Quelltext der Seite Festplattengeometrie

Unter der '''Geometrie einer Festplatte''' versteht man die Aufteilung der [[Festplattenlaufwerk|Festplatte]] in Zylinder, Spuren und Sektoren.

== Prinzip ==
[[Datei:Hard drive geometry - German - 2019-05-29.svg|mini|Zylinder, Kopf, Sektor und Spur in Bezug auf die Datenscheiben einer Festplatte]]
[[Datei:Aufnahme einzelner Magnetisierungen gespeicherter Bits auf einem Festplatten-Platter..jpg|mini|[[Magnetooptik|Magnetooptische]] Aufnahme der Magnetisierungen einzelner Bits auf einem Ausschnitt eines Festplatten-Platters]]

Die Daten auf Festplatten (und auch [[Diskette]]n) werden in kleine Abschnitte –&nbsp;''[[Datenblock|Datenblöcke]]'' oder ''Sektoren''&nbsp;– unterteilt, die eine konstante Größe haben (meist 512&nbsp;[[Byte]]s = 2<sup>9</sup> Bytes oder ein Vielfaches, etwa 4.096&nbsp;Bytes = 2<sup>12</sup> Bytes). Dazu werden die Seiten aller Scheiben einer Festplatte durchnummeriert. Während Disketten maximal zwei Seiten aufweisen, eine Vorder- und eine Rückseite, haben Festplatten fast immer mehr als eine Platte mit jeweils zwei Seiten („Plattenstapel“, siehe [[Festplattenlaufwerk #Physischer Aufbau der Einheit|Physischer Aufbau einer Festplatte]]). Jede Seite hat einen eigenen [[Magnetkopf|Schreib-/Lesekopf]], daher spricht man von der Anzahl der ''Köpfe:'' zwei pro Scheibe. Die Oberflächen wiederum werden in [[konzentrisch]]e kreisförmige ''Spuren'' und diese in die Anzahl der ''[[Kreissektor|Sektoren]] pro Spur'' unterteilt. Die jeweiligen einzelnen Spuren (eines jeweiligen Kreisdurchmessers) aller Plattenoberflächen des Plattenstapels werden zu einem ''Zylinder'' zusammengefasst.

Dadurch entsteht ein Koordinatensystem, mit dessen Hilfe man jeden Datenblock durch seine Kopf-, Zylinder- und Sektornummer identifizieren kann. Dabei entspricht
* die Kopfnummer der Höhe
* die Zylindernummer dem Radius
* die Sektornummer dem Winkel
eines Objekts in einem [[Zylinderkoordinaten]]system.

Die Motivation für diese Definition rührt daher, dass sämtliche Köpfe im gleichen radialen Abstand auf dem [[Aktuator]] fixiert sind und alle Spuren eines Zylinders (über alle Platten) zu einem bestimmten Zeitpunkt unter den Köpfen stehen und somit gleichzeitig ansprechbar sind.

Da die Spuren mit steigendem Radius auch entsprechend länger werden, werden sie ggf. dementsprechend in mehr Blöcke unterteilt, siehe [[Zone Bit Recording]]. (Dadurch wird die [[Aufzeichnungsdichte]] der Spuren angeglichen&nbsp;– und somit „vergeudeter“ Platz auf den äußeren Spuren vermieden.) Bei Disketten ist dieses Verfahren meistens nicht üblich.

Um die Verwaltung der Datenblöcke nicht zu komplex werden zu lassen, werden in der Regel mehrere benachbarte Spuren zu ''Zonen'' zusammengefasst. Jede Zone ist in eine gewisse Anzahl Sektoren unterteilt, die von äußeren Zonen zu inneren Zonen fällt. (Normalerweise beginnt man die Zählung der Zylinder bzw. Zonen am äußeren Rand.)

Die konkrete Verteilung der Blöcke auf die Oberflächen, Zonen, Zylinder und Sektoren wird als Geometrie der Festplatte (bzw. Diskette) bezeichnet.

== {{lang|en|Cylinder, Head, Sector}} ==
{{Hauptartikel|CHS-Adressierung}}
Um nun einen physikalischen Datenblock auf diese Weise zu adressieren, benötigt man drei Werte, auch [[CHS-Adressierung|CHS]]-Werte genannt: {{lang|en|''C''ylinder}}, {{lang|en|''H''ead}} (Kopf) und {{lang|en|''S''ector}}. Bei den ersten Festplatten um&nbsp;1970 waren die einzelnen Platten [[Wechselplattenlaufwerk|austauschbar]], hatten nach späteren Maßstäben eine einfache ''Geometrie'' und eine geringe Datendichte. Die [[Firmware]] des Computers oder das [[Betriebssystem]] hatte sich um die Verwaltung des zur Verfügung stehenden [[Speicherplatz]]es zu kümmern und sollte die [[Speicherzugriff|Zugriff]]e entsprechend dieser Geometrie optimieren. Doch Festplatten wurden immer kompakter, die Datendichte höher und die Geometrie komplexer.

Mitte der 1980er&nbsp;Jahre wurde daher eine neue [[Schnittstelle#Hardwareschnittstelle|Schnittstelle]] für Festplatten entwickelt: Im Auftrag von [[Compaq]] entwickelte [[Western Digital]] ab&nbsp;1984 eine {{lang|en|''Integrated Drive Electronics''}} (kurz&nbsp;IDE) getaufte Schnittstelle, die einen internen [[Controller (Hardware)|Controller]] zur Kommunikation zwischen Betriebssystem und Festplatte vorsah. Diese Schnittstelle wurde 1989 durch die [[ATA/ATAPI|ATA]]-Spezifikation&nbsp;„ATA-1“ zum [[Industriestandard]]. Fortan kümmerte sich die Firmware des [[Festplattencontroller]]s als interne Logik um die Optimierung der Schreib- und Lesezugriffe.

Die vom Controller in Richtung&nbsp;PC kommunizierte Geometrie war ab da nicht mehr unbedingt mit einer realen Geometrie der Platten identisch, doch weiterhin [[Kompatibilität (Technik)|kompatibel]] zur Firmware des Computers (dem&nbsp;[[BIOS]] beim [[IBM-PC-kompatibler Computer|IBM PC]]) und zu den Betriebssystemen.

Die bei&nbsp;IDE (bzw.&nbsp;ATA) verwendete CHS-Adressierung sieht maximal vor:
* 65.536 = 2<sup>16</sup> Zylinder (0–65.535)
* 16 = 2<sup>4</sup> Köpfe (0–15) pro Zylinder, d.&nbsp;h. 8&nbsp;Scheiben pro Zylinder
* 255 = 2<sup>8</sup>-1 Sektoren pro Spur (1–255).
Daraus ergab sich in Kombination mit der o.&nbsp;g. Blockgröße von 512&nbsp;Bytes eine maximale [[Speicherkapazität]] von 136.902.082.560 <math>\approx 2^{37}</math> [[Byte]]s oder 137&nbsp;GB (dezimal, als [[Byte #SI-Präfixe|SI-Einheit]] immer als Vielfaches von&nbsp;1.000 bzw.&nbsp;10<sup>''n''</sup>) bzw. in den früher gebräuchlichen Angaben 128&nbsp;GiB (binär, als [[Binärpräfix|IEC-Einheit]] in Zweierpotenzen&nbsp;2<sup>''n''</sup>). Diese wurde 2001 mit Speicherkapazitäten von 160&nbsp;GiB und mehr bei Festplatten gebrochen.<ref>{{Internetquelle |autor=Andries Brouwer |url=https://tldp.org/HOWTO/Large-Disk-HOWTO-4.html |titel={{lang|en|History of BIOS and IDE limits}} |titelerg=v2.5 |werk={{lang|en|Large Disk HOWTO}} |datum=2004-11-01 |abruf=2013-02-26 |sprache=en}}</ref>

== {{lang|en|Logical Block Addressing}} ==
{{Hauptartikel|Logical Block Addressing}}
Bereits 1996 wurde mit der [[Spezifikation]]&nbsp;„ATA-2“ eine neue Adressierungsmethode eingeführt, die Datenblöcke fortlaufend durchnummeriert und über ihre Blocknummern adressiert: das {{lang|en|[[Logical Block Addressing]]}}-Verfahren (kurz&nbsp;LBA). Dadurch muss sich das Betriebssystem nicht mehr um die physische Organisation der Blöcke auf dem Datenträger kümmern, die ohnedies nicht mehr der Realität entsprach und mit zu vielen Problemen behaftet war.<ref>{{Internetquelle |url=https://hardwaresecrets.com/hard-disk-drives-capacity-limits/ |titel=Hard Disk Drives Capacity Limits |werk=Hardware Secrets |sprache=en |abruf=2024-02-23}}</ref>

Anfangs war LBA mit 28&nbsp;[[Bit]]s (“LBA-28”; 2<sup>28</sup> ergibt 268.435.456&nbsp;Blöcke) jedoch ebenfalls auf 137&nbsp;GB (128&nbsp;GiB, bei damals üblichen 512&nbsp;Bytes je Block) begrenzt. Erst mit&nbsp;ATA/ATAPI-6 aus dem Jahr&nbsp;2000 wurde die ''Logical Block''-Adresse auf 48&nbsp;Bits erhöht (“LBA-48”; 2<sup>48</sup> erlaubt bei 512&nbsp;Bytes je Block 2<sup>57</sup> Bytes = 128&nbsp;PiB, das sind 134&nbsp;Millionen&nbsp;GiB) und machte somit weitere Blöcke adressierbar und damit auch größere Festplatten zur Gänze nutzbar. Ohne&nbsp;LBA-48 können nur die ersten 128&nbsp;GiB genutzt werden.

Als Vorteil der ATA-Spezifikation zeigte sich die Verwendung eines Controllers, der den physischen Aufbau ''kaschiert'' und dadurch z.&nbsp;B. moderne [[Solid-State-Disk]]s&nbsp;(SSDs) auch für elektronische Geräte nutzbar macht, die eigentlich nur mit Festplatten umgehen können. Überdies ermöglicht er Leistungsverbesserungen, die ohne Controller nicht möglich wären, z.&nbsp;B.
* die interne Verwaltung defekter Blöcke (Defektmanagement)
* [[Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology|S.M.A.R.T.]]
* das {{lang|en|[[Wear leveling]]}} bei [[Flash-Speicher]]n
* {{lang|en|[[Garbage Collection]]}} und {{lang|en|[[Over-Provisioning]]}}<ref>{{Internetquelle |url=https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/SSD_Over-Provisioning_mit_hdparm |titel=SSD Over-Provisioning mit hdparm |werk=Thomas Krenn Wiki |abruf=2013-02-27}}</ref> bei&nbsp;SSDs
* {{lang|en|[[Automatic acoustic management|Acoustic Management]]}} bei Festplatten.
Die verwendeten [[Algorithmus|Algorithmen]] gelten als [[Betriebsgeheimnis]] der einzelnen Hersteller.

== Kompatibilität ==
=== {{Anker|Advanced Format|Kompatibilität-Advanced Format|Kompatibilität-4k}}{{lang|en|Advanced Format}}: „4k“ ===
CHS-Adressierung wird in aller Regel heute nicht mehr benutzt. Aus Gründen der Kompatibilität unterstützen Festplatten jedoch weiterhin beide Adressierungsverfahren. Um Kompatibilität mit bestehenden Systemen (Geräten, Betriebssystemen) zu erreichen, wird oft sogar eine logische 512-Byte-Blockgröße simuliert, die der Controller (die Firmware) der Festplatte in die physische Blockgröße von 4.096&nbsp;Bytes (4&nbsp;kB, kurz&nbsp;„4k“) „einpasst“. Wenn das System sich nicht nach der „4k-Blockgröße“ ausrichtet, was immer dann der Fall ist, wenn ein System das 4k-System nicht kennt, kommt es unweigerlich zu [[Rechenleistung|Performance]]<nowiki/>einbußen. Bei älteren Geräten und Betriebssystemen kann jedoch durch manuelle [[Formatierung]] eine [[Speicherausrichtung]] (auf {{enS|“4k block size alignment”}}) erzielt werden. Moderne Betriebssysteme (seit ca.&nbsp;2010) richten [[Partition (Datenträger)|Partitionen]] und [[Dateisystem]]e automatisch auf ein Vielfaches von 4.096&nbsp;Bytes aus, auch auf Festplatten mit 512-Byte-Blöcken. 4k-Blockgrößen werden von Festplattenherstellern auch {{lang|en|“[[Festplattenlaufwerk #Advanced Format|Advanced Format]]”}} bezeichnet, weil sich durch die gestiegene Blockgröße auch die Datendichte steigern lässt, was wiederum größere Festplattenkapazitäten ermöglicht.

=== {{Anker|Kompatibilität-LBA|Kompatibilität-Logical Block Addressing}}LBA ===
Die [[CHS-Adressierung#Konvertierung von CHS nach LBA|Abbildung der CHS-Adresse auf die entsprechende LBA-Adresse]] ist genormt, sodass ein Wechsel des Adressierungsverfahrens nicht zwingend eine Neuformatierung bedeutet und neue Festplatten kompatibel zu alten Computern und Betriebssystemen bleiben. Bei der CHS-Adressierung kann jedoch maximal auf die ersten 128&nbsp;GiB (137&nbsp;GB) zugegriffen werden und es kommt zu Problemen, wenn eine Partition über diese „Grenze“ hinweg definiert ist.

Beim Wechsel von&nbsp;LBA-48&nbsp;(2<sup>48</sup> Bit) zu&nbsp;LBA-28&nbsp;(2<sup>28</sup> Bit) besteht jedoch die Gefahr, Daten ungewollt zu überschreiben, wenn eine Partition über die 128-GiB-Grenze hinaus reicht und mittels&nbsp;LBA-28 angesprochen wird.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.seagate.com/support/kb/disc/tp/137gb.pdf |titel={{lang|en|Windows 137GB Capacity Barrier}} |titelerg={{lang|en|48-bit Logical Block Addressing Support for ATA, Serial ATA or ATAPI Disc Drives, Version 1.0}} |hrsg=Seagate Technology LLC. |werk=seagate.com |seiten=6 |datum=2003-03-07 |abruf=2013-02-27 |format=PDF; 390&nbsp;kB |sprache=en |zitat={{lang|en|There is a HIGH RISK OF DATA LOSS if a partition on an ATA drive is greater than 137GB and 48-bit addressing support is not installed.}}}}</ref> Der Grund hierfür ist, dass jeder Block mit seiner Nummer adressiert wird; der nächste Block hat also die Nummer des Blocks davor&nbsp;+1. Bei einer Partition, die das 28-Bit-Limit übersteigt (was z.&nbsp;B. immer dann der Fall ist, wenn die Partitionierung einer >137&nbsp;GB-Festplatte auf einem Gerät mit LBA-48-Unterstützung erfolgte), wird aus dem Block nach Blocknummer&nbsp;268.435.455 (der größtmöglichen 28-Bit-Blocknummer) ''nicht'' Blocknummer&nbsp;268.435.456, sondern Blocknummer&nbsp;0. Dieser Effekt wird [[Ganzzahlüberlauf]] (oder {{enS|wrapping}}) genannt. Wird dann gerade eine Datei ''gelesen,'' so werden falsche Daten gelesen und es kommt im besten Fall zu einem einfachen Fehler in der die Daten lesenden Anwendung, der eine Fehlermeldung erzeugt. Wird jedoch gerade eine Datei ''geschrieben,'' so überschreibt das System irrtümlich die ersten Blöcke der Festplatte (meistens ist der [[Bootsektor]] als Block&nbsp;0 davon betroffen) und zerstört somit wichtige Daten unwiederbringlich.

== Weblinks ==
* [https://web.mit.edu/rhel-doc/4/RH-DOCS/rhel-isa-de-4/s1-storage-data-addr.html ''Konzepte der Speicheradressierung''] – Seite beim ''[[Massachusetts Institute of Technology]]'' (deutsch)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Speichertechnologie]]