Wide-SCSI, Festplatten-Adressierung (CHS, LBA), SSD-Festplatten

Festplatten

zum Nachlesen: Artikel beim Elektronik-Kompendium

RAID-Controller:

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Bild: pcmag.com

Heutzutage gibt es bereits Controller mit 64Bit-Datenleitung und Anschlussmöglichkeiten für 24 Geräte.

2,5″-Festplatten wurden für den Einsatz in Notebooks entwickelt, finden aber inzwischen auch Platz in Servern und externen Speichergeräten wie USB-Festplatten, Festplattenreceivern etc. Sie haben für gewöhnlich weniger Speicherkapazität als 3,5″-Platten.

Wide-SCSI-IDs

Der wesentliche Unterschied vom SCSI-Standard zum sogenannten Wide-SCSI ist, abgesehen von der Übertragungsrate, die Möglichkeit des Anschlusses von 15 Geräten (statt bisher sieben). Grundsätzlich sind beim Wide-Standard zwei einfache SCSI-Controller auf eine Controllerkarte verbaut. Allerdings trägt auch dieser Controller die SCSI-ID 7 (ID 7 hat immer die höchste Priorität, bei den anderen IDs ist lediglich das Wide-Bit gesetzt (siehe Tabelle). Die Geräte lassen sich mittels eines sogenannten DIP-Schalters bzw. Jumper-Blocks adressieren. Für die Adressierung stehen bei normalen SCSI-Geräten 3 Bit zur Verfügung. Bei Wide-Geräten kam für die Adressierung noch ein weiteres Bit hinzu. Es wurde daher sinngemäß auch Wide-Bit genannt.

Der SCSI-Standard war im Gegensatz zum IDE-Standard in professionellen Serversystemen eingesetzt. Diese Systeme boten die Anschlussmöglichkeiten für Festplatten, welche dann zu einem RAID-System zusammengeführt wurden.

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HDD-Bauweise

Der Aufbau der SCSI-Festplatten unterscheidet sich nicht wesentlich vom aufbau der IDE- bzw. S-ATA-Festplatten.

Eine Festplatte besteht grundsätzlich aus rotierenden magnetischen Scheiben, welche von einem Schreib-Lesekopf abgefahren werden. Besteht eine Festplatte aus mehreren übereinander liegenden Scheiben, wird von einem Schreib-Lesekamm gesprochen.

Übliche Baugrößen sind 3,5″ für Desktop-PCS und 2,5″ für Laptops und externe Speichergeräte wie USB-Festplatten, Festplattenreceiver, etc. (die jedoch weniger Speicherkapazität fassen).

Adressierung

Die logische Einteilung bzw. Adressierung der einzelnen Sektoren auf den Oberflächen der Festplatte orientierte sich zunächst noch an der tatsächlichen Laufwerksgeometrie der Festplatte. Die Adressierung ging nach CHS(Cylinder, Head, Sector).
Unter Zylinder verstand man die untereinander liegenden Spuren der einzelnen Oberflächen. Die Sektoren entsprachen, ähnlich wie bei einer Floppy-Disc, der Anzahl der Sektoren pro Oberfläche. Die Anzahl der Oberflächen richtete sich nach der Anzahl der Schreib-Leseköpfe.
Zum Nachlesen: Artikel beim Elektronik-Kompendium

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Wie bei jedem rein magnetischen Speichermedium betrug die Speicherkapazität bis zu den 2-TB-Festplatten 512 Bytes pro Sektor, ab den 3-TB-Festplaten wurde die Sektorkapazität auf bis zu 4096 Bytes pro Sektor erhöht.
Dazu musste die bekannte CHS-Adressierung der neuen LBA-Adressierungsart (Logical Block Adressing) weichen, da durch die erhöhte Baudichte keine Adressierung mittels der Laufwerksgeometrie mehr möglich war.

Die CHS-Adressierung war noch wie folgt zu berechnen (anhand der Angaben auf dem Festplattengehäuse):

8896 Cylinders * 15 Heads * 63 Sectors * 512 Bytes/sec. = 4.304.240.640 Bytes
entspricht 4,3 GB (also geteilt durch 10003)
entspricht 4,0 GiB (also geteilt durch 10243)

Die LBA-Adressierung ist nur noch rein logischer Natur. Sämtliche Sektoren werden nur noch durchnummeriert und entsprechend vom Controller angesprochen (siehe Bild oben). Die Anzahl der LBA-Sektoren muss dann nur noch mit 512 Bytes multipliziert werden, um auf die Gesamtspeicherkapazität zu kommen. Heutzutage wird die LBA-Information nicht mehr auf den Festplatten angegeben.

Für die LBA-Adressierung stehen heutigen guten (RAID-)Controllern 48 Bit zu Verfügung. Was genau heißt das?
Es können 248 Sektoren vom Controller adressiert werden, von denen jeder einzelne eine Speicherkapazität bis zu 4096 Bytes aufweisen kann:

248 * 4096 Bytes / 10245 = ca. 1024 EiB (Exabinärbytes)
(bei alten Festplatten mit 512 Bytes/Sektor wären das 128 EiB)

Das scheint im ersten Moment sehr viel zu sein. Allerdings gilt es zu beachten, dass es sich hierbei um die Speicherkapazität aller am Controller angeschlossenen Festplatten handelt. Es geht also um die gesamte Anzahl aller Blöcke der angeschlossenen Festplatten.
Heutzutage gibt es bereits Controller mit 64Bit-Datenleitung und Anschlussmöglichkeiten für 24 Geräte.

HDD-Größenverhältnisse. Das Luftkissen entsteht im “Abstand”

Das Auslesen der Daten von den Festplatten funktioniert wie folgt:
Die Festplattenoberfläche wird in Rotation versetzt. Durch die Rotationsgeschwindigkeit der Festplatte tritt der sogenannte Bernoulli-Effekt auf. Durch diesen Effekt entsteht zwischen der Plattenoberfläche und den Schreib-Leseköpfen ein Luftkissen von ein paar tausendstel Millimetern. Auf diesem Luftkissen schwebt der Schreib-Lesekopf über die Plattenoberfläche und liest bzw. schreibt die Daten auf die Festplatte.
Der Kopf berührt zu keiner Zeit die Plattenoberfläche! Sollte dies doch einmal z.B. durch Erschütterungen, passieren, so spricht man von einem “Head-Crash”. Die Festplatte ist sofort auszutauschen und ggf. zu einem Datenretter zu bringen. Lässt man die Platte weiter laufen, geht nach und nach immer mehr Speicher unwiederbringlich verloren.

Natürlich ist immer nach dem Abschalten der Betriebsspannung (z.B. durch Ausschalten des Computers oder Stromausfall) dieser Bernoulli-Effekt weg, und die Schreib-Leseköpfe würden auf der Platte aufsetzen. Daher ist auf jeder Festplatte eine “Parkposition” für die Köpfe vorgesehen, der nicht für die Datenspeicherung genutzt wird. Das durch die Restrotation der Platte erzeugte Luftkissen reicht aus, um die Köpfe sicher zur Parkposition zu bewegen (mittels einer mechanischen Feder).

Eine Festplatte, besonders externe, sollte daher erst bewegt werden, wenn keinerlei Plattenrotation mehr vorherrscht. Dies gilt insbesondere für die 3,5″-Festplatten.
Die 2,5″-Laptopfestplatten sind für diesen Fall normalerweise auf kleinen Gelpostern gelagert und daher besonders erschütterungsfest bis teilweise zu 8 g (g = Erdbeschleunigung von 9,81 m/s2. Fliehkraft(in Newton) = Masse (in KG) * Erdbeschleunigung: F = m * g).

Die Festplatten mit den rotierenden Plattenstapeln werden jedoch in zunehmendem Maße von den SSD-Festplatten (Solid State Drive) verdrängt. Diese Art von Festplatten besteht nicht mehr aus mechanisch bewegten Teilen, sondern aus einem bzw. mehreren Flash-Speichern. Derzeit liegt die DDR3-Technologie zugrunde. Der unterstützte Anschluss-Standard ist derzeit SATA-III. Die SSD ist, wie eine Laptopfestplatte, in der 2,5″-Bauform erhältlich.

Sie wird in Zukunft die reguläre Festplatte dort verdrängen, wo Wert auf schnelle Datenspeicherung gelegt wird. Da der SSD-Speicher jedoch immer noch sehr teuer ist und die Speicherkapazität begrenzt ist, wird dies wohl noch geraume Zeit dauern, besondern im professionellen Bereich.
Weiterhin sei gesagt, das die Lebensdauer der SSD-Speicherzellen begrenzt ist. Dies muss durch auf der Festplatte befindliche Speicherzellen und einer neuen Steuerlogik, welche sämtliche Speicherzellen gleichmäßig beschreibt, gelöst werden. Zudem ist auf den Schreib- und Lesezugriff zu achten. Der Lesezugriff ist im Regelfall sehr viel schneller als der Schreibzugriff. Je nach Preislage differieren diese beiden Werte sehr stark.

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