert mit der ursprünglichen
Clustergröße von 2 KB ergibt sich dadurch die maximale Größe einer Partition von 128
MB.
Durch die 16-Bit-Verwaltung verändert sich die Clustergröße mit der Größe der
Festplattenpartition, was bedeutet, dass bei der maximalen Partitionsgröße von 2 GB
ein Cluster eine Größe von 32 KB aufweist. Da ein Cluster die kleinsten Einheiten sind,
die beschrieben werden können, belegt selbst eine 1 Byte große Datei immer einen
Speicherplatz von 32 KB, wenn man von der größtmöglichen Partitionsgröße von 2 GB
ausgeht.
Partitionsgröße Clustergröße
0 - 127 MB 2 KB
128 – 255 MB 4 KB
256 – 511 MB 8 KB
512 – 1023 MB 16 KB
1024 – 2047 MB 32 KB
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FAT 32
Seit Windows 95 b wird das FAT 32 – Dateisystem benutzt, welches eine 32–Bit–
Adressierung verwendet und deshalb auch nicht mehr zu FAT 16 kompatibel ist.
Max. Partitionsgröße Clustergröße
255 MB 512 Byte
8 GB 4 KB
16 GB 8 KB
32 GB 16 KB
2 TB 32 KB
FAT 32 erlaubt nunmehr eine maximale Partitionsgröße von 2 TerraByte (2048 GB).
Was jedoch für den Verschnitt auf einer Festplatte interessant ist, ist die Tatsache, dass
die einzelnen Clustergrößen geschrumpft sind und nicht mehr soviel Festplattenplatz
wie mit FAT 16 verschwendet wird
NTFS
Das NTFS-Dateisystem hat eine höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit wie die FAT-
Dateisysteme. Die Dateien einer NTFS-Partition sind von einem FAT-Datenträger (am
wichtigsten ist DOS) nicht sichtbar und damit auch nicht zu manipulieren.
NTFS vergibt für jeden Benutzer Zugriffsrechte, damit nur bestimmte Personen auf die
zuvor vom Systemadministrator festgelegten Dateien Zugriff haben. NTFS
unterscheidet, im Gegensatz zu FAT, zwischen Groß- und Kleinschreibung und
registriert eine zusätzliche Zeitangabe, wann die jeweilige Datei zuletzt aufgerufen
wurde.
Auch NTFS organisiert die Daten in Clustern, die entweder 512, 1024, 2048 oder 4096
Byte groß sind.
Max Partitionsgröße Clustergröße
511 MB 512 Byte
1 GB 1024 Byte
2 GB 2048 Byte
> 2 GB 4096 Byte
Da Windows NT (NTFS) mit einem 64-Bit-Adressierungsschema arbeitet, beträgt die
maximale Festplattenkapazität 2 hoch 64 oder 17 Milliarden GB.
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HPFS
HPFS wird von OS/2 und Windows NT (bis Ver. 3.5) unterstützt und arbeitet ähnlich wie
NTFS. Es erlaubt wie NTFS lange Dateinamen (254 Zeichen) und bietet entsprechende
Sicherheitsmechanismen, unterscheidet allerdings nicht zwischen Groß- und
Kleinschreibung.
HPFS verwendet keine Cluster, sondern arbeitet ausschließlich mit 512 Byte großen
Sektoren und organisiert diese in 8 Mbyte großen Einheiten. Dadurch erhöht sich die
Chance, dass Dateien nicht zerstückelt, sondern an einem Stück auf die Festplatte
geschrieben werden.
Einen weiteren Geschwindigkeitsvorteil gewinnt HPFS durch einen 2 Kbyte großen
Bereich, der sich zwischen den 8 Mbyte-Abschnitten befindet. Hier sind Datei-
Informationen abgelegt, die es ermöglichen, dass der Schreib- / Lesekopf nicht immer
erst zur Spur 0 bewegt werden muß, falls sich Dateien verändert haben. In der Spur 0
sind die Bootroutine und die Partitionstabelle lokalisiert, sie enthält also die
grundlegenden Dateiinformationen.
Der erhöhte Verwaltungsaufwand des HPFSystems führt ebenfalls zu einem erhöhten
Speicherplatzbedarf, der ungefähr dreimal größer ist als bei dem FAT-Format.
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