Die Komponenten des von Neumann Rechners: Externe Geräte

Einordnung des Artikels

• Einführung in die Informatik
  • Rechnerarchitektur
    • Die Komponenten des von Neumann Rechners: Externe Geräte

Speichermedien

Wegen ihrer besonderen Wichtigkeit werden hier nur Speichermedien behandelt; und davon ausführlich nur Festplatten. Andere externe Geräte sind für eine Kaufentscheidung deutlich weniger wichtig, da sie beliebig nachgerüstet werden können. Ebenso würde es zu weit vom eigentlichen Thema — die Arbeitsweise des Computers zu verstehen — wegführen, in die technischen Details der so verschiedenartigen externen Geräte einzusteigen.

Speichermedien können nach verschiedenen Gesichtspunkten klassifiziert werden, etwa:

1. Speicherform:
   • analog wie die Vinyl-Schallplatte
   • digital: hier werden natürlich nur digitale Speicher behandelt.
2. Lebensdauer des Speichers:
   • Ein Hauptspeicher ist stets als flüchtiger Speicher konzipiert, das heißt beim Abschalten Stromes geht sein Inhalt verloren; meist wird er auch beim Hochfahren in einen definierten Anfangszustand versetzt (alle Bits gleich 0).
   • Festplatten sowie DVDs und CDs sind zwar dauerhafte oder permanente Speicher, man sollte aber nicht erwarten, dass sie länger als 10 Jahre halten.
   • Als Langzeitspeicher, die nach aktueller Technik für Archivierungszwecke nutzbar wären (etwa für Museen und Archive, also mit einer Lebensdauer von mehr als 100 Jahren), kommen Festplatten oder gebrannte DVDs nicht in Frage; lediglich gepresste DVDs erfüllen diese Anforderung.
3. Physikalische Vorgänge zum Speichern und Lesen der Information:
   • Optische Speicher wie CDs und DVDs: Sie enthalten (wie früher Vinyl-Schallplatten) eine Spur, in der ein binäres Datenmuster enthalten ist. Durch einen Laserstrahl wird dieses Datenmuster erzeugt und gelesen.
   • Magnetische Speicher wie Magnetbänder und Festplatten (HD = hard disk oder auch HDD = hard disk drive, also Festplatten-Laufwerk).
   • Elektronische Speicher: Ein Feldeffekt-Transistor wird ähnlich wie ein Kondensator aufgeladen und erzeugt ein elektrisches Feld (SSD = solid state drive).
4. Wiederbeschreibbarkeit des Speichers:
   • ROM (= read only memory) oder Festwert-Speicher: Der Speicher wird einmal beschrieben und kann später nur gelesen werden; er wird meist bei eingebetteten Systemen verwendet, deren Software unveränderbar ist.
   • Lese/Schreib-Speicher (RWRAM = read write random access memory). Der Speicher kann beliebig gelesen und beschrieben werden. (Der Bestandteil RAM des Namens steht eigentlich für die Zugriffsart, wird aber oft als Synonym für Lese/Schreib-Speicher verwendet.)
5. Zugriff:
   • RAM (random access memory, Speicher mit wahlfreiem Zugriff): jede Speicherzelle ist adressiert und es kann direkt darauf zugegriffen werden.
   • Speicher mit blockweisem Zugriff: Die Speicherzellen einer HD oder SSD sind blockweise adressiert und es kann immer nur der gesamte Block gelesen werden.
   • Speicher mit sequentiellem Zugriff: Sie werden heute nur noch selten eingesetzt. Beispiele sind das Magnetband und die — schon lange nicht mehr verwendete — Lochkarte. Ein Magnetband kann nur als Ganzes und nacheinander gelesen werden. Ebenso müssen Lochkarten nacheinander abgearbeitet werden.

Speziell: Die Festplatte

Unterscheidet man Festplatten nach ihrer Art der physikalischen Speicherung, werden heute drei Varianten angeboten:

• HD (= hard disk)
• SSD (= solid state drive)
• Hybrid-Festplatten HHD (hybrid hard disk) oder SSHD (solid state hybrid disk) aus HD und SSD.

Diese drei Festplattentypen sollen näher vorgestellt werden.

Magnetische Festplatten (HDD)

Der Name hard disk stammt noch aus der Zeit als es auch floppy disks gab, also flexible (oder biegsame) Disketten. Die ersten Heimcomputer hatten noch keine Festplatte (diese waren nur in deutlich teureren Arbeitsplatzrechnern enthalten). Zum Speichern von Daten war man auf Wechselplatten (als Gegensatz zu Festplatten) angewiesen.

Magnetische Festplatten bestehen aus einem Stapel von Platten aus Kunststoff oder Aluminium (beide nicht ferromagnetisch), auf denen eine Schicht aus ferromagnetischem Kobalt-Nickel aufgebracht ist. Diese ferromagnetische Schicht ist etwa 100 nm (Nano-Meter) dick (zum Vergleich: der Durchmesser des Wasserstoffatoms beträgt etwa 0,1 nm).

Der Schreib- und Lesekopf ist ein Elektromagnet, der sich (heute) etwa 3 nm über der Platte befindet. Dieser winzige Abstand kann nicht mechanisch reguliert werden; durch die Drehbewegung der Platte entsteht ein Luftpolster, auf dem der Schreib/Lesekopf schwebt und ihn in einer stabilen Position hält.

Aufgabe:

Warum sollte man ein Notebook nicht zu einer Hochgebirgstour mitnehmen?

Zum Beschreiben der Festplatte wird der Schreibkopf von Strom durchflossen und er erzeugt ein Magnetfeld, das die Region unter ihm magnetisiert; denn ein ferromagnetischer Stoff richtet seine Magnetnadeln entsprechend dem äußeren Feld aus und behält diese Magnetisierung bei (Remanenz). Bei Umkehr der Stromrichtung ist die Magnetisierung umgekehrt. Man kann sich somit jedes Bit auf der Festplatte wie eine kleine Kompassnadel vorstellen (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Oben: Magnetische Speicherung von Information durch Erzeugen von kleinen magnetisierten Zonen auf der Festplatte. Unten: Die Platten sind in einem Stapel angeordnet und rotieren um eine gemeinsame Achse. Da die Platten auf beiden Seiten ferromagnetisch beschichtet sind, gibt es zu jeder Platte zwei Schreib/Leseköpfe (blau), die dann kammartig angeordnet sind. Es wäre ein viel zu großer Aufwand die Position jedes Kopfes zu steuern: Alle sind um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert und befinden sich somit in der identischen Position über (oder unter) ihrer Platte. Diese gemeinsame Positionierung bestimmt, wo auf der Festplatte zusammengehörige Daten abgelegt werden — sie sollen ja durch möglichst wenige Bewegungen der Köpfe geschrieben und gelesen werden, da sonst die Zugriffszeiten länger werden.

Zum Lesen wurde früher die Induktionswirkung des Magnetfeldes ausgenutzt. Heute beruht das Lesen einer Festplatte auf dem Effekt, dass der spezifische Widerstand eines elektrischen Leiters von der Stärke eines Magnetfeldes abhängen kann. Bewegt sich also der Lesekopf über eine Folge von gleich ausgerichteten Kompassnadeln, bleibt sein Widerstand gleich; bei wechselnden Ausrichtungen ändert sich der Widerstand.

Aber es bewegt sich natürlich nicht der Kopf, sondern die Platten rotieren um eine gemeinsame Achse. Der Lese- und Schreibkopf wird lediglich so bewegt, dass er an verschiedenen Radien der Platte lesen beziehungsweise schreiben kann (siehe Abbildung 2, blauer Lese/Schreib-Kopf).

Die Daten auf der Festplatte können umso dichter gepackt werden je näher der Lese/Schreib-Kopf an die Platte herankommt (die Magnetfeld-Wechsel sind dann leichter in Bits zu übersetzen). Dies birgt aber die Gefahr, dass während eines Lese- oder Schreibvorganges der Kopf auf die Platte stößt und beide dabei beschädigt werden. Daher sollte eine Festplatte im Betrieb nicht bewegt werden. (Notebooks sind hier besser geschützt als PCs, indem der Lese/Schreib-Kopf in eine Ruhestellung gebracht wird, sobald ein Bewegungssensor anspricht.) Geschieht es dennoch, dass der Kopf auf der Platte aufschlägt, werden dabei winzigste Staubpartikel erzeugt, die dann mitgeschleift werden und zu immer mehr Schäden führen. Sobald eine Festplatte defekt ist (beim Hochfahren des Rechners wird eventuell auf beschädigte Sektoren hingewiesen), sollte man die Festplatte nicht mehr verwenden und versuchen so schnell wie möglich ungesicherte Daten auf ein anderes Medium zu kopieren.

Abbildung 2: Eine Platte einer HD, auf die durch den schwenkbaren Schreib/Lesekopf (blau) zugegriffen wird. Die Adressierung erfolgt über Zylinder (gleiche Spuren übereinander liegender Platten), Spuren (Kreise mit unterschiedlichen Radien) und Sektoren. Einzelne Bits eines Sektors sind nicht adressiert; es kann immer nur der Sektor als Block gelesen werden.

Jeder Sektor (siehe Abbildung 2) einer Festplatte hat eine eigene Adresse. Ein Sektor ist eindeutig einer Spur einer Platte zugeordnet. Jede Spur wiederum ist eindeutig einem Zylinder zugeordnet. Ein Zylinder besteht aus allen Kreisen mit identischem Radius, die im Plattenstapel übereinander liegen.

Früher hatten alle Sektoren identische Speicherkapazität (512, 1024, 2048 oder 4096 B), obwohl sie offensichtlich nach außen immer größer werden. Heute wird die Größe an den Radius angepasst, was aber den Nachteil hat, dass es mehr Rechenarbeit erfordert, um die Zuordnung von Adresse zu Position zu ermitteln.

Die Geschwindigkeit, mit der die Daten gelesen werden können, hängt von folgenden Größen ab:

• Rotationsgeschwindigkeit des Plattenstapels (für PCs und Notebooks heute meist 5400 oder 7200 U/min, bei Serverplatten etwa 15000 U/min),
• Spurwechselzeit: Zeitdauer für das Wechseln der Spur durch den Lesekopf,
• ob zusammengehörige Daten weit über die Festplatte verstreut sind und zahlreiche Schwenks des Lesekopfes nötig sind (es ist Aufgabe des Betriebssystems die physikalische Speicherung zu organisieren und dafür zu sorgen, dass zusammengehörige Daten nahe beieinander liegen).

Aufgabe:

Mit welcher Geschwindigkeit (in km/h) bewegt sich eine Spur, die 2 cm von der Drehachse entfernt ist, gegenüber dem Lese/Schreib-Kopf bei einer Drehzahl von 7200 U/min?

Solid State Drive (SSD)

Die SSD (solid state drive, manchmal auch solid state disk) ist ein Spezialfall eines Flash-Speichers, die zu Beginn nur in Speicherkarten für Kameras eingesetzt wurden. Heute verwendet man Flash-Speicher auch für:

• USB-Sticks,
• mp3-Player,
• Smartphones,
• BIOS (Basic Input Output System),
• Festplatten.

Der Name flash (Blitz) rührt angeblich daher, dass in einem Flash-Speicher nicht einzelne Bits gelöscht werden können, sondern das blockweise Löschen an den Blitz einer Kamera erinnern. Nach anderer Lesart bezieht sich flash auf die hohe Geschwindigkeit der Flash-Speicher (sie werden heute etwa im BIOS eingesetzt, das früher nur sehr langsam umgeschrieben werden konnte). Der Name Laufwerk (drive) ist völlig unangebracht: man benötigt weder zum Lesen noch zum Schreiben bewegliche Teile wie bei einer Magnetplatte.

Flash-Speicher sind permanente Speicher, die sehr wenig Platz beanspruchen und keine Versorgungsspannung benötigen. Genauer handelt es sich um spezielle Feldeffekt-Transistoren — und die Art, wie darin Information gespeichert wird, bestimmt die Eigenschaften des Flash-Speichers. Das sogenannte floating gate ist vom restlichen Transistor isoliert und kann so Ladungen wie ein Kondensator speichern. Auf- und Entladen erfolgt aber nicht wie bei einem Kondensator, sondern dadurch dass Elektronen durch die Isolationsschicht tunneln (quantenmechanischer Effekt, der mit klassischer Mechanik nicht zu verstehen ist). Dazu muss an eine Steuerelektrode eine relativ hohe Spannung angelegt werden.

Die Eigenschaften des Flash-Speichers sind:

• Flash-Speicher können immer nur blockweise gelöscht werden.
• Zum Beschreiben müssen sie zunächst gelöscht werden (um sie in einen definierten Anfangszustand zu versetzen).
• Beim Löschen und Beschreiben wird die Isolationsschicht leicht beschädigt, die Lebensdauer liegt in der Größenordnung von etwa 10^4^ bis 10^6^ Schreibzyklen (für einen normalen Computernutzer liegt damit die Lebensdauer in der selben Größenordnung wie die einer HDD; die Zahl der Schreibzyklen variiert mit der Architektur der Flash-Speicher). Auch wenn eine einzelne Speicherzelle beschädigt ist, kann die SSD noch verwendet werden.
• Der Flash-Speicher erfordert eine zusätzliche Steuerungselektronik, um das Beschreiben zu organisieren (siehe COW-Verfahren unten) und Blöcke mit defekte Zellen abzukoppeln.
• Die Zugriffszeit zum Lesen ist deutlich kleiner als zum Schreiben.

Soll etwa in einem Block nur ein Bit geändert werden, muss der gesamte Block zuerst gelöscht und dann neu geschrieben werden. Um dies schneller zu erledigen, wird das COW-Verfahren (Copy on Write) angewendet:

• Der zu ändernde Block wird kopiert,
• sein Inhalt wird abgeändert,
• der neue Inhalt wird in einen neuen (noch leeren Block) geschrieben.

Mit diesem Verfahren ist es möglich etwa doppelt so schnell zu schreiben als durch ein echtes Überschreiben. Damit es funktioneren kann, werden immer etwa 10 Prozent eines Flash-Speichers freigehalten.

Das Verfahren hat aber einen bedenklichen Nachteil: Zum sicheren Löschen wird oft empfohlen, die Daten eines Speichermediums zu überschreiben — bei Flash-Speichern bleibt durch das COW-Verfahren die alte Version erhalten.

Die Vorteile einer SSD gegenüber einer HD sind:

1. Die Lesegeschwindigkeit ist deutlich größer. Dies beschleunigt vor allem den Systemstart und den Start großer Programme.
2. Es gibt keine mechanischen Teile, also keinen Verschleiß.
3. Die Festplatte ist gegenüber Erschütterungen unempfindlich.

Die SSD hat aber auch Nachteile:

1. Die Schreibgeschwindigkeit ist etwas kleiner.
2. Der Preis ist bei Speicherkapazitäten ab 1 TB deutlich höher.
3. Sie sollten nicht eingesetzt werden, wenn sie häufig überschrieben werden müssen (etwa im Fileserver).

Hybrid-Festplatten

Bei Hybrid-Festplatten wird nahezu der gesamte Speicherplatz von einer HD eingenommen. Zusätzlich besitzt sie einen kleinen SSD-Speicher (meist 8 - 64 GB), in dem die wichtigsten Daten gespeichert werden. Der Vorteil ist, dass der Systemstart deutlich schneller ist und dass man dennoch die hohe Schreib-Geschwindigkeit einer HD nutzen kann.

Gemeinsame Eigenschaften aller Festplatten

Beim Formatieren der Festplatte wird diese dazu vorbereitet, ein Dateisystem aufzunehmen. Da dieses unter der Kontrolle des Betriebssystems steht, geschieht das Formatieren auch vom Betriebssystem aus. Jedes Betriebssystem hat seine eigenen Regeln für das Dateisystem, etwa:

• Wie lange dürfen Dateinamen sein?
• Wie tief kann man Unterordner verschachteln?
• Welche Zeichen sind in Datei- und Ordnernamen erlaubt?
• Wird zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden?
• Welche maximale Dateigröße ist erlaubt?
• Wie werden die Zugriffsrechte auf Dateien organisiert?

Daher kann eine Festplatte, die unter einem Betriebssystem formatiert wurde, unter einem anderen Betriebssystem nur eingeschränkt verwendet werden.

Formatieren heißt aber nicht, dass die Festplatte komplett überschrieben wird, sondern nur dass eine Einteilung der Festplatte vorgenommen wird, so dass die obigen Regeln eingehalten werden können; und dabei gehen natürlich die Adressen der auf der Festplatte gespeicherten Dateien verloren (es ist also wie eine Neubenennung aller Straßen und Hausnummern: die Häuser sind immer noch vorhanden, aber schwer auffindbar).

Die bekanntesten Dateisysteme sind:

• NTFS (Windows)
• HFS plus (MAC OS)
• ext4 (Linux)
• FAT (älteres Dateisystem von Windows, das noch immer sehr beliebt ist, da es mit zahlreichen anderen Betriebssystemen kompatibel ist).

Die Festplatte in einem Notebook mit vorinstalliertem Betriebssystem ist somit bereits formatiert; ebenso sind externe Festplatten meist für Windows formatiert.

Partitionierung einer Festplatte:

Eine Festplatte kann in mehrere logische Einheiten (Partitionen) eingeteilt werden, die vom Betriebssystem wie unterschiedliche Laufwerke behandelt werden, wobei jedes Laufwerk ein eigenes Dateisystem erhält. Dies ist dann denn von Vorteil, wenn man:

• Programme und Daten voneinander trennen möchte (ein Virus, der eine Partition befällt, kann nur schwer in einer anderen Schaden anrichten),
• mehrere Betriebssysteme auf einem Rechner installieren möchte (da die Dateisysteme nicht kompatibel sind, benötigt jedes Betriebssystem eine eigene Partition).

Aufgabe:

Mehrere mit einer Ordnerstruktur versehene Dateien sollen auf einen Server hochgeladen werden. Warum ist es ratsam, für die Datei- und Ordnernamen nur kleine Buchstaben und keine Sonderzeichen zu verwenden (Ausnahme: Unterstrich)?