Wie funktionieren Festplatten und Dateisysteme?

plattgemacht und abgelegt

Wer heutzutage mit einem handelsüblichen Computer arbeitet, verwendet meistens automatisch auch eine Festplatte. Wie die Dateien auf der Festplatte gespeichert werden, und welche Möglichkeiten dabei geboten werden, weiß hingegen kaum jemand. Dieser Artikel will etwas Licht ins Dunkel bringen.

Physikalisch gesehen bestehen Festplatten aus rotierenden Scheiben und bewegbaren Schreib- und Leseköpfen. Die Anzahl der Scheiben sowie der Schreib- und Leseköpfe hängt von der Bauart der jeweiligen Festplatte ab. Beim Hochfahren des Rechners fährt auch die Festplatte an, und der Motor rotiert die Scheiben gleichmäßig. Bei älteren Festplatten sind das 5400 oder 7200 Umdrehungen pro Minute (rpm, rotations per minute) bei den neuesten Modellen sind es sogar 10000 oder 15000 Umdrehungen pro Minute.

Bei Lese- und Schreibvorgängen wird der Schreib-/Lesekopf an die passenden Stellen bewegt. Dieser Vorgang wird auch als Seek bezeichnet. Die Geräusche, die Festplatten machen, haben daher auch zwei Ursachen. Zum einen stammen sie von den rotierenden Scheiben des Motors, der sie antreibt. Diese Geräusche sind permanent. Falls die Festplatte zu laut ist, kann man die Drehzahl teilweise herunterregeln und damit eine schnurrendleise Festplatte erhalten. Zum anderen stammen die Geräusche von den Bewegungen der Schreib-/Leseköpfe bzw. deren Motoren. Diese Geräusche sind abhängig von den Zugriffen auf die Festplatte.

Abbildung 1: Aufbau einer Festplatte

Adressierung

Bei der Adressierung der Daten auf der Festplatte werden zwei unterschiedliche Schemata verwendet. Das Betriebssystem muss zur Speicherung der Daten auf den Scheiben irgendwie festlegen, an welcher Stelle die Daten geschrieben werden sollen beziehungsweise von wo sie später wieder gelesen werden sollen. Dazu wird der Platte die gewünschte Position mitgeteilt, daraufhin wird der entsprechende Kopf an die korrespondierende Stelle bewegt, und die Daten werden gelesen bzw. geschrieben.

Die kleinste adressierbare Einheit ist dabei ein Sektor mit einer Kapazität von 512 Byte. Mehrere Sektoren sind in einer Spur organisiert. Die Spuren ergeben konzentrische Kreise auf der Oberfläche einer Scheibe, um den Mittelpunkt herum (siehe Abbildung). Die Anzahl der Spuren und die Anzahl der Sektoren auf diesen entsprechen dem Grad der Dichte der schreibbaren Bereiche. Je dichter die Bits gepackt werden können, desto dichter liegen Spuren bzw. Sektoren nebeneinander, und desto mehr von ihnen sind vorhanden. Daraus ergibt sich hauptsächlich die Kapazität der Festplatte.

Abbildung 2: Linux findet drei Festplatten beim Booten

Spur 0 ist dabei die äußerste Spur, und zur Mitte der Scheibe wird hochgezählt. Spuren mit der gleichen Nummer werden zu Zylindern zusammengefasst. Die Kapazität einer Festplatte berechnet sich somit aus der Anzahl der Köpfe, der Anzahl der Spuren beziehungsweise Zylinder, der Anzahl der Sektoren pro Spur und der Größe der Sektoren.

Beim Starten des Linux-Kernels werden Informationen über die erkannten Festplatten auf der Konsole ausgegeben. Linux schreibt dabei auch gleich die von der Festplatte übermittelte Plattengeometrie und die sich daraus ergebende Anzahl der Sektoren und Gesamtkapazität (siehe Abbildung 2) auf.

Tabelle 1: Berechnung der Festplattengröße aus der Plattengeometrie

5005 x 255 x 63 x 512 Bytes = 40 GB
119108 x 16 x 63 x 512 Bytes = 60 GB

Ein mögliches Adressierungsschema wird mit CHS bezeichnet. Die Buchstaben ergeben sich aus den ersten Buchstaben von "Cylinder-Head-Sector". Wenn auf einen Sektor auf einer Festplatte zugegriffen werden soll, übermittelt das Betriebssystem dem BIOS über den Interrupt 0x13 (hexadezimal 13, dezimal 19) die passende Kombination aus Kopf, Zylinder und Sektor.

Größenbeschränkung

Die Sache hat allerdings einen kleinen Haken. Für die Darstellung der Adresse stehen weder im BIOS des Rechners noch in der Schnittstelle zwischen BIOS und Festplatte beliebig viele Bits zur Verfügung. Dadurch ergeben sich gewisse Einschränkungen in der maximal addressierbaren Größe und der Geometrie der Festplatten.

Die Schnittstelle zwischen dem BIOS des Rechners und der Festplatte unterliegt der folgenden Spezifikation:

Tabelle 2: Bits zwischen BIOS und IDE-Schnittstelle

16 Bits für Zylinder (0..65535)
4 Bits für Köpfe (0..15)
8 Bits für Sektoren (0..255)

Damit lassen sich also 65536 x 16 x 256 x 512 Byte = 128 GB adressieren.

Diese Spezifikation stammt aus einer Zeit, in der man sich kaum vorstellen konnte, einmal Festplatten mit einer derartigen Kapazität zu betreiben oder den Platz überhaupt zu nutzen. Das war eine Zeit ohne Online-Tauschbörsen und digitale Filme.

Damals konnte man sich auch nicht vorstellen, dass ein Computer irgendwann einmal 1GB RAM besitzt, und irgendwer meinte sogar, dass 640KB ja auch ausreichend seien. Western Digital hat kürzlich die Festplattenserie WD2000 mit 200GB in den Handel gebracht, die mit diesem Schema schon nicht mehr vollständig adressierbar ist.

Doch damit nicht genug der Probleme, denn ein herkömmliches (etwas älteres) PC-BIOS ist knauserig und sieht statt der 28 Bit selbst nur 24 Bit vor, die zudem anders verteilt sind:

Tabelle 3: Bits im BIOS für IDE-Adressierung

10 Bits für Zylinder (0..1023)
8 Bits für Köpfe (0..255)
6 Bits für Sektoren (0..62) (max. 63 Sektoren)

Damit lassen sich insgesamt nur noch 1024 x 256 x 63 x 512 Byte = 7.844 GB adressieren.

Da die niedrigste Breite pro Datenfeld jedoch insgesamt ausschlaggebend ist, bleiben unglücklicherweise nur folgende Werte übrig:

Tabelle 4: Bits insgesamt für IDE-Adressierung

10 Bits für Zylinder (0..1023)
4 Bits für Köpfe (0..15)
6 Bits für Sektoren (0..62) (max. 63 Sektoren)

Damit lassen sich dann nur noch 1024 x 16 x 63 x 512 Byte = 504 MB adressieren, was heutzutage nicht mehr wirklich viel ist.

Um dennoch größere Festplatten vollständig nutzen zu können wurde ein Upgrade oder der Disk Manager von Ontrack benötigt. Nach einem BIOS-Upgrade auf ein BIOS, das CHS-Angaben übersetzen kann, unterscheidet sich bei großen Festplatten die physikalische Geometrie von der logischen. Die logische wird im BIOS angegeben und bei Zugriffen automatisch auf die physikalische umgerechnet. Damit konnte man immerhin einen Großteil der älteren Festplatten doch noch vollständig nutzen.

Im nebenstehenden Screenshot ist die physikalische Geometrie der zweiten IDE-Festplatte mit CHS=119108/16/63 angegeben. Allerdings liefert das BIOS andere Werte, nämlich CHS=7473/255/63, was der Kernel ein paar Zeilen später beim Untersuchen der Partitionstabelle notiert.

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