Die HDD & Festplatten FAQ

Die HDD FAQ (von Holger Ehlers)
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Version : 1.0 (Korrekturen + Ergaenzungen willkommen!)
Inhalt
0. Die HDDFAQ
0.1 Wo bekomme ich die HDDFAQ ?
0.2 Welche Version ist aktuell ?
0.3 Hinweise
1. Bussysteme / Allgemeines
1.1 IDE / EIDE allgemein
1.2 Was bringt EIDE neues ?
1.3 SCSI allgemein
1.4 IDE und SCSI gemeinsam
1.5 Master / Slave / Cable Select
1.6 Powersave bei Festplatten
1.7 Format / Lowlevel Format
1.8 Benchmarks
2. SCSI im Detail
2.1 SCSI Normen
2.2 Kabellaengen
2.3 Terminierung
2.4 ID, LUN
2.5 Mapping
2.6 SCSI Specials
3. Massenspeicher-Technik
3.1 Bauformen
3.2 RAID
3.3 Zugriffszeit
3.4 Drehzahl
3.5 Cache, Softwarecache, Cachecontroller
3.6 MR-Koepfe, PRML
3.7 PIO Modes
3.8 Echte und unechte Megabytes
3.9 ZBR
3.10 Kalibrierung
3.11 Interleave
3.12 CHS
4. Dateisysteme
4.1 FAT
4.2 VFAT
4.3 HPFS
4.4 NTFS
5. Produkte
5.1 Diskettenersatz ?
5.2 Streamer
5.3 CDROM Laufwerke
5.4 SCSI Hostadapter
6. Glossar
6.1 Abkuerzungen
6.2 Bezugsquellen
0 Die HDDFAQ
0.1 *Wo bekomme ich die HDDFAQ ?*
Die jeweils neueste HDDFAQ kann bei meiner Stamm-Mailbox, dem iX-Board Walsrode bezogen werden. Per Fido-Request unter der Adresse 2:241/1020
(Analog: V32/V.34) oder unter 2:241/1021 (ISDN: X.75). Das Request-Magic lautet HDDFAQ.
Wer keinen Fidorequest durchfuehren kann, sollte Online unter einer der Mailboxnummern anrufen: 05167/1429 (Analog) oder 05167/91011 (ISDN). Die
HDDFAQ ist auch in zahlreichen anderen Mailboxen verfuegbar. In den Fidoechos 386.GER, HARDWARE.GER und STORAGE.GER poste ich alle 14 Tage
eine aktuelle Liste der Support-Boxen.
Neben der HDDFAQ gibt es von mir noch zwei weitere FAQs – am besten gleich requesten: Magics TAKTFAQ bzw. RAMFAQ.
TAKTFAQ: *alles* zu Hochtakten von CPUs, CPU Faelschungen, Kuehlung, Bus/Boardtakt, Tuningtips, CPU Codenummern, …
RAMFAQ: *alles* ueber DRAMs: SIMM, PS/2, EDO, BEDO, EDRAM, Zugriffszeiten, RAM Adapter, Parity, Page Mode, Interleave,
Cachetechniken, Speicher fuer Grafikkarten, BIOS Settings, DRAM Codes entschluesselt, Shadow RAM, Shared Memory, …
0.2 *Welche Version ist aktuell ?*
Interessierte Leser koennen per Netmail an mich (Holger Ehlers, 2:241/1020.20) in den Mailverteiler aufgenommen werden, der per Netmail ueber jede neue Version der FAQ informiert.
0.3 *Hinweise*
Diese HDDFAQ ist verfasst worden von Holger Ehlers, PC POWER GmbH. Sie darf und soll frei weitergegeben werden, solange sie unveraendert bleibt. Das Copyright liegt bei der PC POWER GmbH. Ueber Feedback, Fehlerhinweise, Tips zu Erweiterungen etc. freue ich mich besonders. Bitte an 2:241/1020.20 adressieren. An dieser Stelle moechte ich mich bei allen bedanken, die mit Ihren Tips zu dieser FAQ beigetragen haben.
Anmerkung: In dieser FAQ wird statt des eingebuergerten, aber eigentlich falschen Begriffs ‚SCSI Controller‘ die korrektere Bezeichnung ‚SCSI Hostadapter‘ verwendet.
*** Diese FAQ ist eine 1.0-Version. Das heisst, dass viele Themen noch nicht in voller Breite (insbes. IDE Grundlagen) ausgearbeitet und bestimmt noch einige Fehler enthalten sind. Dies wird jedoch in den folgenden Versionen schrittweise verbessert. Ueber ergaenzende Themenvorschlaege etc. wuerde ich mich sehr freuen. ***
1. Bussysteme / Allgemeines
1.1 *IDE / EIDE allgemein*
Das bei weitem beliebteste Bussytem fuer Massenspeicher ist heute der IDE bzw. EIDE Bus (auch: AT-Bus oder ATA). Er basiert auf einem Standard aus dem Jahre 1989, der von einem Herstellerkonsortium geschaffen wurde. Ungenormte IDE Vorlaeufer gab es schon ab 1985/86. Die Abkuerzung IDE deutet an, dass sich der eigentliche Festplatten-Controller – also die Elektronik, die die Festplatte steuert – auf der Festplatte befindet. Der auf modernen Mainboards bzw. auf Steckkarten zu findende ‚(E)IDE-Controller‘ ist eigentlich nur ein recht primitiver Pegelwandler und weitgehend unintelligent. Der Vorteil der Auslagerung der Steuerelektronik auf die Festplatte liegt in der besseren Anpassbarkeit an die Festplatte. Es muss naemlich nicht mehr wie frueher zu MFM / RLL Zeiten ein Controller zu (fast) allen Festplatten kompatibel sein, sondern die Elektronik kann individuell auf die Festplatte abgestimmt werden.
IDE ist standardmaessig auf 63 Sektoren, 16 Koepfe und 1024 Zylinder beschraenkt. Das ergibt – je nach Rechenweise – 504 ‚echte‘ MB bzw. 528 MB aus Sicht der Hersteller (siehe 3.8).
1.2 *Was bringt EIDE neues ?*
Neu bei EIDE sind:
– PIO Mode 2, 3, 4
– Unterstuetzung von bis zu 127.5 GB grossen Platten (statt 504 MB)
– neue Devicetypen (CDROM, Streamer)
– Unterstuetzung von mehr als zwei Devices
Parallel zur EIDE-Erweiterung mussten auch die BIOSse angepasst werden. Zusaetzlich zum alten Schema CHS sind die Modi LBA und der weniger gebraeuchliche ‚Large‘ Modus hinzugekommen.
BIOS CHS/IDE EIDE LBA/XCHS
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Sektoren/Spur: 63 63 255 63
Koepfe: 255 16 16 255
Zylinder: 1024 1024 65536 1024
= max. Groesse: 7.8 GB 504 MB 127.5 GB 7.8 GB
Die wichtigste Neuerung bei EIDE ist sicherlich das Durchbrechen der 504 MB Grenze. Ohne dieses Feature haette EIDE sicherlich keine Chance am Markt gehabt. In der vor-EIDE-Zeit gab es zwar schon einige Loesungen fuer Festplatten mit mehr als einem halben GB, aber diese waren wenig praxistauglich und IDE-untypisch teuer. So gab es z.B. eine 1 GB IDE Festplatte, die dem Controller zwei getrennte 504 MB Festplatten vorgaukelte.
Auch Besitzer mit altem BIOS und altem IDE Controller, koennen die meisten Vorteile und vor allem die Kapazitaet einer modernen EIDE Festplatte nutzen. Die Festplattenhersteller bieten dazu Software an,
die ein Ansprechen der Kapazitaet ueber 504 MB moeglich macht. Am weitesten verbreitet ist der Diskmanager von der Firma Ontrack, der z.B. bei Western Digital HDDs beigelegt wird. Fehlt ein solcher Treiber bei einer neu erworbenen HDD, sollte man seinen Haendler bitten, ihn zu besorgen oder sich selbst in der Herstellermailbox umsehen. Hinweis: Die meisten Treiber sind zwar prinzipiell mit allen Festplatten kompatibel, fragen jedoch bei der Installation den Hersteller der Festplatte ab, so dass z.B. die Installation eines WD Treibers auf einer NEC Festplatte fehlschlaegt.
Wenn man durch ein Systemupgrade den installierten Treiber nicht mehr benoetigt, sollte man ihn nach Moeglichkeit durch die Deinstallations-Routine entfernen lassen. Ist das nicht moeglich oder vorgesehen, kann man den Treiber auch von Hand vom Bootsektor loeschen, indem man von einer Bootdiskette den undokumentierten FDISK /MBR ausfuehrt. Dieser schreibt den Bootsektor der Festplatte neu (keine Sorge, die Daten der Festplatte bleiben erhalten) und entfernt dabei den Treiber.
1.3 *SCSI allgemein*
SCSI ist seit 1986 offizieller ANSI Standard und ging Anfang der 80er Jahre aus den SASI Spezifikationen hervor, an denen sich Adaptec neben anderen Herstellern stark beteiligte. SCSI ist ein Bussystem, das speziell fuer Multitasking ausgelegt ist (siehe 2.6). Es zeichnet sich durch hohe Flexibilitaet, Kompatibilitaet, Zuverlaessigkeit und Erweiterbarkeit aus.
1.4 *IDE und SCSI gemeinsam*
Entgegen vieler Befuerchtungen von (E)IDE -> SCSI Umsteigewilligen ist der parallele Betrieb von (E)IDE und SCSI Geraeten in einem System problemlos moeglich. Es reicht, den SCSI Hostadapter sowie die SCSI Geraete physikalisch korrekt anzuschliessen. Ein Nachteil ist jedoch, dass weiterhin von der ersten (E)IDE Festplatte gebootet werden muss. Dieses Handicap laesst sich mit einem der folgenden ‚Tricks‘ umgehen:
– (E)IDE Festplatten nicht im BIOS eintragen und spaeter per Treiber in das System einbinden oder vom Betriebssystem erkennen lassen. Z.B. OS/2 hat dieses Feature serienmaessig. Als Treiber fuer DOS bietet sich z.B. Anydrive an.
– SCSI Hostadapter von WD verwenden (diese unterstuetzen SCSI Boot vor IDE)
– MR BIOS (Shareware BIOS, in div. Mailboxen) flashen. Dieses BIOS unterstuetzt als vermutlich einziges SCSI Boot vor IDE.
1.5 *Master / Slave / Cable Select*
In einem (E)IDE System koennen maximal zwei Festplatten an einen (E)IDE Kanal angeschlossen werden. Auf den Festplatten muss (meist) die aktuelle Konfiguration eingestellt sein, d.h. die Festplatte muss
wissen, ob sie allein am betreffenden Kanal angeschlossen ist (Single), oder ob sie Gesellschaft hat. Ist letzteres der Fall, so muss eine ‚Rangordnung‘ festgelegt werden: Die erste Festplatte wird zum Master und die zweite zum Slave bestimmt. Ohne diese Einstellung laeuft ein (E)IDE System meist nicht stoerungsfrei. Ist bei einem EIDE System auch der zweite Kanal mit (E)IDE Geraeten belegt, ist analog zu verfahren. Zwei Beispiele:
1. Kanal: HDD Master
HDD Slave
2. Kanal: CDROM Single
1. Kanal: HDD Single
2. Kanal: CDROM Single
Einige Geraete (besonders CDROMs) besitzen keine ‚Single‘ Einstellung. In diesem Fall laufen sie meist mit der Einstellung ‚Master‘ korrekt.
Als weitere Einstellungsmoeglichkeit ist auf einigen (E)IDE Geraeten ‚Cable Select‘ zu finden. Mit einem speziellen (E)IDE Kabel (beondere Pinbelegung) koennen entsprechende Geraete dann selbst bestimmen, ob sie Master oder Slave sein muessen. Diese zeitgemaesse (weil praktisch ‚Plug and Play‘-) Moeglichkeit hat leider praktisch keine Verbreitung gefunden.
1.6 *Powersave bei Festplatten*
Wohl jedes neuere BIOS unterstuetzt Powermanagement nach der EPA Norm. Mit ihm laesst sich bei geeigneter (E)IDE Festplatte nach einiger Zeit ohne Festplattenzugriff der Plattenmotor abschalten. Dies spart ein paar Watt Strom und senkt den Laermpegel etwas. Nachteil ist eine verkuerzte Lebensdauer der Festplatte, denn die Mechanik ist nicht (wie z.B. bei Notebooks) darauf ausgelegt, besonders haeufig hoch- und runtergefahren zu werden. Aus diesem Grund sollte man das Powermanagement fuer die Festplatte entweder ganz ausschalten oder wenigstens eine lange Verzoegerungszeit einstellen.
SCSI Festplatten unterstuetzen ebenfalls meist einen Powersave Modus, nur ist dieser nicht durch das PC BIOS zu aktivieren. Entweder uebernimmt der SCSI Hostadapter oder ein Treiber das Powermanagement. Auch hier gelten natuerlich obige Hinweise zur Lebensdauer.
1.7 *Format / Lowlevel Format*
Das normale Format kennt jeder: Es ist zur Einrichtung jeder neuen Festplatte notwendig. Es werden alle (eventuell vorhandenen) Daten auf der Festplatte geloescht und die Festplattenstruktur wird entsprechend dem Dateisystem (z.B. FAT, s. 4.1) eingerichtet.
Selten wird das Lowlevel Format (LL) benoetigt. Es kann nicht mit DOS Befehlen, sondern nur mit speziellen Tools durchgefuehrt werden. Beim Lowlevel Format ist es wichtig, darauf zu achten, dass man das richtige Format-Programm verwendet (meist vom Plattenhersteller). Andere Software zur Lowlevel-Formatierung loescht unter Umstaenden die Bad-Sector Map und andere wichtige Informationen (z.B. ZBR Eintraege). Dadurch kann eine Festplatte dauerhaft unbrauchbar werden oder ihre Kapazitaet extrem schrumpfen. LL-Format wird nur benoetigt, wenn eine Festplatte mit dem normalen DOS Format nicht mehr ansprechbar ist. Einige Festplatten fangen aus Sicherheitsgruenden den Befehl zum LL-Format ab und fuehren statt dessen ein ganz normales Format durch.
1.8 *Benchmarks*
Festplatten-Benchmarks gibt es viele. Doch nur wenige sind wirklich geeignet, praxisrelevante und vergleichbare Leistungsdaten einer Festplatte zu bestimmen. Primitive Benchmarks arbeiten mit Datenbloecken, die in den Festplattencache passen, und bestimmen so nur die Interfacegeschwindigkeit und nicht die Geschwindigkeit der eigentlichen Festplatte (z.B. Coretest ist so ein Programm). Andere
Programme messen nur die Zugriffszeit oder bestimmen die Geschwindigkeit bei linearem Lesen von der Festplatte; ebenfalls wenig praxisrelevante Eckdaten.
Eine gute Empfehlung ist dagegen das Programm CTHDBENCH aus der c’t Mailbox. Es liest und schreibt auf der Festplatte mit variablen Blockgroessen und bestimmt einen realistischen, nach Schreib- und
Lesezugriffen gewichteten, Mittelwert. Um vergleichbare Messdaten zu erhalten, ist es allerdings unabdingbar, die Rahmenbedingungen fuer die Messungen gleich zu halten. Wichtig bei allen Festplattenbenchmarks: Der Softwarecache muss ausgeschaltet sein! Messungen mit Festplattencache fallen unrealistisch hoch aus und sind nicht vergleichbar.
2. SCSI im Detail
2.1 *SCSI Normen*
Norm Bitbreite max. Transferrate
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SCSI 1 8 Bit 5 MB/s (asynchron)
SCSI 2 8 Bit 5 MB/s (asynchron)
Wide SCSI 2 16 Bit 10 MB/s (asynchron)
Fast SCSI 2 8 Bit 10 MB/s (synchron)
Fast Wide SCSI 2 16 Bit 20 MB/s (synchron)
Fast 20 8 Bit 20 MB/s (synchron)
Fast Wide 20 16 Bit 40 MB/s (synchron)
Fast 40 8 Bit 40 MB/s (synchron)
Fast Wide 40 16 Bit 80 MB/s (synchron)
Anmerkung: Neben dem 16 bittigen Wide SCSI ist auch ‚Wide 32‘ also Wide SCSI mit 32 Bit normiert worden. Dieser Standard ist jedoch ohne praktische Bedeutung – allein schon wegen der noetigen extrem teuren Kabel. Die ‚Fast 20‘ bzw. ‚Fast 40‘ Norm ist auch unter dem Arbeitstitel ‚Ultra SCSI‘ oder ‚SCSI 3‘ bekannt und wird oft auch so beworben. Fast 40 ist noch nicht endgueltig spezifiziert und wirft in der Praxis (110 poliges Kabel!) grosse Probleme auf. Das normale 8 Bit SCSI wird zur besseren Unterscheidung gern ‚Narrow SCSI‘ genannt.
Synchrone / Asynchrone Uebertragung: Sind Sender und Empfaenger im Gleichtakt, so muss nicht nach jeder Datenuebertragung zusaetzliche Synchronisationsinformation uebertragen werden (‚ok, hab‘ ich, schick das naechste …‘). Daher ist die synchrone Datenuebertragung am SCSI Bus schneller als die asynchrone.
Was ist Differential SCSI ? Vereinfacht gesagt: Bei Differential SCSI Devices ist (im Gegensatz zum normalen ‚Single Ended SCSI‘) jede Leitung doppelt vorhanden. Bei der Datenuebertragung ist nun nicht der Pegel auf einer Leitung das zu uebertragende Datum, sondern die Pegeldifferenz zwischen beiden Signalen ist die Information. Vorteil hierbei ist die hoehere Stoersicherheit. Dazu ein Beispiel:
Festplatte —> Hostadapter
sendet logisch 0 empfaengt durch Stoerung logisch 1
Nun weiss ein normaler Hostadapter natuerlich nicht mehr was richtig und was falsch ist. Er kann zwar durch Paritypruefung feststellen, dass etwas falsch uebertragen wurde, aber das behebt den Fehler nicht und die Paritypruefung ist auch nur bei einem Fehler pro Block zuverlaessig. Wenn nun eine Stoerung auf eine Differential SCSI Leitung einwirkt, so wird das Signal auf beiden Leitungen gleichartig beeinflusst. Die Differenz der Signale bleibt also gleich und die Information ist
unveraendert.
2.2 *Kabellaengen*
Laut SCSI Standard sind folgende Kabellaengen des SCSI Busses maximal zulaessig (interne Buslaenge + externe Buslaenge):
SCSI Standard max. Laenge
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SCSI I 6 Meter
(Fast) SCSI II 3 Meter
Differential SCSI II 25 Meter
Fast 20 3 Meter: bis 4 Devices/1.5 Meter bis 8 Devices
Fast 40 noch nicht spezifiziert
SCSI Kabel sind leider oft recht teuer. Aber nur bei einem wirklich hochwertigen Kabel ist es moeglich, die volle spezifizierte Laenge des SCSI Busses auszunutzen – speziell bei den neuen Modi Fast 20 und Fast 40. Von Billigware ist also abzuraten. Ein internes Fast 20 Kabel kann schon mal 80 DM kosten.
2.3 *Terminierung*
Im Gegensatz zu (E)IDE herrscht bei SCSI Terminierungs-Pflicht. Das heisst, der SCSI Bus muss an seinen physikalischen Enden terminiert sein. Das klingt einfach, ruft in der Praxis aber viele Verwirrungen und Fehler hervor. Zur korrekten Terminierung hier drei Beispiele:
(!: Terminator, — : SCSI Kabel)
!Hostadapter —- Festplatte —- CD ROM!
!Festplatte —- Hostadapter —- externer Scanner!
!Hostadapter —- Festplatte!
Eigentlich simpel, oder ? Gut, jetzt noch ein paar Details. Zur korrekten Terminierung gehoert noch die Speisung des SCSI Busses mit TERMPWR, der Stromversorgung fuer die Terminierung (+5 V). Am SCSI Bus
darf nur ein Geraet TERMPWR liefern. Sonst kann es zu Fehlfunktionen und sogar zu Hardwaredefekten kommen (die auf den meisten SCSI Hostadaptern zu findende Sicherung soll u.a. Schaeden durch falsche Einstellungen verhindern). Ueblicherweise uebernimmt der SCSI Hostadapter die Bereitstellung von TERMPWR.
Waehrend bei SCSI 1 und SCSI 2 ueblicherweise mit passiver Terminierung gearbeitet wird, so ist bei den neuen SCSI Normen Ultra SCSI 3 bzw. Fast 20 / Fast 40 aktive Terminierung Pflicht. Was hat man sich unter diesen beiden Varianten vorzustellen ?
passive Terminierung: Sie besteht aus einem Widerstandsnetzwerk, das die Signalleitungen mit 220 Ohm gegen +5 V (‚Pull-Up Resistor) und 330 Ohm gegen Masse (‚Pull-Down Resistor‘) terminiert:
————————- + 5 V TERMPWR
|
[220 Ohm]
|
————————- Signal
|
[330 Ohm]
|
————————- Masse 0 V
aktive Terminierung: Sie sorgt auf dem Bus fuer sauberere Signale, ist aber aufwendiger als die uebliche passive Terminierung. Grob vereinfacht gesagt, wird bei der aktiven Terminierung durch Regelung der ‚passende‘ Widerstand erzeugt und damit optimale Signaluebertragung erreicht. Terminiert wird das Signal gegen 2.85 V TERMPWR.
Wozu Terminierung? Sie dient dazu Stoerungen auf dem SCSI Bus zu vermindern. Nur so sind die relativ grossen Kabellaengen von SCSI moeglich. Sind keine Terminatoren vorhanden, so werden die Transienten
(Flanken, Impulse) am Kabelende reflektiert und laufen solange im Kabel hin und her, bis sie sich ‚totgelaufen‘ haben, d.h. ausreichend gedaempft sind. Dabei ueberlagern sie die eigentlichen Nutzsignale.
Dieser Effekt ist in etwa mit einem Geisterbild beim Fernseher zu vergleichen. Sind die Reflexionen stark genug, und passen sie auch vom Timing her, dann koennen die Nutzsignale so stark veraendert werden, dass es Uebertragungsfehler gibt.
In der Praxis erfolgt die Terminierung meist durch Aktivierung des eingebauten Terminators via Jumper oder DIP Schalter bzw. durch aufstecken des Widerstandsnetzwerks. In letzterem Fall ist die korrekte
Einbaulage zu beachten: Bei den Widerstandsnetzwerke ist Pin 1 meist durch einen kleinen Punkt markiert. Alles weitere sollte in der Dokumentation des SCSI Geraets zu finden sein.
Problematisch wird die Terminierung beim gemischten Betrieb von Wide SCSI und ‚Narrow‘ SCSI an einem Bus. Dort muss dann beim Uebergang von 16 Bit auf 8 Bit mit einem speziellen Terminator (schwer zu beschaffen) der Wide-Teil des Busses abgeschlossen werden, waehrend der andere Teil erst am Ende des dann 8 bittigen Busses terminiert wird.
Beispiel:
(===: Wide SCSI, —: Narrow SCSI, != jew. Terminator)
!Wide Hostadapter ==== Wide HDD ==== Wide HDD! —- CDROM!
^Wide Terminator spez. Terminator^ ^ Narrow Term.
2.4 *ID / LUN*
Jedem Geraet (Device) am SCSI Bus muss eine ID zugeordnet werden. Unter dieser ID wird das Geraet am SCSI Bus identifiziert. Eine ID darf nur einmal pro Bus vergeben werden. Entsprechend den maximalen Devicezahlen gibt es fuer 8 bit-SCSI 8 IDs und fuer Wide SCSI 16 IDs. Die hoechste ID wird in aller Regel vom SCSI Hostadapter selbst belegt. Im Falle von 8 bit-SCSI bleiben also die IDs 0..7 fuer SCSI Geraete frei. Beim Booten des Systems sucht der SCSI Hostadapter beginnend von ID 0 alle IDs nach Geraeten ab. Meist wird von der niedrigsten SCSI ID gebootet. Ansonsten ist die Vergabe der IDs relativ egal, obwohl sich einige ‚Standards‘ etabliert haben. Je hoeher die ID ist, desto hoeher ist auch die Prioritaet des SCSI Geraets am Bus. Dies hat in der Praxis jedoch wenig Bedeutung.
CDROM-Wechsler, RAID Hostadapter (und einige andere Geraete) arbeiten mit Sub-IDs, den sogenannten LUNs. Jede CD eines CDROM Wechslers bekommt eine eigene LUN und wird unter dieser angesprochen. Da bei SCSI pro ID bis zu 8 LUNs erlaubt sind, ist es theoretisch moeglich bis zu 56 Geraete an den (8 bit-) SCSI Bus anzuschliessen. ‚Theoretisch‘ deshalb, da LUNs von den wenigsten Geraeten unterstuetzt werden.
2.5 *Mapping*
‚Mapping‘ bezeichnet die Zuordnung der logischen Sektoren zu den physikalichen Sektoren auf der Festplatte. Aus technischen / PC-Historischen Gruenden kann man eine Festplatte nicht einfach so wie
sie ist ansprechen. Dieses Mapping ist leider herstellerspezifisch. Probleme macht insbesondere der Wechsel von einem NCR SCSI Hostadapter zu einem Adaptec, da der Adaptec das Mapping des NCR nicht versteht. Hier ist dann eine Neuformatierung noetig. Umgekehrt geht der Wechsel ohne Probleme.
Das sog. ‚Bad-Sector-Remapping‘ bezeichnet die Faehigkeit moderner Festplatten, einzelne als defekt erkannte Sektoren automatisch durch versteckte ‚Reservesektoren‘ zu ersetzen. Dieses Remapping fuehrt dazu, dass der Anwender normalerweise gar nicht mitbekommt, wann einzelne Sektoren defekt sind. Ist die Festplatte ernsthaft defekt, reicht der Reservebereich irgendwann nicht mehr aus, und es tauchen Bad Sectors auf, die nicht mehr umgemappt werden koennen.
2.6 *SCSI Specials*
Hier kurze Erklaerungen zu interessanten Techniken, die SCSI verwendet:
– Busmaster DMA – der PC, genauer die CPU, gibt dem Hostadapter einen I/O Auftrag, dieser fuehrt ihn selbstaendig aus, in dem er Daten mittels eigener Hardware direkt von/zu einem bestimmten Bereich des
Hauptspeichers transferiert und teilt dem – inzwischen vielleicht anderweitig taetigen – CPU mit, wenn die Aktion beendet ist. Im Vergleich zu den bei (E)IDE ueblichen PIO Modes mit hoher CPU Belastung also ein fuer die CPU-Last schonendes Verfahren und insbesondere bei Multitasking ein grosser Performancegewinn.
– Disconnect / Reconnect – ein Target (Device, Geraet), das vom Host Adapter einen Auftrag bekommen hat (z.B. beschaffe mir die Daten xxx) koppelt sich vom SCSI Bus ab, so lange es beschaeftigt ist. Dadruch wird der SCSI Bus frei und der Hostadapter kann inzwischen schon ein anderes Target initialisieren. Wenn ein Target seine Aufgaben erledigt hat, meldet es sich wieder am SCSI Bus an.
– Scatter / Gather – mehrere Schreib- oder Lesezugriffe, auch wenn sie nicht zusammen haengend sind, werden in einer Operation ausgefuehrt.
– Command Queuing / Tagged Queuing – mehrere Befehle werden gesammelt und dann in der guenstigsten Reihenfolge (die nicht der Reihenfolge des Befehlseingangs entsprechen muss), abgearbeitet. Z.B. koennen so die Sektoren einer Platte in kontinuierlicher Reihenfolge statt sprunghaft geanfahren werden.
3. Massenspeicher-Technik
3.1 Bauformen
Gaengige Festplatten haben eine Breite (‚Formfaktor‘) von 3.5 Zoll und eine Bauhoehe von 1″. Dies war und ist jedoch nicht immer so. Frueher – ganz zu Beginn der Festplattentechnik (als Festplatten noch
‚Winchesterdrives‘ hiessen) – gab es Formfaktoren von bis zu 8″ (das sind ueber 20 cm!). Lange Zeit waren 5.25″ Festplatten state-of-the-art. Heute gibt es (ausser im Bereich extrem hoher Kapazitaeten)
ausschliesslich Festplatten mit Formfaktor 3.5″ (Desktop PC) oder kleiner (z.B. Notebook: 2.5″, PCMCIA: 1.8″ etc.). Die Bauhoehe hat sich ebenfalls verringert. Standard ist HH (1″) oder flacher. Bei Notebooks sind die Hoehen 0.5″, 0.66″ oder 0.75″ ueblich.
3.2 *RAID*
RAID bezeichnet eine Gruppe von Standards zur Erhoehung der Datensicherheit in professionell genutzten Massenspeichersystemen. Der Standard geht auf eine Veroeffentlichung von Gibson, Katz und Patterson aus dem Jahre 1987 zurueck. Die Grundidee von RAID ist es, durch die (redundante) Verwendung mehrerer Festplatten ein schnelles, fehlertolerantes Festplatten-Verbundsystem aufzubauen. Dazu ist in der Regel ein spezieller SCSI Hostadapter notwendig. Folgende RAID Levels sind z.Zt. genormt:
RAID Bezeichnung Pruefcode min. Daten HDDs + Pruef HDDs
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0 Stripe Set kein 2 –
1 Disk-Mirroring kein 1 1
2 Stripe Set Hamming Code dediz. 2 1
3 Stripe Set XOR dediziert 2 1
4 Sector Striping XOR dediziert 2 1
5 Stripe Set XOR verteilt 2 1
6 Stripe Set 2x XOR verteilt 2 2
Neben den ‚offiziellen‘ RAID Levels 0-5 und dem hier ergaenzend genannten RAID 6 gibt es eine Vielzahl herstellerspezifischer Standards wie z.B. Mylex RAID 6 (Kombination aus RAID 0 und 1) und 7, Siemens RAID 7 etc. Diese sind jedoch haeufig inkompatibel und nur mit den Hostadaptern der jeweiligen Hersteller verwendbar.
RAID 0: Auf zwei oder mehr Festplatten wird parallel zugegriffen. Dadurch laesst sich bei Lese- und Schreibzugriffen die Transferrate erheblich steigern. Die Zugriffszeit bleibt natuerlich gleich hoch. RAID 0 ist eigentlich kein echtes RAID, da es nicht redundant arbeitet. Die Gefahr eines Datenverlusts wird durch RAID 0 sogar noch erhoeht, da im Falle des Defekts einer Festplatte alle Daten verloren gehen. Fuer RAID 0 benoetigt man nicht zwingend einen RAID Hostadapter. Es kann auch vom MR BIOS softwareseitig erzeugt werden. Natuerlich ist letzteres keine professionelle Loesung. Nichtsdestotrotz kann auch dieser Weg den Druchsatz erheblich ankurbeln.
RAID 1: Ein einfaches Verfahren zur Erhoehung der Datensicherheit: Alle Daten werden parallel auf zwei Festplatten geschrieben. Der Datenbestand beider Festplatten ist also identisch. Nachteile dieses ‚Primitiv-RAID‘ sind die 50%-ige Platzverschwendung und die immer noch relativ grosse Datenunsicherheit. Im Falle eines Schreibfehlers auf einer Festplatte laesst sich naemlich bei RAID 1 nicht bestimmen, welche der beiden HDDs die richtigen Daten gespeichert hat. Eine erweiterte Form des Mirrorings ist das Disk-Duplexing. Hierbei sind nicht nur zwei Festplatten, sondern auch zwei Hostadapter vorhanden, so dass auch bei Ausfall eines Hostadapters weiter gearbeitet werden kann. Zur Erhoehung der Datensicherheit wird RAID 1 gern mit einem anderen RAID Level kombiniert.
RAID 2: Bei RAID 2 werden die Daten aehnlich wie bei RAID 0 ueber zwei oder mehr Festplatten verteilt. Zusaetzlich wird eine Festplatte mit einer Pruefsumme nach dem Hamming-Code beschrieben. Der Hamming-Code ist in der Lage kleinere Fehler im Datenbestand nicht nur zu erkennen, sondern auch zu beheben. Durch das dedizierte Laufwerk fuer den Fehlercode wird RAID 2 recht langsam. Ausserdem ist es durch die in allen modernen Festplatten enthaltenen Fehlerpruefcodes obsolet geworden.
RAID 3: Eine vor allem in der Performance verbesserte Alternative zu RAID 2. Es arbeitet wiederum auf Basis eines Stripe Set und speichert die redundante Fehlerinformation auch auf einem separaten Laufwerk. Im Unterschied zu RAID 2 wird aber eine XOR-Verknuepfung als Redundanzcode verwendet. Bei Ausfall einer Festplatte ist es moeglich alle Daten waehrend des Betriebs aus den Daten der anderen Festplatten zu errechnen. Es tritt also kein Datenverlust auf. RAID 3 ist recht flink, aber seine Leistung bricht bei kleinen, unzusammenhaengenden Datenbloecken schnell zusammen. Gut fuer grosse Datentransfers.
RAID 4: Das sogenannte Sector Striping verteilt die Daten in groesseren Bloecken als RAID 3 auf die verschiedenen Festplatten. Ansonsten wird ebenfalls ein Laufwerk mit XOR Pruefsumme verwendet. Der Vorteil des Stripings geht durch den Flaschenhals der dedizierten Festplatte fuer den Fehlercode verloren. Nur bei Lesezugriffen kann das Striping seine Vorteile ausspielen.
RAID 5: Diese RAID Level stellt praktisch eine Kombination aus RAID 0, 3 und 4 dar. Auch hier werden die Daten ueber drei oder mehr Festplatten verteilt und eine XOR Pruefsumme wird erzeugt. Allerdings wird die Pruefsumme nicht wie bei den anderen RAID Levels auf einer dedizierten Festplatte untergebracht, sondern ist ueber alle Laufwerke verteilt (‚Striped Parity‘). Dadurch entsteht kein Flaschenhals. RAID 5 bietet hohe Datensicherheit und ist durch seine gute Performance heute sehr beliebt. Da das Berechnen XOR Pruefsumme und die Verteilung der Informationen auf die einzelnen HDDs recht aufwendig ist, wird auf RAID 5 Hostadaptern meist ein eigener ‚RAID 5 Chip‘ eingesetzt.
RAID 6: (nicht offiziell standardisiert) Praktisch ein erweitertes RAID 5. Hier werden zwei zusaetzliche HDDs zur Fehlersicherung eingesetzt. Die Daten werden jedoch ebenfalls ueber alle HDDs verteilt. Hoechste Redundanz.
Neben der Erhoehung der Ausfallsicherheit bietet RAID einige Techniken, um im Fehlerfall moeglichst schnell wieder eine redundante Datenhaltung aufbauen zu koennen:
– Hot Swapping: Waehrend des laufenden Serverbetriebs kann eine defekte Festplatte durch eine neue ausgetauscht werden. Das betroffene Laufwerk wird dazu vom Hostadapter automatisch abgeschaltet und die
neue Festplatte wird automatisch eingerichtet und in das RAID System eingebunden. Der Serverbetrieb kann waehrenddessen weitergehen.
– Hot Standby: Eine zusaetzliche Festplatte wartet in ausgeschaltetem Zustand auf einen eventuellen Defekt einer der Platten des Arrays. Tritt dieser ein, so wird die bisher ungenutzte Festplatte automatisch hochgefahren und die defekte Platte wird deaktiviert. So wird ohne Benutzereingriff trotz Defekts immer hoechste Redundaz bewahrt.
3.3 *Zugriffszeit*
Die Zugriffszeit einer Festplatte ist die Zeit, die die Festplatte durchschnittlich beginnend vom Empfang des Befehls bis zum Lesen des ersten Bits benoetigt. Sie setzt sich folgendermassen zusammen:
Zeit fuer Befehlsdecodierung (das ‚verstehen‘ des Befehls)
+ Zeit fuer Kopfpositionierung
+ Head settle Time (Zeit bis der Kopf ruhig ueber der Spur steht)
+ Latenzzeit (Zeit bis gewuenschter Sektor vorbeizieht)
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= Zugriffszeit
Da die mittlere Zugriffszeit das wohl meist beachtete Leistungskriterium fuer Festplatten ist, haben sich die Hersteller eigene Definitionen der Zugriffszeit einfallen lassen, die – natuerlich
– zu geringeren Werten fuehren, als die oben erklaerte offizielle Definition. So wird statt der ‚Full-stroke‘ Zugriffszeit (Zugriffszeit gemittelt fuer zufaellige Zugriffe ueber die gesamte Platte) gern die Zeit fuer ‚1/3 stroke‘ angegeben (Zugriffszeit fuer zufaellige Sektoren innerhalb des ersten Plattendrittels). Andere lassen die Angabe der Zugriffszeit sogar ganz weg und geben statt dessen die noch weniger aussagefaehige Latenzzeit an (letztere ist naemlich nur von der Drehzahl der Festplatte abhaengig).
Heute gaengige EIDE und SCSI Festplatten fuer den Consumer Markt weisen Zugriffszeiten von ca. 11-15 ms auf. Etwas aeltere Festplatten liegen meist bei 15-20 ms, alte MFM Platten kommen auf 40 ms und mehr. Hochleistungsfestplatten schaffen deutlich unter 10 ms.
Man sollte sich bei der Kaufentscheidung nicht auf eine moeglichst geringe Zugriffszeit festlegen – andere Kriterien sind viel wichtiger. Die Zugriffszeit ist (solange sie im Rahmen bleibt) eher unwichtig. Ein paar ms mehr oder weniger sind nur bei Datenbankzugriffen zu bemerken.
3.4 *Drehzahl*
Neben der mittleren Zugriffszeit (deren Bedeutung oft ueberschaetzt wird), spielen Cachegroesse (siehe 3.5) und Drehzahl der Festplatte eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der Leistungsfaehigkeit.
Je schneller eine Festplatte sich dreht, desto geringer wird die Latenzzeit, also die Zeit, bis nach korrekter Positionierung das gesuchte Datum unter dem Schreib-/Lesekopf herfliegt. Wenn der Festplattencontroller schnell genug ist, dann setigt mit der Drehzahl natuerlich auch die Datenuebertragungsrate. Gaengige Drehzahlen sind:
Drehzahl Anwendung Anmerkung
———————————————————————
3600 rpm Billig-(E)IDE HDDs nicht mehr zeitgemaess
4500 rpm Standard bei EIDE zunehmend von 5400 rpm verdraengt
5400 rpm bessere EIDE/SCSI HDDs merklich lauter als 4500 rpm
7200 rpm Hochleistungs-HDDs meist laut, unangenehmes Pfeifen
Festplatten mit 7200 Umdrehungen in der Minute geben nicht nur haeufig ein unangenehm empfundenes sirren von sich, sondern entwickeln zumeist auch recht viel Waerme. Bei einigen Modellen ist in nicht klimatisierten Raeumen oder bei engen Rechnergehaeusen ein zusaetzlicher Luefter anzuraten. Die Hersteller deratiger HDDs weisen ausdruecklich darauf hin, dass mit steigender Betriebstemperatur die MTBF leidet. Mehr als 50 Grad sollte eine Festplatte auf keinen Fall laengere Zeit ertragen muessen.
Die Drehzahl einer (E)IDE Festplatte laesst sich recht zuverlaessig mit dem Programm ‚CTATBUS‘ aus der c’t Mailbox bestimmen. Dieses Programm gibt auch viele weitere wertvolle Informationen ueber (E)IDE Festplatten.
3.5 *Cache, Softwarecache, Cachecontroller*
Der auf jeder modernen Festplatte eingebaute Cache dient dazu, Lese- (und zum Teil auch Schreib-) zugriffe zu beschleunigen. Mit verschiedenen Techniken (Read Ahead, Write Back, …) wird versucht,
haeufig benoetigte Daten nicht immer neu von der Festplatte lesen zu muessen bzw. Schreibzugriffe zu puffern. Aus Kostengruenden ist der Cache im Verhaeltnis zur Festplattengroesse meist winzig (s. Tabelle). Trotzdem kann er die Arbeitsgeschwindigkeit deutlich steigern. Einige Hersteller geben statt der wirklichen Cachegroesse den gesamten ‚Arbeitsspeicher‘ der Festplatte an. Im Falle der Quantum Fireball werden von 128 kB ‚Cache‘ ca. 45 kB fuer die BIOS Routinen abgezweigt, so dass effektiv nur 83 kB Cache zur Verfuegung stehen. Hier ein paar Beispiele fuer die (netto) Cachegroessen einiger aktueller Festplatten:
Festplatte Kapazitaet Cachegroesse
——————————————-
Conner CFA 850A 850 MB 256 kB
Conner CFP 2107S 2107 MB 512 kB
Conner CFS 850A 850 MB 64 kB
IBM DFHS 31080 1080 MB 512 kB
NEC 3745 1080 MB 256 kB
NEC 3845 1680 MB 256 kB
Quantum Atlas 2048 MB 512 kB
Quantum Atlas 4096 MB 1024 kB
Quantum Fireball 1080 MB 83 kB
Quantum Fireball 1280 MB 83 kB
Seagate ST15150N 4294 MB 1024 kB
WD AC 31000 1033 MB 128 kB
Zusaetzlich zu diesem kleinen, von der Festplattenelektronik verwalteten Cache ist es Standard geworden, einen Softwarecache hinzuzuschalten. Unter DOS/Windows 3.x ist dies meist Smartdrive. Windows 95, Windows NT, OS/2 verwenden einen betriebssystemeigenen Cache. Als Shareware Cache fuer DOS ist z.B. ‚Hyperdisk‘ beliebt. Ein Softwarecache kann bei richtigem Einsatz noch einmal einen grossen Geschwindigkeitszuwachs bringen. Ich empfehle, auf den meist optionalen Schreibcache zu verzichten, da sonst im Falle eines Absturzes / Stromausfalls etc. Datenverlust droht. Auch ein Schreibcache auf der Festplatte birgt diese Gefahr. Ein reiner Lesecache, so wie ihn Smartdrive standardmaessig installiert, ist jedoch ungefaehrlich. Die richtige Cachegroesse ist abhaengig vom verfuegbaren Arbeitsspeicher (RAM), vom Betriebssystem und natuerlich der Anwendung. Nachfolgend einige Empfehlungen (Faustregeln):
BS RAM Cache
—————————————
DOS 2 MB 128 kB
DOS 4 MB 512 kB
DOS 8 MB 1024 kB
DOS 16 MB und mehr 2048 kB
DOS+Win 3.x 4 MB 256 kB
DOS+Win 3.x 8 MB 512 kB
DOS+Win 3.x 16 MB und mehr 1536 kB
Windows 95 verwaltet seinen Cache selbst. Hier sind nur begrenzte Tuningmoeglichkeiten gegeben. Man kann jedoch unter Einstellungen/ Systemsteuerung/System/Leistungsmerkmale/Dateisystem/Festplatte die ‚Standardnutzung des Computers‘ festlegen. Die dabei moeglichen Einstellungen ‚PC‘, ‚Docking System‘ und ‚Netzwerk-Server‘ beeinflussen die Cachegroesse. Auch der Read Ahead Cache kann in diesem Dialogfeld optimiert werden. Meist sind jedoch die Standardeinstellungen schon optimal.
Fuer Poweruser und fuer Netzwerkserver ist ein Softwarecache nicht ausreichend. Hier werden gern Cachecontroller verwendet, bei denen ein separater Prozessor auf einer Steckkarte (meist PCI) den Cache verwaltet. Der Cache wird auch auf diesem Controller installiert, ist also unabhaengig vom Arbeitsspeicher. Neben der Entlastung des Hauptprozessors von der Cacheverwaltung bieten Cachecontroller meist auch eine bessere Cacheverwaltung. Im Profibereich sind CacheHostadapter fuer den SCSI Bus meist mit RAID Funktionalitaet gekoppelt (siehe 3.2). Die Preise bewegen sich in Regionen von 1000 bis ueber 5000 DM. Fuer (E)IDE gibt es preiswerte Cachecontroller fuer weniger anspruchsvolle Zwecke und in aller Regel ohne RAID schon ab 150 DM. Vor der Anschaffung sollte man sorgfaeltig pruefen, ob der Controller in einem Stand-Alone PC sich wirklich im Vergleich zu Softwarecaches rentiert.
3.6 *MR-Loepfe, PRML*
— z.zt. in Arbeit — Infos willkommen!
3.7 *PIO Modes*
Bedingt durch immer schnellere Festplatten wurden mit der Zeit verschiedene Uebertragungsmodi fuer (E)IDE Festplatten normiert. Die nachfolgende Tabelle gibt eine Uebersicht darueber:
Modus Zykluszeit Transfer Anmerkung
[ns] [MByte/s]
——————————————————————
PIO-Mode
0 600 3.33 Standard IDE
1 383 5.22 selten
2 240 8.33 selten
3 180 11.11 Standard bei EIDE
4 120 16.66 EIDE
5 100 20 angekuendigt
Einzelwort DMA
0 960 2.08 ungebraeuchlich
1 480 4.16 ungebraeuchlich
2 240 8.33 ungebraeuchlich
Mulitwort DMA
0 480 4.16
1 150 13.33
2 120 16.66 aktueller Stand bei EIDE
——————————————————————
Speziell mit den neueren PIO Modes 3 und 4 lassen also enorme
Transferraten zu. Die angegebenen Transferraten sind jedoch nur von
theoretischer Bedeutung, da selbst sehr schnelle EIDE Festplatten
heute nicht auf mehr als ca. 6 MB/s Peak-Performance kommen. Da (E)IDE
ein unterminierter Bus ist (vgl. SCSI 2.3), bergen Zykluszeiten von
150 ns und weniger erhebliche Risiken in sich. Aus diesem Grund ist z.B.
fuer den immer beliebter werdenden PIO Mode 4 die maximal zulaessige
Kabellaenge 30 cm (!) – sonst gilt bei IDE allgemein 18″ (46 cm)
Kabellaenge. Sind die beiden EIDE Kanaele auf dem Controller bzw.
Mainboard nicht entkoppelt – und das ist meist der Fall – , so gilt
diese Laenge sogar fuer beide Kanaele zusammen!
Durch Benchmarks laesst sich leicht feststellen, dass es unerheblich
ist, ob eine moderne Festplatte mit PIO Mode 2, 3 oder 4 betrieben wird.
Die Datentransferrate ist annaehrend gleich. Die PIO Modes >2 sind
dennoch nicht unnuetz: Sie bieten fuer die Werbung ein hervorragendes
Mittel, den Kunden Datentransferraten von 10 MB/s und mehr vorzugaukeln
– Werte, die EIDE Festplatten nie erreichen.
Sind an einem (E)IDE Kanal zwei Geraete angeschlossen, so muessen sie
sich auf den groessten gemeinsamen PIO Mode einigen. Da EIDE CDROMs oft
nur PIO Mode 0 unterstuetzen, kann dies eine erhebliche Bremse fuer
moderne EIDE Festplatten darstellen. Aus diesem Grund sollte man CDROMs
generell am zweiten (meist sowieso langsameren) Kanal anschliessen und
sie nach Moeglichkeit nicht mit einer Festplatte am selben Kanal bereiten.
3.8 *Echte und unechte Megabytes*
Ein Megabyte (MB) wird im Computerbereich allgemein als 2^20 Bytes
aufgefasst. Da dies jedoch nicht offiziell genormt ist, haben sich die
Festplattenhersteller durchweg eine eigene Defitition gebastelt: Sie
rechnen mit 1 MB = 10^6 Bytes. Das ergibt einen Unterschied von:
2^20 Bytes = 1048576 Bytes
-10^6 Bytes = 1000000 Bytes
—————————
48576 Bytes = ca. 47 kB Differenz/MB
Eine ‚1 GB‘ Festplatte (Herstellerangabe) hat also nur 954 ‚echte‘ MB.
Diese fuer den Kunden unguenstige Rechenweise findet sich bei fast allen
Massenspeichern.
Ganz arg wird es, wenn man eine Festplatte aufgrund der Angabe der
unformatierten Kapazitaet gekauft hat. In diesem Fall geht nochmals ein
grosser Happen fuer die DOS Formatierung verloren.
3.9 *ZBR*
ZBR ist seit langem bei Festplatten verbreitet. Diese Technik
ermoeglicht eine unterschiedliche Anzahl von Sektoren pro Festplatten-
spur (SPT). Auf den auesseren (= laengeren) Spuren koennen so mehr Daten
gepeichert werden, als auf den inneren (=kuerzeren) Spuren. Dadurch
koennen Kapazitaet und Geschwindigkeit der Festplatte wesentlich erhoeht
werden. Dieses ZBR geschieht voellig Festplatten-intern, d.h. das PC
BIOS bzw. der Controller bekommt davon nichts mit. Deshalb auch die
Unterscheidung von logischem Mapping (CHS Werte des BIOS/Controllers)
und dem physikalischen Mapping (wirkliche CHS Werte der Festplatte).
Von den aeusseren Spuren einer Festplatte lassen sich durch ZBR
also mehr Daten pro Umdrehung lesen, als von den inneren Spuren. Die
Geschwindigkeit ist ‚aussen‘ hoeher. Bei besonders anspruchsvollen
Anwendungen (z.B. CDROMs brennen) und fuer Partitionen, auf denen
Swapdateien angelegt werden, ist es sinnvoll, diese moeglichst
weit ‚aussen‘ auf der Festplatte – also in der schnellen Medienzone
unterzubringen. Da Festplatten von aussen nach innen beschrieben werden,
muessen die schnellen Partitionen als erste angelegt werden.
3.10 *Kalibrierung*
Durch Temperaturschwankungen waehrend des Betreibs (Warmlaufen,
Umgebungswaerme) koennen sich die ‚Datenscheiben‘ von Festplatten um
einen winzigen Betrag ausdehnen bzw. zusammenziehen. Bedingt durch die
geringen Spurabstaende und Toleranzen, kann dies dazu fuehren, dass der
Schreib-/Lesekopf der Festplatte die gesuchte Datenspur nicht mehr
findet, bzw. an ihrem Rand liest und somit u.U. schlechte Signale
bekommt.
Um dies zu verhindern besitzen Festplatten sei langem die Faehigkeit
der ‚thermischen Rekalibration‘. Dabei wird der Schreib-/Lesekopf an eine
definierte Position gefahren und dort anhand der gelesenen Signale seine
relative Position zur Plattenoberflaeche bestimmt. Anschliessend faehrt
der Kopf wieder an seine urspruengliche Position zurueck und kann seine
Arbeit fortsetzen. Die Verzoegerung durch eine Rekalibration betraegt
ueblicherweise zwischen 0.5 und 2 Sekunden. Speziell beim Warmlaufen
einer kalten Festplatte und bei aelteren Modellen ist das typische
Kalibrierungsgeraeusch oefter zu hoeren.
Normale Anwendungen beeinflusst die Rekalibration nicht negativ. Bei
Applikationen, wo ein kontinuierlicher Datenfluss garantiert sein muss,
kann dies jedoch zu schweren Problemen fuehren. So koennen durch
Rekalibration bei Videoaufzeichnungen Einzelbilder fehlen oder bei CDROM
Brennern kann durch den fehlenden Datennachschub das gerade beschriebene
Medium unbrauchbar werden.
Abhilfe koennen hier nur grosse Caches oder (besser) spezielle AV
(Audio/Video-) Festplatten schaffen, die keine thermische Rekalibration
benoetigen. Das Feature ’no thermal calibration needed‘ findet sich
mittlerweile bei den vielen Hochleistungsfestplatten mit SCSI Bus.
3.11 *Interleave*
Der richtige Interleave-Faktor (auch: Sektorversatz) war frueher ein
wichtiges Thema. Heute wird von keiner Festplatte mehr Interleaving
benoetigt, so dass man nur noch bei wirklich alten Festplatten mit dem
Thema Interleave konfrontiert wird.
Waehrend heute eine Festplatte gar nicht schnell genug sein kann, war es
zu XT-Zeiten an der Tagesordnung, dass der Controller oder der PC
zu langsam waren, um die von der Festplatte gelesenen Daten schnell
genug entgegenzunehmen und zu verarbeiten. Damit es nicht zu einem
‚Datenstau‘ kam, benutzte man das Interleaving.
Bei einem Interleave-Faktor von zwei oder mehr (Faktor eins entspricht
keinem Interleave) werden die Sektoren nicht hintereinander aufgereiht,
sondern um einen oder mehrere Sektoren versetzt. Die Groesse des
Versatzes gibt den Interleave-Faktor an. Ein Interleave-Faktor von zwei
bedeutet, dass erst der zweite Sektor nach dem gerade gelesenen die
naechste Sektornummer aufweist.
Natuerlich ist dieses Verfahren nicht besonders schnell, aber es ist
immer noch besser, als wenn durch eine zu langsame Auswerteelektronik
jedesmal eine komplette Plattendrehung abgewartet werden muss, bis der
nachfolgende Sektor gelesen werden kann.
3.12 *CHS*
Eine Festplatte ist in Zylinder, Koepfe und Sektoren (CHS), sowie
Spuren (Tracks) aufgeteilt. Sektoren sind analog zu Tortenstuecken als
Kreisausschnitte aufzufassen. Spuren sind die von aussen nach innen
angeordneten konzentrische Kreisbahnen, auf denen die Daten gespeichert
sind. Eine Festplatte besteht nicht aus nur einem Schreib-/Lesekopf,
sondern aus mehreren (je einer fuer Plattenober- und unterseite,
multipliziert mit der Anzahl der uebereinander angeordneten Platten).
Alle uebereinander befindlichen Spuren werden als Zylinder bezeichnet.
Die Kapazitaet einer Festplatte laesst sich mit dem Wissen, dass jeder
Sektor logisch (physikalisch schwankt die Groesse durch ZBR, s. 3.9) 512
Byte speichert leicht berechnen:
Zylinder * Koepfe * Sektoren * 512 = Kapazitaet in Bytes
4. Dateisysteme
4.1 FAT
FAT als Dateisystem wurde mit dem Betriebssystem MSDOS eingefuehrt und
ist seit DOS Version 3.30 weitgehend unveraendert geblieben. Es teilt
Festplatten in Partitionen (= logische Laufwerke; werden unter eigenem
Laufwerksbuchstaben angesprochen) und Cluster (MSDOS-Deutsch:
‚Zuordnungseinheit‘) auf. Bei DOS 2.0 wurde mit einer 12 Bit FAT
gearbeitet, d.h. es waren maximal 2^12 = 4096 Cluster moeglich. Bei
einer Clustergroesse von 4 kB macht das eine maximale Partitionsgroesse
von 16 MB. Natuerlich wurde dies nach kurzer Zeit zu klein und Microsoft
fuehrte mit DOS 3.3 die 16 Bit FAT ein. Sie kann maximal 65536 (2^16)
Cluster verwalten.
Da die Zahl der Cluster also begrenzt ist, muss man bei steigender
Partitionsgroesse die Cluster ebenfalls vergroessern. Die folgende
Tabelle gibt eine Uebersicht darueber:
FAT Partitionsgroesse Cluster DOS Version
————————————————
12 Bit 0-15 MB 4 kB 2.0 – 3.30
16 Bit 0-32 MB 512 Byte 3.30 – 4.0
“ 16-127 MB 2 kB 4.0 – 6.22
“ 128-255 MB 4 kB “
“ 256-511 MB 8 kB “
“ 512-1023 MB 16 kB “
“ 1024-2047 MB 32 kB “
MSDOS und alle seine Derivate, die alle auf FAT basieren, koennen pro
Cluster nur eine Datei verwalten. Fuellt diese Datei den Cluster nicht
vollstaendig aus, bleibt der restliche Platz ungenutzt und kann auch
nicht von anderen Dateien belegt werden. Eine Datei, die nur aus einem
einzigen Zeichen besteht verbraucht physikalisch gesehen auch nur 1 Byte
Speicherplatz auf der Festplatte. Aufgrund des DOS Dateisystems belegt
sie aber z.B. bei einer 400 MB grossen Partition effektiv 8 kB. Die
eigentlich freien 8191 Bytes gehen fuer die Speicherung von Daten
verloren.
Dieses Verfahren fuehrt zu dem Effekt, dass 300 MB, die von einer 400
MB grossen Partition auf eine 1 GB grosse Partition umkopiert werden,
ploetzlich nicht mehr 300, sondern z.B. 380 MB beanspruchen. Durch die
gestiegene Clustergroesse hat auch der Verschnitt zugenommen. Dies macht
sich naturgemaess besonders bei vielen kleinen Dateien bemerkbar (bestes
Beispiel: Iconsammlung). Die aktuelle Clustergroesse kann man mit dem
DOS Befehl CHKDSK anzeigen.
Die schon oben erwaehnten Partitionen koennen eine Festplatte in
logische Laufwerke aufteilen. Auch bei den heutigen Festplattengroessen
um 1 GB (= 1024 MB) wird aus Bequemlichkeit oder Unwissenheit oft der
gesamte Speicherplatz einer Partition zugewiesen. Diese Partition
(‚Primaere Partition‘) wird dann von DOS i.d.R. als Laufwerk ‚C‘
angesprochen. Bis DOS 3.30 war es nicht moeglich mehrere Partitionen
anzulegen. Man konnte maximal mit einer bis zu einer 32 MB ‚grossen‘
Partition arbeiten. DOS 3.30 fuehrte dann die beschriebene
Partitionierungstechnik ein. Die maximale Partitionsgroesse blieb jedoch
bis DOS 4.0 bei 32 MB. Erst dann wurde die Partitionsgroesse auf maximal
2 GB (= 2048 MB) angehoben. Diese Grenze besteht auch heute noch.
Ist man zu dem Schluss gekommen, dass man seine Partitionsgroesse
herabsetzen und damit den Verschnitt verringern will, ist es leider
notwendig, die gesamte betroffene Festplatte neu zu formatieren.
Softwareloesungen wie die Shareware ‚FIPS‘ erlauben zwar ein
nachtraegliches Aendern der Partitionsgroesse ohne Datenverlust
(zumindest dann, wenn kein Absturz dazwischen kommt), belassen aber die
Clustergroesse gleich. Man gewinnt dementsprechend auch keinen
Speicherplatz. Man kommt also um ein Backup und ein anschliessendes
Neupartitionieren via FDISK nicht herum. Dabei gehen wie gesagt alle
Daten verloren.
4.2 VFAT
VFAT ist eine Erweiterung von FAT, die in Windows fuer Workgroups 3.11
und in Windows 95 zu finden ist. Neben dem ’32 Bit Dateizugriff‘, der
eine kleine Beschleunigung bei Datentraegerzugriffen bringt,
unterstuetzt VFAT lange Dateinamen mit bis zu 255 Zeichen (FAT: 8
Zeichen + 3 Extension). Die langen Dateinamen lassen sich jedoch nur mit
Windows 95 einsetzen.
4.3 HPFS
HPFS ist das Dateisystem, das OS/2 standardmaessig verwendet. OS/2 kann
jedoch auch mit FAT arbeiten.
— z.Zt. in Arbeit — Infos willkommen!
4.4 NTFS
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5. Produkte
5.1 *Diskettenersatz ?*
In Zeiten, wo zur Installation einer Standardsoftware ein ganzer Turm
von 3.5″ HD Disketten benoetigt wird, sind Alternativen zur
herkoemmlichen Diskettentechnik gefragt. Vor ein paar Jahren gab es mit
dem 3.5″ ED Format (2.88 MB) von IBM den Versuch, das Kapazitaetsproblem
wenigstens zum Teil zu entschaerfen. Das ED Format hat sich aufgrund der
hohen Preise fuer Laufwerke und Disketten nie durchgesetzt. Lediglich
einige Controller sind fuer 2.88 MB Disketten vorbereitet.
Nach ebenfalls wenig erfolgreichen Versuchen mehrerer Hersteller, im
Bereich um 20 MB Massenspeicher im Markt zu etablieren, stellte IoMega
auf der CeBIT 1995 das ‚ZIP Drive‘ vor. Es speichert zu einem relativ
guenstigen Preis (Laufwerk: ca. 350 DM, Diskette: ca. 30 DM) 100 MB pro
ZIP Diskette. ‚Normale‘ 3.5″ Disketten kann es nicht lesen. Das ZIP
Drive wird unter DOS (oder Windows 3.x, Win 95, Win NT, OS/2, Mac) mit
einem Treiber installiert. In der Version zum Anschluss an den
Parallelport (Druckeranschluss) werden je nach Schnittstelle (SPP, EPP,
ECP) Transferraten von 50 kB/s bis 300 kB/s erreicht. Die ebenfalls
erhaeltliche externe SCSI Version erreicht hoehere Transferraten von ca.
500 kB/s (neuerdings ist auch eine interne SCSI Variante erhaeltlich).
Das ZIP Drive ist problemlos im Einsatz und mittlerweile schon
erstaunlich weit verbreitet. Nachteil: relativ geringe
Uebertragungsrate, nur externe Versionen erhaeltlich, anhaltende
Lieferprobleme bei Laufwerken und vor allem bei den Medien. Welche
Technik das ZIP genau verwendet, um die Daten zu speichern, verraet
IoMega nicht.
Der Nachfolger des ZIP Drive ist das JAZ Drive vom selben Hersteller.
Es speichert 512 oder 1070 MB pro JAZ Platte (‚Diskette‘ waere der
falsche Ausdruck, JAZ Drive ist vergleichbar mit einem
Wechselplattenlaufwerk). Im Vergleich zum ZIP Drive bietet es also
wesentlich mehr Platz und vor allem eine verbesserte Geschwindigkeit.
Als Schnittstellen sind EIDE und SCSI vorgesehen. Beim JAZ Drive soll es
auch interne Versionen geben.
Als direkte Konkurrenz zum ZIP Drive ist das EZ 3135 von Syquest (‚Ez
Drive‘), dem bekannten Wechselfestplatten-Hersteller, positioniert. Es
ist etwa gleich teuer, speichert aber 135 MB pro Cartridge und ist
deutlich schneller als das ZIP Drive. Seine Verbreitung ist allerdings
noch nicht so gross wie die des ZIP Drives. JAZ verwendet eine zu
herkoemmlichen Festplatten aehnliche Aufzeichnungstechnik. Nachfolgende
Tabelle gibt eine kurze Uebersicht ueber die Leistungsdaten der drei
Laufwerke:
Laufwerk Schnittstelle Groesse Zugriffsz. Geschw. Cache
——————————————————————
ZIP Drive Parallelport 100 MB 29 ms bis 400 kB/s 32 kB
ZIP Drive SCSI 2 100 MB 29 ms bis 800 kB/s 32 kB
EZ 3135 EIDE 135 MB 18 ms bis 1 MB/s ?
JAZ Drive EIDE 1 GB 17.5 ms 256 kB
JAZ Drive SCSI 2 1 GB 17.5 ms 256 kB
5.2 *Streamer*
Vorbemerkung: Alle Kapazitaetsangaben sind unkomprimierte Werte. Die
vom Hersteller angegebenen theoretisch mit einer Kompression
erreichbaren Werte stehen in Klammern.
Die im PC Bereich haefig Verwendung findenden Streamer lassen sich in
zwei grosse Klassen einteilen:
– Floppystreamer: Sie sind zur Datensicherung im privaten und
semiprofessionellen Bereich gedacht. Ihre Kapazitaeten reichen aktuell
von 120 MB (250 MB) bis zu 1.6 GB (3.2 GB). Ihre Geschwindigkeit ist
recht bescheiden, aber fuer den gelegentlichen Einsatz meist
ausreichend: Je nach Controller erreichen sie 500 kBit/s (Standard
1.44 MB Diskettencontroller) bzw. 1 MBit/s (2.88 MB Controller). Mit
speziellen Beschleunigerkarten sind sogar 2 MBit/s zu erreichen.
Waehrend 500 kBit/s relativ sicher zu erreichen sind, bereiten die
schnelleren Transferraten oft DMA-Probleme. Ein weiterer Nachteil der
relativ preiswerten Floppystreamer ist die meist fehlende
Unterstuetzung von ‚Read-after-Write‘. So kann nicht in einem
Durchgang – also gleich nach dem Schreiben – geprueft werden, ob die
Daten richtig aufs Band gekommen sind und ein Compare- (Vergleichs-)
lauf ist zur Sicherheit noetig. Weitere Nachteile: Inkompatibilitaeten
sind bei Floppystreamern recht haufig und die Streamercartridges sind
oft unverschaemt teuer (z.B. 400 MB Travan TR-1 ca. 50 DM).
– EIDE Streamer: Bisher kaum verbreitet, keine Marktbedeutung.
– DAT Streamer: DAT Streamer lassen sich eindeutig dem Profibereich
zuordnen. Wer sie einsetzt ist entweder Poweruser oder
Netzwerkadministrator. Sie glaenzen mit hohen Geschwindigkeiten
(komprimiert bis zu 1 MByte/s bei DDS2) und schnellem SCSI Interface.
Die verwendeten DAT Cassetten sind 2 bzw. 4 GB gross und kosten nur
wenig: 2 GB (90 Meter) sind fuer ca. 15 DM, 4 GB fuer unter 30 DM zu
haben. Momentan gibt es jedoch extreme Lieferengpaesse bei 4 GB
Baendern. DAT Streamer koennen (fast?) alle Read-after-Write und sind
angenehm leise im Gegensatz zu den meisten Floppystreamern. Am
beliebtesten sind die Geraete von HP (z.B.: HP C1536A: 2 GB; C1533A: 4
GB; C1537A: 12 GB).
Ausser den genannten Streamertechniken gibt es noch die wenig
verbreiteten Videostreamer, 8mm Schraegspur-Streamer (z.B. Exabyte)
sowie DC Streamer (z.B. Tandberg, 13 GB). Nachfolgend eine kleine Liste
der verbreitetsten Standards:
Standard Kapazitaet Laenge
——————————————–
QIC2120 120 MB 93.7 Meter
QIC2120XL 170 MB 129.5 Meter
QIC Wide 200, 420 MB
QIC 3020 680 MB
QIC 3110 2 GB
DAT DDS1 1.3 GB 60 Meter
DAT DDS1 2 GB 90 Meter
DAT DDS2 4 GB 120 Meter
DAT DDS3 12 GB — noch nicht am Markt —
Travan TR1 400 MB 228 Meter
Travan TR2 800 MB
Travan TR3 1600 MB
5.3 *CDROM Laufwerke*
— z.Zt. in Arbeit —
5.4 *SCSI Hostadapter*
Marktfuehrer im Bereich von cachelosen SCSI Hostadaptern ist Adaptec.
Die Firma bietet eine breite Palette von SCSI Hostadaptern fuer alle
gaengigen Bussysteme und Anforderungen. Der Support ist gut. Adaptec
Hostadapter werden nur in der ‚Kit-Version‘ (also z.B. AHA 2940 KIT) mit
Treibern geliefert. Wer eine Version ohne Kit oder eine OEM Version
erwischt hat, muss die Treiber ggf. teuer nachkaufen. Im Vergleich mit
der Konkurrenz aus dem Hause Symbios (vormals NCR) und anderen ist
Adaptec recht teuer.
Die mittlerweile sehr beliebten Symbios Hostadapter sind von der
Leistung her einem vergleichbaren Adaptec mindestens ebenbuertig, kosten
aber erheblich weniger. Es gibt sie mit oder ohne BIOS. Die Modelle ohne
BIOS benoetigen ein Mainboard mit SDMS Support, damit von ihnen gebootet
werden kann. Die meisten Pentium Mainboards bieten mittlerweile diesen
SDMS Support. Ist er nicht vorhanden, laesst er sich u.U. per BIOS
Update hinzufuegen. SCSI Hostadapter mit BIOS koennen auch ohne
Boardunterstuetzung booten, sind aber auch ein paar Mark teurer. Einen
Geschwindigkeitsvorteil bietet das BIOS nicht.
Beim Kauf eines SCSI Hostadapters ist unter anderem anzuraten, sich
nach Moeglichkeit fuer ein busmasterfaehiges Modell zu entscheiden
(siehe 2.6), sonst gehen viele SCSI-Vorteile verloren. Z.B. ist der
Adaptec 2920 nicht busmasterfaehig, der teurere 2940 hingegen schon.
6. Glossar
6.1 *Abkuerzungen*
AT-Bus ugs. fuer IDE Bus
ATA AT Attachment
ATAPI AT Attachment Packet Interface
BS Betriebssystem
CDROM Compact Disk Read Only Momory
CHS Cylinder-Head-Sector
CS Cable Select
DC Data Cartridge
DD Double Density (3.5″: 720 kB; 5.25″: 320 kB)
DDS Digital Data Storage
DMA Direct Memory Access
ED Extra Density (3.5″: 2.88 MB)
EIDE Enhanced IDE
EPA Environmental Protection Agency (amerik. Umweltbehoerde)
Fast-ATA Seagate Standard (Fast-ATA ist eine Untermenge von EIDE)
FAT File Allocation Table (DOS Dateisystem, Dateizuordnungstabelle)
FDD FloppyDisk Drive (Diskettenlaufwerk)
FH Full height (__“)
HD High Density (3.5″: 1.44 MB; 5.25″: 1.2 MB)
HDD HardDisk Drive (Festplatte)
HH Half height (1″)
HPFS High Performance File System (Dateisystem von OS/2)
I/O Input/Output
ID Identification(-Number)
IDE Integreated/Intelligent Drive Electronics
LBA Logical Block Addressing
LL Low Level (Format)
LUN Logical Unit Number (SCSI ‚Sub-ID‘)
MA Master
MFM Modified Frequency Modulation (alter Festplattenstandard)
MR Magneto-resistiv (spez. Technik fuer HDD Lesekoepfe)
ms Milisekunde (10^-3 s)
MTBF Mean Time Between Failure (Mittlere Zeit bis zum Defekt)
ns Nanosekunde (10^-9 s)
NTFS New Technology File System (Dateisystem von Windows NT)
PCI Peripheral Component Interconnect (schnelles Bussystem)
PIO Programmed I/O (z.B. (E)IDE Transfer laeuft ueber PIO)
PRML Partital Response Maximum Likelihood (HDD Lesetechnik)
QIC Quarter Inch Cartridge (Streamercassetten Standard)
RAID Redundant Array of Inexpensive Disks
RLL Run Length Limited (alter Festplattenstandard)
rpm rotations per minute (Umdrehungen pro Minute)
SASI Shugart Associates System Interface
SCAM SCSI Configures Automatically (‚Plug and Play SCSI‘)
SCSI Small Computer Systems Interface
SDMS SCSI Device Management System
SL Slave
SPT Sectors per track (Sektoren pro Spur)
VFAT Virtual FAT (FAT Erweiterung, in WfW 3.11 und Win 95)
XCHS Extended Cylinder-Head-Sector
ZBR Zone Bit Recording
Zoll 1 Zoll = 2.54 cm
6.2 *Bezugsquellen*
c’t Mailbox: analog unter 0511/5352-301
ISDN unter 0511/5352-351
Mailboxen von Festplatten-/SCSI Hostadapter-Herstellern:
Adaptec GmbH 089/456440618
Conner Peripherals 089/9613734
El Datentechnik (fuer WD) 0711/5207385
IBM 07034/63250
ICP Vortex 07131/597215
IOmega GmbH 0761/4504444
Maxtor Europe GmbH 089/963131
Micropolis GmbH 089/8595096
NEC Deutschland GmbH 089/31601218
Quantum 069/95076745
Seagate Technology 089/1409331
Western Digital 089/92200660
ENDE DER FAQ
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