Festplatte: Aufbau, Funktion und Datensicherung

HDD ist die englische Abkürzung für „hard disk drive“, auf Deutsch Festplattenlaufwerk. Eine HDD ist ein magnetisches Speichermedium. Sie speichert Daten dauerhaft. Das ist wichtig, denn der Arbeitsspeicher eines Computers verliert seine Daten beim Abschalten. Deshalb haben Computer zusätzlich einen Festspeicher wie die Festplatte.

Eine HDD besteht aus mehreren Teilen: einer oder mehreren rotierenden Scheiben (englisch „Platter“), einer Achse (Spindel), auf der die Scheiben übereinander sitzen, einem Elektromotor, der die Spindel antreibt, und beweglichen Schreib-Lese-Köpfen.

Üblich ist es, alle Oberflächen der Scheiben zu nutzen. Jede Scheibe hat zwei Seiten, also zwei Oberflächen. Bei n Scheiben gibt es 2n Oberflächen und ebenso viele Schreib-Lese-Köpfe, denn zu jeder Oberfläche gehört ein Kopf. Zu zwei Scheiben gehören also vier Köpfe.

Beim Schreiben nutzt die HDD die magnetische Beschichtung der Scheibe. Der Schreib-Lese-Kopf ist im Prinzip ein winziger Elektromagnet. Je nach Wert des Bits (0 oder 1) fließt der Strom in die eine oder die andere Richtung. So magnetisiert der Kopf winzige Bereiche der Oberfläche unterschiedlich. Er berührt die Scheibe dabei nicht. Er schwebt auf einem Luftpolster, das durch die Reibung der Luft an der drehenden Scheibe entsteht.

Beim Lesen dreht sich die Scheibe am Kopf vorbei. Ändert sich die Magnetisierung, entsteht im Lesekopf ein kurzer Spannungsimpuls. Daran erkennt die HDD die gespeicherten Daten.

Dauerhaft bleiben die Daten, weil die Magnetisierung auch ohne Strom bestehen bleibt. Das nennt man Remanenz. Setzt der Kopf mechanisch auf der Scheibe auf, kann die Festplatte beschädigt werden (Head-Crash). Im laufenden Betrieb sollte man sie deshalb möglichst nicht bewegen und keinen Erschütterungen aussetzen.

Der Kopf magnetisiert die Scheibe auf kreisförmigen Spuren. Das sind Ringe, die alle um dieselbe Mitte liegen. Eine Scheibe enthält typischerweise einige tausend Spuren, meist auf beiden Seiten. Alle übereinanderliegenden gleichen Spuren der Oberflächen heißen zusammen Zylinder.

Jede Spur ist in kleine Einheiten geteilt, die Blöcke heißen (auch Sektoren genannt). Ein Block enthält traditionell 512 Byte Nutzdaten. Üblich sind auch Blöcke mit 4096 Byte. Die Größe eines Blocks gibt man in Byte an. Ein Block ist die kleinste Datenmenge, die man ansprechen kann. Seine Adresse besteht aus Spur, Sektor und Oberfläche (Kopf). Die Festplatte liest und schreibt über die Schnittstelle immer nur ganze Blöcke, nicht einzelne Bytes.

Eine Festplatte hat wahlfreien Zugriff: Der Kopf muss nicht den ganzen Speicher von vorn durchlaufen. Er fährt direkt zur gesuchten Spur und wartet, bis der richtige Block darunter vorbeikommt. Ein Magnetband dagegen muss man der Reihe nach durchlaufen. Das nennt man sequentiellen Zugriff.

Schnell ist das nicht immer: Der Kopf muss bewegt werden und die Scheibe muss sich drehen. Diese Verzögerungen lagen Stand 2009 bei etwa 6–20 ms. Eine ms ist eine Millisekunde, also ein Tausendstel einer Sekunde. Wenn man viele Blöcke nacheinander liest, kann der sequentielle Zugriff schneller sein als viele wahlfreie Sprünge zu weit verteilten Adressen.

Die Kapazität sagt, wie viele Daten auf die Festplatte passen. Du rechnest: Kapazität = Blockgröße · Anzahl der Blöcke. Die Blockgröße ist zum Beispiel 512 oder 4096 Byte.

Die Anzahl der Blöcke bekommst du aus der Bauweise: Anzahl der Blöcke = Köpfe · Zylinder · Sektoren pro Spur. Die Zahl der Zylinder entspricht den Spuren je Oberfläche. Die Zahl der Köpfe entspricht den Oberflächen.

Hersteller rechnen mit Zehnerpotenzen: Ein Terabyte sind 10¹² Byte. Windows und einige ältere Betriebssysteme benutzen dieselben Namen, rechnen aber mit Zweierpotenzen. Deshalb zeigen sie bei einer Festplatte mit einem Terabyte laut Hersteller nur 931 „Gigabyte“ an. Die Platte ist nicht kleiner. Es sind nur zwei Rechenweisen.

Beim Zugriff vergeht Zeit. Sie besteht aus der Spurwechselzeit (der Kopf fährt zur Spur), der Latenzzeit (die Scheibe dreht den Block unter den Kopf) und der Kommandolatenz. Das ist die Zeit, die der Controller der Festplatte braucht, um den Befehl zu verstehen und die nötigen Schritte zu steuern. Sie ist heute vernachlässigbar.

Die Latenzzeit hängt von der Drehzahl ab. Sie wird in U/min angegeben, das heißt Umdrehungen pro Minute. Im Mittel dauert es eine halbe Umdrehung, bis ein bestimmter Sektor unter dem Kopf ist. Du rechnest: mittlere Latenzzeit in ms = 30.000 : Drehzahl in U/min. Du kannst auch die Zeit für eine volle Umdrehung nehmen und sie halbieren.

Die HDD speichert Daten magnetisch auf drehenden Scheiben mit beweglichen Teilen. Eine SSD (englisch „solid-state drive“) ist ein nichtflüchtiger Speicher, heute überwiegend aus Flash-Speicherzellen aufgebaut. Sie hat keine beweglichen Teile. Sie ist unempfindlich gegen Stöße und arbeitet geräuschlos. Sie hat wesentlich schnellere Zugriffszeiten. Ihre Speicherzellen halten aber nur eine beschränkte Anzahl von Schreibzyklen aus. Als Archiv ist sie nicht geeignet, weil sie nach einigen Jahren ohne Stromversorgung Daten verlieren kann.

Der Arbeitsspeicher (RAM) enthält die Programme und Daten, die der Computer gerade braucht. Er ist flüchtig: Beim Abschalten gehen seine Daten verloren. Dafür ist er sehr schnell. Der Zugriff dauert nur wenige Nanosekunden. Das sind Zeiten, die noch viel kürzer sind als Millisekunden, und es entspricht einem Millionstel der Zeit einer Festplatte. Reicht der Arbeitsspeicher nicht, lagert das Betriebssystem Teile auf die Festplatte aus. Das ist viel langsamer.

Datensicherung heißt: Du legst mindestens eine Kopie auf einem anderen Datenträger an. Gehen die Originale verloren, kannst du sie daraus wiederherstellen. Die 3-2-1-Regel hilft dabei: 3 Kopien der Daten, 2 verschiedene Medientypen (zum Beispiel Festplatte und Cloud) und 1 Kopie an einem anderen Standort. Die Cloud ist eine Online-Sicherung, meist in einem Rechenzentrum. Eine externe Festplatte kannst du nach dem Sichern vom Computer trennen, damit ein Angreifer die Kopie nicht löschen oder verschlüsseln kann.

Sichere regelmäßig. Für einen privaten PC kann eine monatliche Sicherung durchaus ausreichen. Teste auch, ob du die Daten wirklich zurückholen kannst. Die Festplatte überwacht sich außerdem selbst auf Zuverlässigkeit. Diese eingebaute Überwachung heißt S.M.A.R.T. Sie warnt aber nicht immer vor einem Ausfall: Das Wikibooks-Buch zur Computerhardware nennt, dass ein Drittel der Festplatten ohne vorherige S.M.A.R.T.-Warnung ausfällt. Verlass dich also nicht darauf.