Festplatte

Festplatten

Die Festplatte (Hard Disk) ist ein dauerhafter Speicher, der sowohl das Betriebssystem, als auch die Anwendungsprogramme und individuellen Einstellungen vorhält. Ihren Namen hat sie im Unterschied zur Floppy-Disk erhalten, einer weichen Scheibe, die kaum noch in Verwendung ist. Festplatten werden aufgrund ihrer Speicherkapazität, der Zugriffsgeschwindigkeit, der Datentransferleistung, der Speichertechnik sowie der verwendeten Schnittstelle unterschieden. Ein weiteres Merkmal ist die Größe des Gehäuses, was vor allem beim Einbau in Laptops zu beachten ist.

Insbesondere Laptopfestplatten sind ständigen Erschütterungen ausgesetzt, sodass eine regelmäßige Datensicherung Pflicht ist. Im Gegensatz zur Datensicherung auf Desktop-PCs eignet sich hier nicht die Datenrettung per Partitionierung, da die Daten ja auf dem selben physikalischen Laufwerk verbleiben.

Bauformen von Festplatten

Seit den 90er Jahren bis jetzt kamen vier Bauformen (Breite) für Festplattenlaufwerke zum Einsatz:

• 5,25 Zoll, also die Breite eines CD-Laufwerkes
• 3,5 Zoll, die auch heute noch übliche Festplattengröße in normalen PCs
• 2,5 Zoll, vor allem für Notebooks und Mini-PCs
• 1,8 Zoll, für MP3-Player und Handhelds

Die letzte 5,25 Zoll Festplatte erschien im Jahr 1996 als „Quantum Bigfoot“. Diese Festplatte bot viel Platz für wenig Geld. Heutzutage beherrschen jedoch 3,5 Zoll Festplatten im normalen PC-Segment den Markt, während 2,5 Zoll Festplatten vorrangig in Laptops Verwendung finden. Die seltenen 1,8 Zoll Festplatten, die auch als Ersatz für Compact-Flash Karten verwendet werden können, werden hauptsächlich in großen MP3-Playern sowie in Spiegelreflex-Digitalkameras eingesetzt, in denen Flash-Speicherkarten nicht ausreichen.

Neben der standardisierten Breite des Festplattengehäuses ist in manchen Notebooks auch die Bauhöhe zu beachten. Z.B. vertragen einige Apple Macbooks nur Festplatten mit einer maximalen Höhe von 9mm, obwohl viele handelsübliche 2,5 Zoll Festplatten bis zu 12mm hoch sind. Dies sind jedoch Einzelfälle und nicht die Regel.

SSD-Festplatten werden meist ebenfalls in der Notebook-verträglichen Breite von 2,5 Zoll gefertigt, bzw. sogar noch kleiner im 1,8 Zoll-Format.

Datentransferrate

Neben der Zugriffsgeschwindigkeit ist auch die Geschwindigkeit des kontinuierlichen Datenflusses sehr wichtig und wird in MB (Megabyte) pro Sekunde angegeben. Dieser Wert besagt gemeinsam mit der mittleren Zugriffszeit die Geschwindigkeit der Festplatte. Besonders bei Anwendungen, die mit großen Dateien arbeiten, wie Grafik- und Videobearbeitung ist die Datentransferleistung ausschlaggebend. Sie liegt typischerweise zwischen 50-70 MB/s.

Festplatten Schnittstellen

In den 90er Jahren beherrschten zwei Schnittstellenstandards den Markt: IDE und SCSI. Die günstigeren IDE – Festplatten boten einen geringeren Datendurchsatz und belasteten den Hauptprozessor (CPU) in hohem Maße, da dieser die einzelnen Datenpakete „manuell“ anfordern musste. Der SCSI-Controller hingegen war so intelligent, dass er die Daten selbstständig über einen direkten Speicherzugriff (DMA) transportieren konnte.

Ab 2003 verdrängten die immer schneller und intelligenter werdenden IDE-Definitionen die teureren SCSI-Platten, sodass sie nur noch in Hochleistungsnischen wie Serversystemen und Grafikworkstations eingesetzt wurden.

Sowohl die IDE- als auch die SCSI Schnittstelle transportierten die Daten parallel, d.h. zwei Bytes (16 Bit) werden über ein breites Flachbandkabel gleichzeitig übertragen. Schnellere Schnittstellenbausteine erlauben seit ungefähr dem Jahr 2006 jedoch auch eine serielle Übertragung der Daten, sodass der IDE-Standard dem S-ATA (Serial-ATA) weichen musste und die SCSI-Schnittstelle zur seriellen SAS-Schnittstelle wurde.

Vorteil dieser seriellen Lösung ist ein dünneres, weniger anfälliges Verbindungskabel sowie ein weiterentwickeltes, schnelleres Datenprotokoll.

So werden Festplatten für den privaten und Bürobereich ausschließlich mit einem SATA-Interface, und Serverplatten vor allem mit einer SAS-Schnittstelle angeboten. Festplatten mit einer SAS-Schnittstelle werden aufgrund der höheren Anforderungen meist mit einem größeren Zwischenpuffer (Cache) versehen, sodass sie einen weiteren Geschwindigkeitszugewinn erreichen.

Doch macht es kaum Sinn, eine Serverplatte in einen Büro-Computer einzusetzen, da die Geräusche aufgrund der ebenfalls höheren Plattenumdrehungsgeschwindigkeit von bis zu 10000 Umdrehungen pro Minute allenfalls in einem Serverraum zu ertragen sind.

Speicherkapazität

Das wesentlichste Merkmal einer Festplatte ist die Speicherkapazität, also die Menge an Daten, die auf ihr gespeichert werden können. Diese wird in Gigabyte (GB) oder auch in Terrabyte (TB) angegeben. Bei der Auswahl der richtigen Festplatte ist das vorgesehene Anwendungsgebiet ausschlaggebend. Besonders anspruchsvoll sind Videobearbeitung sowie Serversysteme, auf denen Anwendungsdaten zentral gespeichert werden. Das Betriebssystem selbst benötigt meist nur einen kleinen Teil des verfügbaren Platzes. Sollte eine Festplatte im Laufe der Zeit zu klein werden, besteht einerseits die Möglichkeit, diese auszutauschen und die darauf gespeicherten Daten 1:1 zu übertragen, oder es kann auch eine zusätzliche Festplatte verbaut werden, auf der dann gezielt weitere Anwendungsdaten abgelegt werden können. Eine weitere Festplatte bietet den Vorteil, auch als Backup (Datensicherungslösung) dienen zu können.

Speichertechnik von Festplatten

Grundsätzlich zu unterscheiden sind mechanische Festplatten, bei denen eine oder mehrere magnetische Platten um die eigene Achse drehen, und dabei von einem Schreib/Lesekopf abgetatstet werden und SSDs, welche die Daten ohne mechanische Komponenten speichern. Dabei verdrängen die momentan noch teureren und mit weniger Fassungsvolumen behafteten SSD-Drives langsam aber sicher die mechanischen und anfälligeren regulären Festplattenlaufwerke. Mit steigender Stückzahl und damit verbundenen sinkenden Herstellungskosten ist es nur eine Frage der Zeit, wie ähnlich bei den LCD- und Röhrenmonitoren schon geschehen, die SSD-Laufwerke die mechanischen Laufwerke verdrängen.

Mechanische Festplatten

Bei herkömmlichen mechanischen Festplatten drehen die Magnetplatten mit einer hohen Geschwindigkeit von bis zu 10000 Umdrehungen pro Minute und der Schreiblesekopf schwebt in mikroskopisch geringem Abstand über die Oberfläche der Platten. Aus diesem Grund sind magnetische Festplatten im laufenden Betrieb sehr erschütterungsempfindlich und geben aufgrund der beständigen mechanischen Bewegung auch ein Geräusch von sich.

SSD-Laufwerke

Eine weitere, in den letzten Jahren immer häufiger verwendete Speichertechnik steckt in SSD-Festplatten. Diese greifen auf sogenannten Flash-Speicher zurück. Das sind aus Transistoren (winzige elektronische Schalter) und Kondensatoren (winzige elektrische Speicher) zusammengesetzte Speicherzellen, die im Unterschied zum RAM (Arbeitsspeicher) ihren Inhalt auch ohne Betriebsspannung behalten.
Vorteil der SSDs ist der geringere Stromverbrauch, die höhere Zugriffsgeschwindigkeit sowie die mechanische Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen. Nachteilig ist der weitaus höhere Preis und die geringere verfügbare Speicherkapazizät von SSDs. Auch kann eine einzelne Speicherzelle theoretisch nur wenige tausend Male neu beschrieben werden, was durch einen intelligenten eingebauten Controller jedoch so gemanaged wird, dass dies praktisch nicht zum Tragen kommt.

Die tatsächliche Geschwindigkeit von SSDs hängt von der Art der verbauten Speicherzellen (SLC oder MLC) sowie von der Intelligenz des eingebauten Controllers ab. Moderne Speichercontroller sprechen mehrere Zellen gleichzeitig an und berechnen voraus, welche Speicherzelle wohl als nächste benötigt wird. So wird sowohl eine hohe Zugriffsgeschwindigkeit, als auch eine hohe Datentransfergeschwindigkeit erzielt.

Vor allem in Notebooks bieten sich SSDs immer mehr an, da die Speicherkapazität für die meisten Anwendungen ausreichend ist und die mechanische Robustheit, der geringere Strombedarf sowie das fehlende Laufgeräusch ideal für mobile Computer ist. So bleibt in diesem Segment der Anschaffungspreis das ausschlaggebende Kriterium.

Zugriffsgeschwindigkeit

Die Zugriffsgeschwindigkeit ist die Zeit in Millisekunden (ms), die zwischen der Anforderung der Daten und dem tatsächlichen Abruf vergehen. Dabei wird meist die mittlere Zugriffsgeschwindigkeit angegeben, also dem Durchschnitt aller zufälligen Leseereignisse. Bei mechanischen, also magnetischen Festplatten dauert der Zugriff unterschiedlich lange, je nachdem, wie weit die nacheinander gelesenen Daten auf der physikalischen Platte auseinander liegen. Typischerweise liegt die mittlere Zugriffszeit bei ca. 10ms. Diese ist sowohl von der Umdrehungsgeschwindigkeit der mechanischen Platten (typisch 5400-7200 Umdrehungen pro Minute) als auch von der Datendichte der Platten abhängig.

SSDs (Solid State Disk) haben meist eine schnellere Zugriffszeit, da sie keinerlei mechanische Komponenten enthalten und ähnlich wie beim RAM direkte Speicherzellen adressieren. Je nach verbauter Technik sind SSDs weitaus schneller oder auch langsamer als herkömmliche, mechanische Festplatten. In jedem Fall sind die Kosten pro GB weitaus höher anzusetzen.

Wiederherstellen von Festplatten

Ist eine Datenpartition einmal gelöscht, scheint die Festplatte leer zu sein. Doch da lediglich die Dateizuordnungstabelle überschrieben wurde, sind die Daten meist unversehrt und wieder herstellbar. Gelöschte Daten als solche können nur unter hohem Aufwand wiederhergestellt werden, darum geht es in diesem Artikel nicht. Hier geht es darum, wie eine gelöschte Dateizuordnungstabelle wieder hergestellt werden kann.

Dateisystem

Je nach verwendetem Dateisystem existieren eventuell noch Kopien der Dateizuordnungstabelle. Nach dieser schaut ein Wiederherstellungsprogramm zuallererst, denn damit wären alle Daten sofort wieder zugreifbar. Da jedes Dateisystem seine spezielle Organisation besitzt, und seine eigene Art, Dateien zu fragmentieren, muss das Programm dies berücksichtigen können.

Fragmentierungsgrad der Dateien

Existiert keine Kopie der Dateizuordnungstabelle, so muss das Wiederherstellungsprogramm jeden einzelnen Sektor der Festplatte daraufhin untersuchen, ob ein typisches Dateimuster zu erkennen ist. er Anfang einer .JPG Datei zum Beispiel ist an einer typischen Byte-Signatur zu erkennen, ihr Ende ebenfalls. So kann das Wiederherstellungsprogramm auf diesem Wege die rohen Daten zu neuen Dateien kombinieren. Problematisch wird jedoch der typische Fall der Fragmentierung, also wenn Dateien über mehrere Sektoren zerstreut sind. Dann ist es nur mit äußerst hohem Aufwand möglich, die Dateien vollständig zu rekonstruieren.

Verfügbare Tools

Der Markt der Wiederherstellungsprogramme ist groß und unübersichtlich. Einige Programme bieten Trial-Versionen, die jedoch einen so eingeschränkten Leistungsumfang besitzen, dass man im Unkklaren bleibt ob es für die Wiederherstellung der Daten ausreicht. Andere Programme scannen tagelang über die Festplatte, um schließlich nichts zu finden. Wirklich leistungsfähige und kostenfreie Tools scheint es lediglich für Unix-Betriebssysteme zu geben.