Festplatte: Aufbau, Funktion und Datensicherung

Stell dir den Arbeitsspeicher (RAM) als Schreibtisch vor: Dort liegen die Daten, mit denen der Computer gerade arbeitet. RAM ist schnell, aber flüchtig – ohne Strom verliert er seinen Inhalt.

Eine HDD ist dagegen ein nichtflüchtiger Sekundärspeicher. Sie ähnelt einem Regal: Betriebssystem, Programme, Fotos und andere Dateien bleiben dort langfristig erhalten. Beim Start lädt der Computer benötigte Daten von der HDD in den schnelleren RAM.

Im Gehäuse einer HDD sitzen mehrere aufeinander abgestimmte Bauteile:

• ein oder mehrere magnetisch beschichtete Datenscheiben, die Platters;
• eine Spindel mit Motor, welche die Scheiben dreht;
• Schreib- und Leseköpfe für die Scheibenoberflächen;
• ein beweglicher Aktorarm, der die Köpfe zur gewünschten Spur führt;
• Steuerelektronik, Firmware und Cache;
• eine Schnittstelle, beispielsweise SATA, zur Verbindung mit dem Computer.

Die Köpfe berühren die rotierenden Scheiben im normalen Betrieb nicht. Durch die Bewegung entsteht ein sehr dünnes Luftpolster, auf dem sie nur wenige Nanometer über der Oberfläche schweben. Deshalb muss das Gehäuse vor Staub geschützt sein.

Vor dem Stillstand fährt die HDD ihre Köpfe in eine sichere Parkposition. Fällt der Strom plötzlich aus, kann der auslaufende Spindelmotor noch Energie für dieses Notparken liefern.

Beim Schreiben erzeugt der Schreibkopf ein Magnetfeld. Es richtet winzige Bereiche der Scheibenoberfläche aus. Beim Lesen erkennt der Lesekopf Änderungen der Magnetisierung und wandelt sie in elektrische Signale um.

Die Oberfläche ist geordnet:

• Eine Spur ist ein konzentrischer Kreis auf einer Scheibenoberfläche.
• Ein Block, häufig auch Sektor genannt, ist eine vollständig adressierbare Datenmenge, zum Beispiel 512 oder 4096 Byte.
• Übereinanderliegende Spuren mehrerer Oberflächen bilden einen Zylinder.
• Das Dateisystem fasst Blöcke zu Zuordnungseinheiten zusammen und verwaltet Dateien und freie Bereiche.

Eine moderne HDD wird meist über fortlaufende Blocknummern angesprochen. Ihre tatsächliche innere Geometrie bleibt hinter der Laufwerkselektronik verborgen.

Ein Block wird gelesen

1. Der Aktorarm bewegt den Kopf zur Zielspur.
2. Servoinformationen helfen bei der genauen Positionierung.
3. Die HDD wartet, bis der gesuchte Block unter dem Kopf vorbeikommt.
4. Der Kopf liest die Magnetisierungswechsel.
5. Die Elektronik decodiert und prüft die Daten.
6. Benachbarte Daten können vorsorglich im Cache landen.

Für einen Zugriff muss die HDD zunächst die richtige Spur anfahren. Danach wartet sie, bis sich der Zielblock unter dem Kopf befindet. Die Zugriffszeit enthält daher insbesondere die Spurwechselzeit und die Rotationslatenz.

Die mittlere Rotationslatenz entspricht einer halben Umdrehung. Für eine Drehzahl in Umdrehungen pro Minute gilt:

$t_{mittel}\,[ms] = 30000 / Drehzahl\,[min^{-1}]$

Aufeinanderfolgende Daten lassen sich schneller übertragen als viele weit verteilte kleine Blöcke. Bei einem fortlaufenden Transfer bleibt der Kopf länger auf derselben Spur oder muss seltener neu positioniert werden.

Cache und eine geschickte Reihenfolge mehrerer Anfragen können Wartezeiten verkürzen. Sie beseitigen die mechanischen Grenzen jedoch nicht.

Im Alltag wird auch eine SSD manchmal „Festplatte“ genannt. Technisch unterscheiden sich die Speicher deutlich:

Eine SSD nutzt Flash-Speicher und benötigt weder rotierende Scheiben noch bewegliche Köpfe. Sie ist daher geräuschlos und bei Zugriffen schneller. HDDs bleiben sinnvoll, wenn große Datenmengen dauerhaft gespeichert werden sollen und die Zugriffsgeschwindigkeit weniger wichtig ist.

Jede HDD kann ausfallen. Mögliche Ursachen sind mechanischer Verschleiß, Elektronikfehler, Erschütterungen oder ein Head-Crash. Ungewöhnliche Geräusche oder unlesbare Dateien können Warnzeichen sein, beweisen aber allein keine bestimmte Ursache.

S.M.A.R.T. überwacht interne Laufwerkswerte. Beispielsweise kann eine steigende Zahl neu zugeordneter, schlecht lesbarer Blöcke auf ein Problem hinweisen. Die Bewertung hängt jedoch vom Hersteller und Laufwerk ab. S.M.A.R.T. kann einen Ausfall nicht zuverlässig ausschließen oder für ein einzelnes Laufwerk genau vorhersagen.

Eine sinnvolle Sicherung für ein Fotoarchiv kann so aussehen:

1. Die Arbeitskopie liegt auf der internen HDD.
2. Eine weitere Kopie liegt auf einem getrennten Datenträger, der nicht ständig mit dem Computer verbunden ist.
3. Nach der Sicherung öffnest du stichprobenartig Dateien von der Kopie.
4. In regelmäßigen Abständen führst du eine Wiederherstellungsprobe durch.

Ein RAID kann die Verfügbarkeit verbessern, wenn ein Laufwerk ausfällt. Es schützt aber nicht automatisch vor versehentlichem Löschen, Schadsoftware oder einem Schaden am gesamten Gerät. RAID 0 erhöht die Geschwindigkeit, bietet jedoch keine Ausfallsicherheit.

Auch beim Löschen ist eine Unterscheidung wichtig: Normales Löschen gibt den belegten Platz meist nur im Dateisystem frei. Die magnetischen Daten bleiben bis zum Überschreiben möglicherweise wiederherstellbar. Für sensible Daten auf einer HDD ist vollständiges Überschreiben eine mögliche sichere Löschmethode.

Wenn du die Mechanik, die Datenordnung und die Rotationslatenz zusammen erklären kannst, verstehst du auch den wichtigsten Unterschied zur SSD: Bei der HDD kostet jede unnötige Kopfbewegung Zeit. Für deine Daten gilt unabhängig von der Technik: Dauerhafte Speicherung ist noch keine Datensicherung.