Wie ein Personalcomputer funktioniert - Teil 5: die Festplatte

Artikel | Veröffentlicht am 09.08.2016
Wie ein Personalcomputer funktioniert - Teil 5: die Festplatte

Der PC ist zentrales Arbeitsgerät, und das über sämtliche Branchen und Anwendungen hinweg. Doch wie funktioniert solch ein technisches Wunderwerk und welche Aufgaben übernehmen die eingebauten Komponenten wie Festplatte, Grafikkarte und Arbeitsspeicher? SONA Knowledge Base ist diesen und weiteren Fragen nachgegangen und liefert interessante Antworten rund um den Computer.

Dieser mehrteilige SONA Knowledge Base-Schwerpunkt zeigt mit jedem Beitrag, wie die internen Bauteile eines herkömmlichen PCs funktionieren und wie man sich das Zusammenspiel dieser Komponenten vorstellen muss. Hierfür betrachten wir genauer die interagierende Arbeitsweise von Prozessor, Mainboard, Arbeitsspeicher und Co.

Zentraler Datensammler und -speicher: die Festplatte

Der Begriff "Festplatte" hört sich mittlerweile schon ein wenig verstaubt an, angesichts der zunehmenden Konkurrenz aus dem SSD-Flash-Lager. Und doch nimmt diese permanente Speicherkomponente immer noch eine wesentliche Rolle ein, vor allem dort, wo es weniger auf Leistungsfähigkeit, sondern mehr um die reine Datenspeicherung zu vertretbaren Preisen ankommt. Und selbst diese Domäne machen SSD und Co. mittlerweile den magnetischen Speichereinheiten streitig. Doch wie funktioniert so eine Festplatte überhaupt?

Langlebig, kostengünstig, zuverlässig

1955, also vor mehr als 60 Jahren, fand die erste Festplatte, wie wir sie heute noch kennen, ihren Weg in einen Rechner. Seitdem funktioniert sie nach demselben Prinzip: Eine bestimmte Zahl an magnetischen Scheiben, die übereinander gestapelt sind, ohne sich zu berühren, drehen sich mit hoher Geschwindigkeit innerhalb des Festplattengehäuses. Dabei erfolgen bedarfsgemäß die Schreib- und Lesezugriffe, deren Leistungsdaten von diversen Merkmalen der Platten abhängen. Dazu gehört vor allem die Umdrehungsgeschwindigkeit, die in Umdrehungen pro Minute(UpM) gemessen wird. Aktuell sind vornehmlich Festplatten am Markt, die mit 5.400 und 7.200 UpM rotieren. Im professionellen Segment sind auch Platten verfügbar, die mit bis zu 15.000 UpM arbeiten.

Auf die richtige Größe kommt es an

Aktuell gibt es drei Festplattengrößen, die den Durchmesser der rotierenden Scheiben bezeichnen. Das sind Modelle mit 3,5 Zoll, 2,5 Zoll und 1,8 Zoll. Die 3,5-Zoll-Platten kommen vor allem in Desktop-PCs, Servern und Workstations zum Einsatz und nehmen bis zu 10 Terabyte an Daten auf, die große Masse an Festplatten weisen allerdings nicht mehr als 6 TB Speicherkapazität auf. Die kleineren 2,5-Zoll-Komponenten kommen vor allem in Notebooks und externen Festplatten ohne eigene Stromversorgung zum Einsatz. Hier stellen 4 Terabyte die aktuelle Obergrenze dar, die Mehrzahl an 2,5-Zoll-Platten weisen allerdings nicht mehr als 2 TB auf.

Das Innenleben einer Festplatte: Platten, Motor und Aktoren

Eine Festplatte besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: aus mehreren magnetisch geladenen Platten bzw. Scheiben, die von einem Motor angetrieben werden, und dem Aktor, der dafür sorgt, dass die Lese-/Schreibköpfe innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne an der richtigen Stelle positioniert werden. Die Platten bestehen meist aus Glas und weisen daher eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Diese Platten werden mit einer Außenschicht versehen, die aus Eisenoxid oder Kobalt besteht, was der Festplatte ihre magnetische Eigenschaft verleiht. Darüber wird noch eine Schutzschicht angebracht, die aus Kohlenstoff besteht und die Platten vor mechanischen Schäden schützen soll.

Datenzugriffe richtig organisieren: eigener Controller und Cache

Für das bestmögliche Schreib- und Leseverhalten sind die aktuellen Festplatten mit einem eigenen Controller ausgestattet, der bestimmt, zu welchem Zeitpunkt die Lese-/Schreibköpfe an der gewünschten Stelle positioniert werden. Darüber hinaus sind die Platten mit einem eigenen Cache-Speicher ausgestattet, was die Zugriffszeiten und die Datenrate der aktuellen Festplattenmodelle erhöht. Diese Übertragungsraten liegen aktuell bei maximal 600 Megabyte/Sekunde, was allerdings nur theoretisch erreicht wird. Die Zugriffszeiten bewegen sich im Bereich von durchschnittlich 8 bis 10 Millisekunden.

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