Festplattengeometrie du Low-Level Datenstrukturen

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Referat vom 03.11.1999
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Referat vom 03.11.1999
Gehalten von:
• Boris Urban
• Stefan Hügele
• Oliver Kauba
• Roland Englmann
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INHALT
1
AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE......................................................................................................... 4
1.1
MECHANISCHER AUFBAU ........................................................................................................................ 4
1.1.1
Speichermedien ............................................................................................................................... 4
1.1.2
Das Material ................................................................................................................................... 4
1.1.3
Magnetische Beschichtung .............................................................................................................. 4
1.2
LESE/SCHREIB KÖPFE .............................................................................................................................. 5
1.2.1
MR Magnetoresistive Heads ........................................................................................................... 5
1.2.2
Gleithöhe ......................................................................................................................................... 6
1.2.3
Head Crash und Vermeidung .......................................................................................................... 6
1.2.4
Kopflandezone (Head Parking and Lading Zone)........................................................................... 7
1.3
KOPFAUSRICHTUNG ................................................................................................................................. 8
1.3.1
Der Antriebsmotor .......................................................................................................................... 8
2
FESTPLATTENGEOMETRIE UND LOW-LEVEL DATENSTRUKTUREN ................................... 10
2.1
WAS IST FESTPLATTENGEOMETRIE? ...................................................................................................... 10
2.2
SPUREN (TRACKS) ZYLINDER (CYLINDERS), SEKTOREN (SECTORS) ..................................................... 10
2.2.1
Spuren und Sektoren...................................................................................................................... 10
2.2.2
Unterschied Spur - Zylinder .......................................................................................................... 10
2.2.3
Zoned Bit Recording (Multiple Zone Recording) .......................................................................... 11
2.2.4
Sektorversatz (Interleaving) .......................................................................................................... 12
2.2.5
Cylinder und Head Skew ............................................................................................................... 12
2.2.5.1 Cylinder Skew........................................................................................................................... 12
2.2.5.2 Head Skew ................................................................................................................................ 13
2.3
FORMATIERUNGEN ................................................................................................................................. 13
2.3.1
Unterschied: High-Level und Low-Level-Formatierung............................................................... 13
2.3.2
Low-Level-Formatierung .............................................................................................................. 13
2.4
FEHLERERKENNUNGS-/KORREKTURVERFAHREN .................................................................................... 13
2.4.1
Allgemeines ................................................................................................................................... 13
2.4.2
ECC (= Error Correcting Code)................................................................................................... 14
2.4.3
Defect Mapping............................................................................................................................. 14
2.4.4
Spare Sectoring ............................................................................................................................. 14
2.5
PHYSIKALISCHE UND LOGISCHE GEOMETRIE ......................................................................................... 15
2.5.1
Physikalische Geometrie ............................................................................................................... 15
2.5.2
Logische Geometrie....................................................................................................................... 15
3
SCHNITTSTELLEN .................................................................................................................................. 16
3.1
ANMERKUNG ......................................................................................................................................... 16
3.2
SCHNITTSTELLEN ................................................................................................................................... 16
3.2.1
IDE /EIDE/Ultra DMA.................................................................................................................. 16
3.2.2
SCSI............................................................................................................................................... 16
3.2.2.1 Synchrone Datenübertragung .................................................................................................... 17
3.2.2.2 Terminierung............................................................................................................................. 17
3.2.2.3 ID / LUN ................................................................................................................................... 18
3.2.2.4 Differential SCSI / LVD ........................................................................................................... 18
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4
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DATEISYSTEME....................................................................................................................................... 20
4.1
BEGRIFFSERKLÄRUNGEN ....................................................................................................................... 20
4.2
ÜBERBLICK ÜBER DIE DATEISYSTEME ................................................................................................... 20
4.2.1
FAT 12 / FAT 16 ........................................................................................................................... 20
4.2.2
FAT 32........................................................................................................................................... 20
4.2.3
NT-Filesystem (NTFS)................................................................................................................... 21
4.3
PARTITIONEN ......................................................................................................................................... 21
4.3.1
Primäre Partitionen ...................................................................................................................... 22
4.3.2
Erweiterte Partitionen................................................................................................................... 22
4.4
DER MASTER BOOT RECORD ................................................................................................................. 22
4.5
DIE DATEIORGANISATION AUF DER PLATTE .......................................................................................... 22
4.5.1
Von „Pfaden“ und „Verzeichnis-Bäumen“ .................................................................................. 22
4.5.2
Cluster........................................................................................................................................... 23
4.5.3
„File chaining“ oder „Wie kommt die Datei von der Platte in den Hauptspeicher?“ ................. 23
4.5.4
Löschen und Wiederherstellen von Dateien .................................................................................. 23
4.5.5
Fragmentierung & Defragmentierung .......................................................................................... 24
4.5.6
Fehler in der FAT.......................................................................................................................... 25
4.6
PARTITIONEN EFFIZIENT NUTZEN ........................................................................................................... 25
5
QUELLEN ................................................................................................................................................... 27
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1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE
1.1 Mechanischer Aufbau
1.1.1 Speichermedien
Auf ihnen werden die Daten gespeichert. In modernen High-End Platten sind zwischen 2-6 dieser
Speichermedien untergebracht. Für jeder Platte zwei Köpfe unten und Oben. D.h. 4 Platten = 8 Köpfe.
1.1.2 Das Material
Voraussetzungen für die Auswahl des Trägermaterial sind:
• Verarbeitbarkeit
• Stabilität
• Gewicht
• Preis
• Verfügbarkeit
Heutige Festplattenspeichermedien bestehen häufig aus einer Aluminiumlegierung, welche diese
Vorraussetzungen erfüllt. Wegen der hohen Drehgeschwindigkeit 10.000 U/min der Platten (0,075m *
3,14 * 10.000 U/min * 60min = 141,4 Km/h) und der geringen Flughöhe der Lese/Schreibköpfe
müssen höchste Anforderungen an das Trägermaterial gestellt werden. Das Material muß extrem plan
sein.
Da die Technologie immer weiter fortschreitet und die Kopfflughöhe immer weiter abnimmt müssen
neue noch genauere Kriterien die Auswahl des Materials bestimmen. Bestimmte
Magnesiumlegierungen und Glasträger sind im Augenblick in der Entwicklung die diese Kriterien
erfüllen.
1.1.3 Magnetische Beschichtung
Die magnetische Beschichtung auf dem Plattenmaterial ist nur wenige
m dick. Diese magnetische
Beschichtung ist aus speziellen Herstellerspeziefischen Legierungen . Die eine möglich dichte
magnetische Datenpackung speichern kann.
Das Auftragen der Magnetischen Beschichtung auf das Plattenmaterial kann auf 2 verschiedene Art
und Weisen geschehen:
• Galvanisieren (wie bei der Schmuckindustrie)
• Plasmabeschichtung (extrem flach /extrem teuer)
Es erfolgt nach dem Auftragen der Magnetischen Schicht noch eine zusätzliche Beschichtung mit
einer speziellen Schutzschicht die im weiten Sinne mit einem Ölfilm aber hauchdünn auf 3-Atomarer
Ebene existiert. Sie soll die magnetische Schicht vor Berührung mit dem Lese/Schreibkopf schützen.
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1.2 Lese/Schreib Köpfe
Die Köpfe der Festplatte sind das Interface zwischen dem Magneteischen
Datenspeicher und dem Rest der Festplatte.
Lese/Schreibköpfe bestimmen zum Großen Teil die Leistung einer
Festplatte. Sie erzeugen einen Magnetischen Impuls um Daten zu speichern
und ebenso wird ein magnetischer Impuls auf dem Speichermedium wieder
in Daten umgesetzt.
Sie sind einer der teuersten Teile einer Festplatte sie bestimmen
Lese/Schreibqualität und Geschwindigkeit.
1.2.1 MR Magnetoresistive Heads
MR Technologie brachte einen großen Leistungsschub. MR Technologie beruht nicht mehr darauf, das
beim Überfliegen eines Magnetfeldes (Bits) durch eine Spule ein Strom erzeugt wird, sondern das Bit
, welches als Magnetfeld auf dem Datenspeicher vorliegt erzeugt im Lesekopf einen Widerstand der
über einen Sensor aufgezeichnet wird.
Die MR Technologie erlaubt nun eine enorm höhere Speicherdichte der einzelnen Bits auf dem
Datenträgermaterial. Dadurch das der MR Kopf keine Spannungen mehr erzeugt. Ist dieser um ein
vielfaches sensibler auf magnetische Feldveränderungen. Dies erlaubt nun das die Signale nicht mehr
mit der alten Stärke abgespeichert werden müssen. Die Magnetfelder selber beeinflussen sich nicht
mehr selbst gegenseitig und so können sie etwas näher aneinander gelegt werden.
MR Technologie kann nur zum Lesen benutzt werden. Zum schreiben wird immer noch die alte
Technologie benutzt. Das bedeutet es existieren nun in einem sozusagen 2 Köpfe. Ein Lese(MR) und
ein Schreibkopf.
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Dies bringt folgende Vorteile gegenüber der alten Technologie: kombinierte Schreib und Leseköpfe
waren immer durch das Lesen oder Schreiben geprägt. Zum Beispiel wenn man die Anzahl der
Windungen reduziert erhöht man die Lesesensibilität, aber macht es sehr Schwierig bei hohen
Geschwindigkeiten zu schreiben und genau anderes herum. Bei getrennten Köpfen wie bei den MR
Köpfen kann nun beides optimiert werden ohne gegenseitige Beeinflussung.
1.2.2 Gleithöhe
Das größte Merkmal das Festplatten zu Floppys, Videorecordern unterscheidet ist, das die Köpfe
keinen Kontakt zum Datenträger haben. Sie gleiten über die Oberfläche der Disc. Die Höhe zwischen
Datenträger und Kopf wird als „Head Gap“ oder „Floating Height“ bezeichnet.
Die Köpfe besitzen eine gewisse Vorspannung, das bedeutet sie werden leicht an die Platte gedrückt
wenn diese sich nicht dreht. Diese Vorspannung bewirkt, das der Kopf eine gewisse Stabilität beim
Aktiven Zustand erhält.
Durch den Kraftvektor, der in Richtung der Platte drückt, sind größere Querkräfte nötig um den Kopf
eine stabile Gleitlage zu ermöglichen, ebenso wie eine exakte Gleithöhe.
Wenn
die
Platte
auf
Arbeitsgeschwindigkeit anläuft,
gelangt
der
hochschnelle
Luftstrom unter die Köpfe und
hebt diese an. Sie gleiten wie
Luftkissenboote. Die Gleithöhe
hängt von der Konstruktion der
Platte ab und ist nie dieselbe. Für
eine
höhere
Speicherdichte
müssen
die
Magnetischen
Feldstärken(Bits) heruntergesetzt werden. Dies zieht die Verringerung der Gleithöhe mit sich.
Moderne Festplatten haben eine Gleithöhe von ca. 50 µm und diese Höhe wird jährlich verkleinert.
Dies erfordert ein sehr hohen Anspruch an das Trägermaterial. Es darf kein Dreck oder Schmutz oder
gar Fingerabdrücke auf dem Träger sein.
Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ca. 0,07 mm, ein Staubpartikel ca. 0,038mm
[1 inch = 25,39mm].
Vibrationen und Stöße müssen bei solchen Höhen mit hohem technischen Aufwand vermieden bzw.
kompensiert werden, da es sonst zu einem Head Crash käme.
1.2.3 Head Crash und Vermeidung
Zwei der am wenigsten geliebtesten Wörter im IT Bereich dürften wohl HEAD CRASH sein. Eine
Möglichkeit soviel wichtige Daten wie möglich innerhalb kürzester Zeit zu verlieren. Wenn keine
Datensicherung betrieben wurde, war’s das.
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Sehr hohe Belastung auf die Festplatte treten bei der Montage oder bei Unfällen wie Umkippen oder
Anstoßen auf. Bei der Montage wurden 100 bis sogar 1000 G Belastung festgestellt (ins Gehäuse
gefallen). Die größte Gefahr besteht darin das diese Belastung im Aktiven Zustand geschieht. Hier
befindet sich der Lesekopf direkt über den Daten, zwar auf einem Luftpolster, aber sollte sich eine
Schockamplitude dem Kopf nähern, wird dieser angehoben und durch die Vorspannung unterstützt
durch das Luftpolster hindurch auf den Datenträger geschleudert. 8).
Es wurden von allen Herstellern Wege gesucht diesen doch sehr kritischen Punkt des Datenverlustes
auszuschalten. Es wurde als erstes die innere Struktur so konstruiert, das der Arm nicht solch
dramatische Schwingungen ausführt. Dies kann durch spezielle konstruktive Mittel bzw. Strukturen
erreicht werden.
• Verringerung des Kopfgewichtes
• Verringerung des Armgewichtes
• Versteifung der Armstruktur
• Kugellagerung der Datenträger und des Motors
Die Lagerung zwischen Motor und Datenträger ist mit
den
Größtmöglichen
Lagerelementen
(Kugeln)
konstruiert. Sie haben die größte Fläche zur Aufnahme
des Stoßes und bringen diese Kraft auf den (blau)
Kugellauf,
der
aus
shockabsorbierenden
und
abriebfesten Material besteht.
Als zweites wurden Wege gesucht übrigbleibende Spitzenschwingungen so zu eliminieren, daß das
Luftpolster ausreicht um die Wucht zu Dämpfen.
Hier wurde zum Beispiel das grüne Material an die Armbefestigung hinzugefügt. Dieses Material
besteht aus stark Shock-absorbierenden Kunststoff. Dieses Material ist in der Lage Spitzenspannungen
zu absorbieren.
1.2.4 Kopflandezone (Head Parking and Lading Zone)
Wenn sich die Datenträger nicht drehen liegt der Kopf auf der Oberfläche des Datenträgers. Beginnt er
sich zu drehen schleift der Kopf solange auf der Oberfläche, bis der Luftstrom schnell genug ist um
den Kopf abzuheben.
Wenn der Strom abgeschaltet wird, wird ein Notmechanismus ausgelöst, der den Kopf wieder zu der
Landezone „zieht“. Dort fällt er dann, sobald der Luftstrom abreist, auf die Landezone wo er bis zum
kompletten Stop des Datenträgers auf ihm herumschleift. Diese Landezone ist von Harddisk zu
Harddisk unterschiedlich. Sie ist meistens mit einer besonders abriebfesten Legierung überzogen, so
das keinerlei Abrieb entstehen kann. Der eine Kollision mit dem Lesekopf verursachen könnte.
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1.3 Kopfausrichtung
Früher wurden Schrittmotoren zur Steuerung des Kopfes benutzt, dies hatte aber schwere Nachteile
sobald die Festplatte Betriebstemperatur oder sogar mehr erreichte.
Die Materialausdehnung war zwar nur gering aber genug um die Datenpakete nicht mehr in die
Datenspur zu schreiben, sondern außerhalb. Wenn jetzt die Platte sich abkühlt, zieht sich das Material
wieder zusammen und schiebt den Kopf wieder an seine Anfangsposition.
Nachdem eine Platte „älteren Kalibers“ in einem Server ca. 4 Wochen aktiv war und danach 1Tag
stand, konnten die Daten vom Vortag nicht mehr direkt gelesen werden, die Platte mußt sozusagen erst
wieder Betriebstemperatur erreichen.
Funktionsweise des Actuators (Kopf-Antriebseinheit)
Um die Probleme mit der Wärme, den vorgegebenen Schritten (Steps) eines Schrittmotors und der
sich daraus resultierenden Datenpaketverschiebung in den Griff zu bekommen. Löste man sich ganz
von Mechanischen Teilen und ging auf ein Spulenprinzip das sich die Elektromagnetische
Anziehungs- und Abstoßungskräfte zunutze macht. Mit dem elektrischen Strömen wird das magn.
Feld erzeugt mit dem sich Köpfe um ein vielfaches präziser bewegen lassen als mit einem
Schrittmotor. Ein sogenanntes „Servo Controll System“ liest die „Servo Codes“ die auf dem
Datenträger stehen und zur Orientierung des Kopfes dienen aus und korrigiert so ständig die Arm Position. Diese „Servo Codes“ sind auf Teilen des Datenträgers gespeichert auf die dieser keinen
Einfluß hat (außer mit Low-Level-Format: richtet diese Codes neu aus).
Es gibt zwei formen der Anordnung der Servo Codes:
1. Alle Codes auf einer Seite einer Platte (schneller)
2. Alle Codes über die gesamten Platten verteilt (mehr Speicher)
So hat die elektromagnetische Form der Kopfausrichtung folgende Vorteile:
• Keine störende Hitzeausdehnung
• Schneller als ein Schrittmotor
Genauer als ein Schrittmotor (Dichtere Datenpakte möglich)
1.3.1 Der Antriebsmotor
Um Festplatten die groß sind auch schnell zu machen ist ein entscheidender Faktor die
Umdrehungszahl der Datenträger. In älteren Varianten der Harddisk waren 3600 U/min gängig. Im
laufe der Entwicklung mußten die Daten aber immer schneller von den Platten geladen werden. Der
einzige Weg war die Erhöhung der Drehzahl. auf 5200 dann auf 5400 weiter auf 7200 und High End
Platten besitzen eine Drehzahl von 10 000 U/min. Diese Motoren, die die Drehzahlen konstant halten
erzeugen eine gewaltige Hitze. Diese High End Platten bedürfen einer separaten Kühlung.
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Laden von Powerpoint und 1 MB großen
Datei
37
36
35
34
Sec. 33
32
31
30
29
333 MHz;
5400 U/min
400 MHz;
5400 U/min
333 MHz;
7200 U/min
Einen gewaltigen Leitungszuwachs erhält ein System durch Festplatten mit Umdrehungszahlen
jenseits der 5400 U/min. Wie die obere Grafik eindrucksvoll zeigt ist ein Leistungsschub ohne CPUTausch durchaus mit der Festplatte möglich. Durch den steigenden Speicherplatzbedarf der
Betriebssysteme ist ein schnellerer Datendurchsatz schon beim Booten notwendig. Diese Bootsequenz
z.B. Win98 um die Hälfte zu verringern kann schon ein Austausch der Festplatte Abhilfe schaffen.
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2 FESTPLATTENGEOMETRIE UND LOW-LEVEL
DATENSTRUKTUREN
2.1 Was ist Festplattengeometrie?
Die Festplattengeometrie beschreibt, wie die Festplatte die Daten strukturiert und verwaltet. Da
moderne Festplatten immer mehr Daten speichern können, müssen gleichzeitig auch spezielle
Methoden entwickelt werden, um die Festplatte bestmöglichst zu unterteilen und dadurch eine
optimale Nutzung, d.h. höhere Kapazität und Leistung, zu ermöglichen.
2.2 Spuren (Tracks) Zylinder (Cylinders), Sektoren
(Sectors)
2.2.1 Spuren und Sektoren
Grundsätzlich ist eine Festplatte in sogenannte „Spuren“ (Tracks) und „Sektoren“ (Sectors) aufgeteilt.
Spuren sind konzentrische Kreise auf der Datenträgeroberfläche
Spur
(ähnlich der „Jahresringe“ bei einem Baumstamm), in denen die
Daten gespeichert werden. Die Scheiben moderner Festplatten
Sektor
sind mittlerweile in mehrere 1000 Spuren unterteilt, die von außen
nach innen fortlaufend numeriert werden.
Jede Spur wiederum ist in mehrere Sektoren aufgeteilt, die die
kleinste Speichereinheit einer Festplatte darstellen (512 Byte).
2.2.2 Unterschied Spur - Zylinder
Im Zusammenhang von Festplatten wird anstatt von Spuren häufig auch von
sogenannten „Zylindern“ gesprochen. Doch was ist eigentlich der
Unterschied zwischen einem Zylinder und einer Spur?
Da sich alle Lese-/Schreibköpfe synchron bewegen, sind sie physikalisch
immer über bzw. unter der gleichen Spurnummer angeordnet (es ist nicht
möglich, daß ein Kopf bei Spur 0 und ein anderer bei Spur 1000 ist). Da
mehrere gleichgroße, übereinander angeordnete Kreise wie ein Zylinder
wirken, werden alle übereinanderliegenden Spuren auch als „Zylinder“
bezeichnet. Im Normalfall macht es aber keinen Unterschied, ob man von
Spur oder Zylinder spricht.
Zylinder 0
Zylinder 1
Das Ansprechen eines Sektors auf der Festplatte geschieht durch das CHSSystem (= cylinder - head - sector), d.h. durch das Beziehen auf eine
Zylinder-, Kopf- und Sektornummer. Das funktioniert, da durch die Kombination von Zylinder- und
Kopfnummer auch die entsprechende Platte und Spur eindeutig bestimmt sind.
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2.2.3 Zoned Bit Recording (Multiple Zone Recording)
Zoned Bit Recording
Zone 2
Zone 0
Früher hatte jede Spur die gleiche Zahl von Sektoren (17), was
aber eigentlich eine Platzverschwendung bedeutete, da die
äußeren (wesentlich größeren) Spuren ineffektiv genutzt wurden.
Um dem entgegenzusteuern, wurde das sogenannte „Zoned Bit
Recording“ entwickelt.
Durch diese Methode können auf den äußeren Spuren mehr
Sektoren untergebracht werden als auf den inneren. Um dies zu
erreichen, gruppiert man eine bestimmte Zahl von Spuren zu einer
„Zone“. Die Spuren einer Zone werden dann jeweils in die gleiche
Anzahl von Sektoren unterteilt. Je weiter man also nach außen
kommt, um so mehr Sektoren gibt es pro Spur bzw. Zone.
Diese Vorgehensweise hat neben der effizienteren Nutzung der
äußeren Spuren einen weiteren Vorteil: die Datenübertragungsrate
auf den äußeren Spuren ist deutlich höher, da dort bei einer Umdrehung des Datenträgers mehr
Sektoren (= mehr Daten) gelesen werden, was folgende Tabelle recht eindrucksvoll darstellt:
Zone 1
225
90,4
454
225
89,.2
4
454
214
85,8
5
454
205
82,1
6
454
195
77,9
7
454
185
74,4
8
454
180
71,4
9
454
170
68,2
10
454
162
65,2
11
454
153
61,7
12
454
142
57,4
13
454
135
53,7
Mbit/s
454
3
Zone 14
2
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Zone 12
91,7
Zone 10
229
Zone 8
232
454
Zone 6
454
1
Datenübertragungsrate in Abhängigkeit der Zonen
Zone 4
0
Datenübertragungsrate
(Mbits/s)
92,9
Zone 2
Spuren pro Sektoren
Zone
pro Spur
Zone 0
Zone
14
454
122
49.5
(Quelle: Quantum Fireball TM Product Manual, © 1996 Quantum Corporation.)
Da im BIOS aber keine Möglichkeit vorgesehen ist, um verschiedene Sektorzahlen einzustellen, muß
dieses Problem anders umgangen werden. Mehr dazu aber im Kapitel „physikalische und logische
Geometrie“.
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2.2.4 Sektorversatz (Interleaving)
0
1
0
16
2
15
3
13
12
6
7
10
4
7
5
15
6
12
5
Faktor 1
13
4
Faktor 2
12
5
3
14
6
11
10
8
9
0
1
16
14
11
9
8
1
2
16
7
11
10
13
4
2
15
8
9
3
14
Faktor 3
Im Idealfall sind alle logisch aufeinanderfolgenden Sektoren auch physikalisch (d.h. auf der Scheibe)
direkt nebeneinander angeordnet. Da die Festplatte aber sehr schnell rotiert, kann es bei älteren
Modellen passieren, daß der Inhalt von Sektor 1 noch nicht komplett verarbeitet wurde und der
Lesekopf noch nicht wieder bereit ist, wenn Sektor 2 vorbeikommt. In diesem Fall müßte der
Lesekopf eine ganze Umdrehung warten, bis Sektor 2 gelesen werden kann, was einen merklichen
Zeitverlust bedeuten würde.
Dieses Problem wird durch den sogenannten „Sektorversatz“ oder auch „Interleaving“ gelöst. Dies
ist möglich, da logisch aufeinanderfolgende Sektoren nicht zwingend auch physikalisch nebeneinander
liegen müssen. D.h. durch das „Einschieben“ von anderen Sektoren zwischen Sektor 1 und 2 wird
erreicht, daß der Kopf wieder lesebereit ist, wenn Sektor 2 vorbeikommt. Die Entfernung zwischen
zwei logisch aufeinanderfolgenden Sektoren nennt man „Interleave Faktor“. Durch den
Sektorversatz erhält man eine deutlich höhere Leistung der Festplatte, da die „Leerlaufzeit“, d.h. die
Zeit in der der Lesekopf darauf wartet, daß der passende Sektor vorbeikommt, drastisch verkürzt wird.
Für moderne Festplatten ist dieses Verfahren aber nicht mehr relevant, da deren Controller schnell
genug sind, um mit einem 1:1-Interleave zurechtzukommen. Wichtig ist Interleaving aber trotzdem, da
es die Basis für neuere Techniken wie Head und Cylinder Skew bildet.
2.2.5 Cylinder und Head Skew
2.2.5.1 Cylinder Skew
Im laufenden Betrieb einer Festplatte kommt es häufig vor, daß zwei
aufeinanderfolgende Spuren komplett ausgelesen werden müssen. Das
bedeutet, zuerst wird Spur 1 ausgelesen, dann wird auf den nächsten
Zylinder gewechselt und der ausgelesen.
0
1
2
Das Problem, das dabei auftritt, ist, daß der Wechsel von einem Zylinder
zum nächsten (d.h. die Bewegung der Köpfe) Zeit benötigt. In dieser Zeit
ist aber der Startsektor von Spur 2 schon vorüber, so daß der Lesekopf
1
4
4
wieder eine Umdrehung lang warten muß um weiterlesen zu können.
3
2
Auf die Gesamtleistung hat dieses Problem aber nicht so große
Auswirkung wie das beim Interleaving, da es nur beim Wechsel von
Spuren in Erscheinung tritt (Interleave-Problem bei jedem neuen Sektor).
0 3
Deswegen wird der Start-Sektor des Folgesektors verschoben, d.h. der Start-Sektor von Spur 2 liegt
z.B. auf gleicher Höhe wie Sektor 10 von Spur 1. Durch diese Verschiebung kann unmittelbar nach
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Neupositionierung der Köpfe weitergelesen werden, was eine geringere Wartezeit beim Wechsel von
Spuren und damit eine höhere Geschwindigkeit bedeutet.
2.2.5.2 Head Skew
Ein vergleichbares Problem wie beim Wechseln von Spuren (→ Cylinder Skew) tritt auch beim
Umschalten zwischen Leseköpfen innerhalb eines Zylinders auf, d.h. beim Wechsel auf die gleiche
Spur einer anderen Platte.
Deshalb versetzt man die Start-Sektoren der Spuren innerhalb eines Zylinders, was den Zeitverlust
erneut minimiert und somit in höherer Geschwindigkeit resultiert.
Im Vergleich mit Cylinder Skew und besonders Interleaving ist die hierdurch erzielte
Geschwindigkeitssteigerung jedoch relativ gering, da das Umschalten zwischen den Köpfen kürzer
dauert als der Wechsel auf einen anderen Zylinder.
Sowohl Cylinder als auch Head Skew sind von den spezifischen Festplattendaten abhängig, d.h.
davon, wie lange die Köpfe zur Positionierung bzw. zur Umschaltung brauchen.
2.3 Formatierungen
2.3.1 Unterschied: High-Level und Low-Level-Formatierung
Bei der Formatierung muß man zwischen zwei grundlegenden Methoden unterscheiden:
der „Low-Level-Formatierung“ (der „eigentlichen“ Formatierung der Festplatte), und der „HighLevel-Formatierung“, die betriebssystemabhängig ist und die logische Struktur der Festplatte (z.B.
MBR, Dateisystem) festlegt.
2.3.2 Low-Level-Formatierung
Die Low-Level-Formatierung erstellt die physikalische Struktur der Festplatte, d.h. es wird die genaue
Position und Zahl der Spuren und Sektoren festgelegt.
Neue Festplatten haben (bedingt durch Techniken wie Zoned Bit Recording, Cylinder/Head Skew)
sehr komplexe innere Strukturen und werden deshalb schon low-level-formatiert vom Hersteller
ausgeliefert. Bei alten Modellen muß der Benutzer diesen Schritt selbst durchführen.
Da eine Low-Level-Formatierung praktisch einem kompletten Neuanfang entspricht, ist hier bei
eigenhändigem Formatieren besondere Vorsicht geboten, da es sonst zu groben Fehlern kommen kann.
Besonders wichtig ist es, daß man nur die vom Hersteller vorgesehene Spezialsoftware zur LowLevel-Formatierung verwendet.
2.4 Fehlererkennungs-/korrekturverfahren
2.4.1 Allgemeines
Obwohl der Anwender meist nichts davon merkt, ist es für eine Festplatte völlig normal, daß sie
Lesefehler produziert. Dies ist eine unvermeidlich Tatsache, die das ständige Vergrößern der Kapazität
und das Erhöhen der Geschwindigkeit mit sich bringen. Denn um dies zu erreichen, wurde der
Abstand zwischen den Spuren und Sektoren immer mehr verringert, es werden schwächere Signale
verwendet um Störungen zu verhindern und auch die Umdrehungszahlen steigen stets an.
Da aber kein Anwender deswegen Lesefehler in Kauf nehmen würde, sind immer ausgeklügeltere
Verfahren zur Fehlerkorrektur und -vermeidung nötig um die Zuverlässigkeit zu erhalten. Hierbei
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gehen die Hersteller einen Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Fehlerhäufigkeit ein. Dies kann
man gut mit dem Maschinenschreiben vergleichen: man ist schneller, wenn man 100 Wörter pro
Minute schreibt und dabei 2-3 Fehler korrigiert anstatt 75 Wörter fehlerfrei zu tippen.
2.4.2 ECC (= Error Correcting Code)
Als Grundlage für die Fehlererkennung und -korrektur bei Festplatten dient der ECC (= „error
correcting code“ bzw. „error correction code“ bzw. „error correcting circuits”), basierend auf der
Reed-Solomon-Methode, wie er auch bei vielen anderen PC-Komponenten eingesetzt wird (z.B. CDRom, …).
Dazu erhält jeder Sektor zusätzlich zu seinen Nutzdaten eine bestimmte reservierte Bit-Zahl an ECCInformationen. Diese ECC-Codes werden automatisch beim Schreiben eines Sektors mit erstellt. Wie
viele Bits für die Fehlerkorrektur verwendet werden, ist wiederum ein Kompromiß zwischen
Platzverbrauch und Sicherheit (mehr Bits = bessere Korrektur; benötigt aber auch mehr Platz, d.h. man
kann weniger Sektoren pro Spur unterbringen). Moderne Festplatte benutzen inzwischen über 200 Bits
ECC-Code pro Sektor. Beim späteren Auslesen der Daten kann dann anhand des ECC-Codes
festgestellt werden, ob der Sektor richtig gelesen wurde. Sollte dies nicht der Fall sein, werden
entsprechende Schritte eingeleitet:
1. ECC-Korrektur
2. erneute Leseversuche
3. erweiterte Fehlerkorrektur
Sollte keiner dieser Schritte zum Erfolg führen, meldet die Festplatte einen Lesefehler, was in der
Praxis aber eher unwahrscheinlich ist.
2.4.3 Defect Mapping
Neben der Fehlerkorrektur durch ECC gibt es weitere Möglichkeiten, um Fehler vom Benutzer
unbemerkt zu beheben. Ein Beispiel hierfür ist das „Defect Mapping“.
Da es, wie vorher schon erwähnt, trotz aller Präzision unmöglich ist, eine absolut fehlerfreie Festplatte
zu fertigen, werden sie während der Herstellung gründlich auf Fehler hin getestet. Dabei werden alle
problematischen Sektoren intern markiert und in einer speziellen Tabelle festgehalten. Dadurch wird
verhindert, daß während einer High-Level-Formatierung versucht wird, diese Teile der Festplatte zu
benutzen. Diese markierten Bereiche werden dann bei einer Oberflächenanalyse als „Bad Sectors“ also defekte Sektoren - sichtbar.
2.4.4 Spare Sectoring
Das „Spare Sectoring“ ist sozusagen die Fortführung des Defect Mapping. Diese Technik wird bei
neuen Festplatten angewendet, da es viele Leute störte, wenn auf ihrer neuen Platte nach der
Formatierung schon „defekte Sektoren“ waren.
Um zu verhindern, daß die defekten Sektoren bei einer Oberflächenanalyse ans Licht kommen,
reserviert man eine bestimmte Zahl von Sektoren (teilweise auch ganze Spuren) als Ersatz. Wird nun
ein defekter Sektor entdeckt, markiert ihn der Controller und weicht automatisch auf einen der
Ersatzsektoren aus, ohne daß der Benutzer etwas davon merkt.
Dieses Verfahren hat im Prinzip aber nur den Vorteil, daß Programme wie Scandisk keine defekten
Bereiche melden - in Wirklichkeit sind sie aber trotzdem vorhanden! D.h., daß die
Festplattenhersteller eigentlich potentiellen Speicherplatz dafür opfern, daß die Festplatte nach außen
hin fehlerfrei wirkt.
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2.5 Physikalische und logische Geometrie
Ältere Festplatten waren recht einfach strukturiert: es gab eine bestimmte Anzahl von Köpfen, Spuren
pro Datenträger und Sektoren pro Spur, die einfach im BIOS eingegeben wurden. Bei modernen,
wesentlich komplexer aufgebauten Festplatten trifft dies aber nicht mehr zu. Zum Beispiel entstehen
durch das Zoned Bit Recording Spuren mit einer unterschiedlichen Anzahl an Sektoren - im BIOS
kann man aber nur einen Wert für Sektoren je Spur eingeben. Aber auch ohne derartige Techniken
wären die BIOS-Einstellungen problematisch, da sie maximal 63 Sektoren pro Spur zulassen moderne Festplatten aber weit über 100 besitzen.
Da die Einstellungsmöglichkeiten im BIOS also praktisch unverändert blieben, mußte man gewisse
Tricks anwenden, um die Kompatibilität neuer Festplatten zu wahren. Hierbei ist es wichtig, zwischen
„physikalischer“ und „logischer“ Geometrie zu unterscheiden.
2.5.1 Physikalische Geometrie
Die physikalische Geometrie bezeichnet die tatsächliche Zahl der Köpfe, Zylinder und Sektoren der
Festplatte. Die tatsächliche physikalische Geometrie einer Festplatte ist aber äußerst schwer
herauszufinden, denn alle Angaben auf der Festplatte, im Handbuch oder auch das Ergebnis von
„Autodetect“ im BIOS betreffen lediglich die logische Geometrie. Auch die Support-Hotlines der
Hersteller können in den meisten Fällen nicht weiterhelfen.
2.5.2 Logische Geometrie
Um das Problem mit den BIOS-Einstellungen zu umgehen, bedient man sich hypothetischer
Parameter, der sogenannten „logischen Geometrie“, mit denen das BIOS umgehen kann und die den
Zugriff auf die gesamte Festplatten ermöglichen.
Das bedeutet, daß im BIOS eigentlich nur Scheinwerte stehen müssen, die (rechnerisch) die gleiche
Zahl an Sektoren (und damit die gleiche Kapazität) ergeben wie sie tatsächlich vorhanden sind. Diese
BIOS-Werte haben zwar mit der physikalischen Geometrie gar nichts zu tun - dies stört aber nicht
weiter, da der Rest des Systems die „richtigen“ Werte gar nicht kennt. Die Umwandlung von der
logischen in die tatsächliche (physikalische) Geometrie erfolgt nämlich ausschließlich durch den
Controller.
Ein Beispiel für die Unterschiede liefert folgende Tabelle. Entscheidend ist hierbei, daß die
Gesamtzahl der Sektoren gleich ist (aus der Sektorzahl und -größe wird die Gesamtkapazität
errechnet):
Angabe
Lese-/Schreibköpfe
Physikalische
Geometrie
6
Logische
Geometrie
16
Zylinder (Spuren pro Scheibe) 6.810
7.480
Sektoren pro Spur
122 bis 232
63
Gesamtzahl der Sektoren
7.539.840
7.539.840
(Quelle: Quantum Fireball TM Product Manual, © 1996 Quantum Corporation.)
Diese Festplatte hätte also eine Kapazität von 7.539.840 * 512 Byte = 3682 MB.
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3 SCHNITTSTELLEN
3.1 Anmerkung
Bei der Ausarbeitung dieses Referats ergaben sich für mich einige Schwierigkeiten.
Diese lagen hauptsächlich daran, dass ich als „Quereinsteiger“ in dieser Berufsausbildung mich mit der
Thematik Computer vorher kaum beschäftigt hatte und mich demzufolge auch erst in das Fachgebiet einarbeiten
musste und noch muss.
3.2 Schnittstellen
Es gibt verschiedene Schnittstellentechnologien, die Sekundärspeicher der CPU zugänglich machen. Zum
Beispiel
die
Geräteschnittstelle,
wie
SCSI
oder
EIDE/Ultra
DMA.
Die Geräteschnittstelle grenzt an den Systembus. Hier gibt es beispielsweise PCI oder ISA-Bus.
Seit der Umstellung der Schnittstellenbausteine auf das PCI-Interface (bis 133 MB/s) als Datenweg zum
Hauptspeicher ist in jüngster Vergangenheit nur noch die Geräteschnittstelle der limitierende Faktor bei der
Datenübertragung.
3.2.1 IDE /EIDE/Ultra DMA
IDE (Integrated Drive Electronics) / EIDE (Enhanced IDE) ist zur Zeit der typische Standard bei PCBussystemen. Der Controller befindet sich entweder direkt auf dem Motherboard oder auf einer separaten
Steckkarte. Der Controller trägt seinen Namen zu unrecht. Er ist eigentlich nur ein einfacher Signalwandler und
die eigentliche Steuer-Elektronik (Controller) befindet sich auf dem angeschlossenen gerät (Festplatte, CDROM, ...). Dies hat den Vorteil, dass diese Elektronik individuell auf das Gerät abgestimmt ist. Bei früheren
Bus-Systemen (MFM, RLL) musste der Controller zu allen Festplatten kompatibel sein. Dadurch waren die
Datenübertragungsraten wesentlich geringer als heute.
Der IDE-Bus (auch AT-Bus) ist standardmäßig auf eine Kapazität von 528 MB pro Festplatte beschränkt. EIDE
unterstützt Festplatten bis zu 127 GB.
An einen IDE-Controller lassen sich zwei IDE-Geräte anschließen. Ein EIDE-Controller hat meistens zwei
Kanäle und ermöglicht bis zu vier Geräten. Werden zwei Geräte an einem Kanal angeschlossen, so muss eine
Reihenfolge festgelegt werden. Dies geschieht in den meisten Fällen mittels Jumper (Steckbrücken). Das erste
Gerät wird als Master, das Zweite als Slave „gejumpert“. Ist ein Gerät alleine an einem Kanal angeschlossen,
lautet die Einstellung Single. Bei einigen Geräten ist die Einstellung Master und Single identisch.
Ultra DMA ist der Nachfolger von EIDE.
Typ
Übertragungsgeschwindigkeit
Anzahl Geräte
IDE
4,1 MB/s.
2
EIDE
16 MB/s
2
Ultra DMA
33 MB/s
2
Ultra DMA II
66 MB/s
2
3.2.2 SCSI
SCSI (Small Computer System Interface) ist seit Mitte der 80´er Jahre ein Standard bei Bus-Systemen. SCSI ist
in seiner ursprünglichen Form ein bidirektionaler 8-BIT-Bus, der nicht für ein bestimmtes Gerät entwickelt
wurde; vielmehr wurde SCSI definiert um verschiedene Geräte, wie Scanner, Plotter, Drucker und externe
Speichermedien (CD-ROM, MO-Laufwerke) miteinander zu verbinden.
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Da sich über die Jahre der SCSI-Bus weiterentwickelt hat, gibt es verschiedene SCSI Normen:
Breite
Übertragungsgeschwindigkeit
Anzahl Geräte
SCSI 1
8 Bit
5 MB/s
7
SCSI 2
8 Bit
5 MB/s
7
Wide SCSI 2
16 Bit
10 MB/s
15
Fast SCSI 2
8 Bit
10 MB/s
7
Fast Wide SCSI 2
16 Bit
20 MB/s
15
Ultra SCSI
8 Bit
20 MB/s
7
Ultra Wide SCSI
16 Bit
40 MB/s
15
Ultra 2 SCSI
16 Bit
80 MB/s
15
Ultra 160 / m SCSI
16 Bit
160 MB/s
SCSI-Typ
Alle Übertragungen laufen synchron. Ausnahmen: SCSI 1, SCSI 2, Wide SCSI 2.
3.2.2.1 Synchrone Datenübertragung
Befinden sich Sender und Empfänger im Gleichtakt, so müssen nicht nach jeder Datenüber-tragung zusätzliche
Synchronisationsinformationen übertragen werden. Daher ist die synchrone Datenübertragung am SCSI Bus
schneller als die asynchrone und üblich.
Bei asynchroner Datenübertragung wird zusätzlich eine Bestätigungsinformation vom Empfänger zum Sender
zurückgesendet.
Da bei SCSI viele Geräte extern angeschlossen werden (z.B. Band- , MO-Laufwerk, Scanner, CD-Wechsler, ...)
ist die maximale Kabel- bzw. Bus-Länge und die richtige Terminierung sehr wichtig.
SCSI Typ
Maximale Bus-Länge
SCSI 1
6 Meter
SCSI 2
3 Meter
Ultra SCSI
3 Meter, bis 3 Geräte; 1,5 Meter, mehr als 3 Geräte
Ultra 2 SCSI
12 Meter*
Ultra 160 / m SCSI
12 Meter*
* durch LVD-Technik möglich.
3.2.2.2 Terminierung
Der SCSI-Bus muss im Gegensatz zu IDE / EIDE / Ultra DMA an den physikalischen Enden terminiert sein.
Wird keine korrekte Terminierung durchgeführt, kann es zu fehlerhaften Datenübertragungen bis hin zu
Hardwaredefekten kommen. Gerade die relativ großen Kabellängen bei SCSI benötigen saubere Signale, die
nicht durch Reflektionen gestört werden dürfen.
Probleme bei der Terminierung treten meistens dann auf, wenn interne und externe Geräte an den SCSIController angeschlossen werden.
Beispiel 1:
Ein Rechner hat zwei Festplatten und ein CD-ROM intern. Das Kabel geht vom Controller zu Festplatte 1, zu
Festplatte 2 und zum CD-ROM. Terminiert werden muss der Controller und das CD-ROM Laufwerk.
Controller - Festplatte 1 - Festplatte 2 - CD-ROM
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Beispiel 2:
Jetzt wird an den Rechner ein Bandlaufwerk extern angeschlossen. Das interne Kabel wird nicht verändert und
extern verbindet ein zweites Kabel den Controller mit dem Bandlaufwerk. Terminiert muss jetzt das
Bandlaufwerk und das CD-ROM, da sie die physikalischen Enden des SCSI Busses bilden.
CD-ROM – Festplatte 2 – Festplatte 1 – Controller - Bandlaufwerk
Neuere SCSI-Controller haben einen intelligenten Terminator, da sonst bei jedem An- und Abbau von externen
Geräten der Rechner geöffnet und die Terminierung auf dem Controller gesetzt oder aufgehoben werden muss.
Bei den meisten Geräten wird die Terminierung über Jumper oder DIP-Schalter aktiviert / deaktiviert. Vereinzelt
werden aber auch noch Widerstandsarrays auf die Platinen gesteckt.
Es gibt zwei Arten der Terminierung:
1. Passive Terminierung:
• Sie wird hauptsächlich bei SCSI 1 und SCSI 2 eingesetzt.
• Mit einem 220 Ohm Widerstandsnetzwerk (Array) werden die Signalleitungen gegen +5 V und mit
einem 330 Ohm Array gegen Masse terminiert.
2. Aktive Terminierung:
• Sie ist Pflicht bei Ultra SCSI.
• Mit einer Spannungsregler-Schaltung wird der optimale Widerstandswert zur Terminierung gegen
+2,85 V und gegen Masse erzeugt. Dadurch wird eine saubere Signalübertragung erreicht.
Große Probleme bereitet die Terminierung bei einem gemischten Betrieb von 8 Bit (Narrow) und 16 Bit (Wide)
Geräten. Hier werden spezielle Terminatoren benützt, die nur die oberen 8 Bit anschließen, während die unteren
8 Bit erst am Ende des letzten Narrow-Geräts Terminiert werden.
Controller (16 Bit) – Festplatte (16 Bit) – CD-ROM (8 Bit)
3.2.2.3 ID / LUN
Damit am SCSI-Bus ein Gerät erkannt wird, muß ihm eine ID-Nummer zugeordnet werden. Eine ID
(IDentification number) darf pro SCSI-Bus nur einmal vergeben werden.
Die Doppelbelegung ist neben der falschen Terminierung eine der häufigsten Fehlerquellen bei SCSI-Systemen.
Bei Narrow- (8 Bit) SCSI ist die Nummerierung 0 bis 7, bei Wide- (16 Bit) SCSI 0 bis 15. Der Controller belegt
selbst auch eine ID (meistens die höchste). Dies bedeutet, daß bei Narrow-SCSI 7 Geräte und bei Wide-SCSI 15
Geräte angeschlossen werden können.
Bootplatten sollten die niedrigste ID haben, da das System beim Start den Controller von ID 0 aus nach oben auf
Geräte prüft.
LUNs (Logical Unit Number) kommen nur selten vor, da sie von kaum einem Gerät unterstützt werden.
Einige CD-Wechsler arbeiten mit diesen Sub-IDs. Der Wechsler hat am SCSI-Bus eine ID und jede seiner CDs
hat eine eigene LUN mit der sie direkt angesprochen werden kann. Bei SCSI sind bis zu 8 LUN pro ID erlaubt.
3.2.2.4 Differential SCSI / LVD
Im Gegensatz zu den normalen (single ended) SCSI ist bei Differential SCSI jede Leitung doppelt vorhanden.
Die Signale werden gleichzeitig durch beide Leitungen gesendet und am Controller bzw. am Gerät werden die
Pegel der Signale miteinander verglichen. Die Information steckt hierbei in der Pegeldifferenz beider Signale.
Sollte nun während der Übertragung eine Störung (Nahnebensprechen) auftreten, so wird das Signal gleichzeitig
in beiden Leitungen beeinflußt. Am Ende kommt aber die gleiche Information raus, da die Differenz trotz
Störung gleichbleibt.
Mit dieser Technik ist es Möglich, sowohl Narrow- als auch Wide-SCSI-Buslängen von bis zu 25 Metern zu
erreichen.
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Die LVD-Technik (Low Voltage Differential) wird ab Ultra 2 SCSI eingesetzt.
Die Betriebsspannung des SCSI-Busses wird vermindert und auch damit das Auftreten von Reflexionen
(Nahnebensprechen) . So ist es möglich die Kabellänge von 3 Meter auf 12 Meter zu erhöhen.
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4 DATEISYSTEME
Meine Aufgabe in der Gruppe war es, die logischen Strukturen und Dateisysteme auf Festplatten
darzustellen.
Der folgende Beitrag dazu beschränkt sich dabei auf die wesentlichen Schwerpunkte.
Im ersten Teil möchte ich kurz einen Abriss über die gängigen Dateisysteme geben. Der zweite Punkt
beschreibt dann die Einteilung der Festplatte in Partitionen und deren Art. Im nächsten Block wird die
Datenorganisation auf den Magnetplatten näher beschrieben. Den Abschluss bilden einige
Information, wie man den Platz auf der Festplatte am besten ausnutzten kann.
4.1 Begriffserklärungen
Bevor ich jetzt tiefer in die Materie einsteige, möchte ich vorab einige Begriffe erklären.
File System/Dateisystem:
Das Dateisystem stellt den Übergriff für alle logischen Strukturen und Softwareroutinen dar, die zum
Plattenzugriff und zum Speichern auf die Platte notwendig sind.
Sektor:
Ein Sektor ist die kleinste Einheit auf der Festplatte. Seine Größe beträgt 512 Byte.
Cluster/Allocation Unit:
Mehrere Sektoren werden zu einem Cluster zusammengefasst. Dieser bildet die kleinste durch die
FAT (siehe weiter unten) verwaltbare Einheit.
File Allocation Table (FAT):
Die FAT ist eine einfache Tabelle, die den Speicherort eines jeden Clusters verzeichnet. Zusätzlich
werden hier auch die Clusterattribute vermerkt, wie z. B. ob der Cluster belegt ist oder zur Verfügung
steht. Die FAT wird direkt neben dem Master Boot Record gespeichert. Es existieren immer zwei
identische Kopien, die jedoch „in direkter Nachbarschaft“ gespeichert werden, sodass eine
Beschädigung der Original – FAT oft auch die Kopie in Mitleidenschaft zieht.
4.2 Überblick über die Dateisysteme
4.2.1 FAT 12 / FAT 16
Diese Art der FAT ist die bis vor wenigen Jahren am häufigsten gebräuchliche. Unterstützt wird sie
nach wie vor allen gängigen Betriebssystemen wie z. B. DOS, Win 3.x & 9x, Win NT, OS/2, Linux.
FAT 12 & 16 adressiert die Cluster auf der Festplatte mit 12 bzw. 16 Bit Breite. So werden Partitionen
bis zu 2 GB bei FAT 16 möglich.
Nachteilig wirkt sich das heute bei der Formatierung sehr großer Platten aus, die dann in viele 2 GB
Partitionen „zerstückelt“ werden. Die Einteilung in 32 KB Cluster führt außerdem zu relative großer
Platzverschwendung.
FAT 12 findet man heute z. B. noch auf Disketten, für ältere oder kleinere Harddisks genügt FAT 16
immer noch.
4.2.2 FAT 32
FAT 32 ist der Nachfolger von FAT 16 und die Reaktion auf die immer größer werdenden
Festplattenkapazitäten. DOS 7.x, Win 9x und NT ab Version 5.0 können mit FAT 32 - -Partitionen
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umgehen. Die Adressierung findet allerdings nicht mit 32, sondern nur mit 28 Bit statt. So werden
Partitionen bis zu 2 Terrabyte verwaltbar.
Der Vorteil bei diesem System liegt hier klar bei der kleineren Clustergöße auch bei Partitionen größer
als 2 GB. Auch wenn die FAT selbst dadurch größer wird, schwindet der Anteil des verschwendeten
Platzes merklich.
Hier möchte ich noch das von Microsoft verwendete „VFAT“ erwähnen. Das mit Windows 95
eingeführte „Virtual FAT“ brachte einige Neuerungen mit sich, die die Einschränkungen des auf der
DOS – Umgebung aufsetzenden Windows – Oberfläche etwas mindern.
Durch einen Trick wird mit VFAT die 8 + 3 – Konvention bei Dateinamen unter DOS bis 6.x
umgangen. Dateien dürfen somit mit bis zu 255 Zeichen benannt werden. Dies stellt auch für den
Benutzer die einzig relevante Neuerung dar, sodass ich auf die anderen hier nicht weiter eingehen
möchte.
Die nachfolgende Tabelle soll oben genannte Tatsachen noch einmal veranschaulichen.
Attribute
FAT12
Used For
Floppies and small hard Small to large hard disk Medium to very large
disk volumes
volumes
hard disk volumes
FAT16
FAT32
Size of Each FAT Entry
12 bits
16 bits
28 bits
Maximum
Clusters
4,086
65,526
~268,435,456
Cluster Size Used
0.5 KB to 4 KB
2 KB to 32 KB
4 KB to 32 KB
Maximum Volume Size
16,736,256
2,147,123,200
about 2^41
Number
of
4.2.3 NT-Filesystem (NTFS)
Das Dateisystem von Windows NT dürfte zur Zeit eines der besten sein. Durch die 64 Bit breite
Adressierung wären theoretisch 16 Exabyte große Partitionen möglich. In der Praxis beschränkt sich
dieser Wert momentan aber auf 2 Terrabyte. Bei NTFS gibt es keine FAT in diesem Sinne. Da NT als
ein absolut eigenständiges Betriebssystem konzipiert wurde, kommt es ohne die „DOS – Krücke“ aus.
Daher besitzt NT auch eine eigene Dateiverwaltung, die als Master File Table (MFT)bezeichnet wird.
Was macht NTFS so überlegen ?
• Zum einen gibt es eine mehrfach gesicherte MFT. Eine beschädigte erste MFT kann somit fast
immer wiederhergestellt werden.
• In NTFS werden sämtliche Schreib- und Lesezugriffe protokolliert. So kann genau
nachvollzogen werden, wer wann wie auf welche Dateien zugegriffen hat.
• Darüber hinaus können an einzelne Dateien Zugriffsrechte vergeben werden. Ein notwendiges
Feature für Netzwerkadministratoren.
• Zusätzlich können Ordner und Dateien auf Systemebene verschlüsselt werden.
• Als letzter wesentlicher Punkt kommt RAID – Fähigkeit hinzu.
• Neben all diesen Vorteilen gibt es natürlich auch eine dunkle Seite der Medaille. So kann
NTFS von anderen Betriebssystemen nicht verwendet werden und bietet eine verminderte
Performance gegenüber FAT wegen der ausführlichen Protokollierungsmaßnahmen.
4.3 Partitionen
Bei meinen Ausführungen hierzu möchte ich mich auf die gängigen Windows- und DOS-Versionen
beschränken.
Im Zusammenhang mit Festplatten fällt immer auch der Begriff Partitionen. Warum muss eine
Festplatte überhaupt partitioniert werden?
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Die Antwort darauf ist eine einfach: durch die Partitionierung wird dieser Teil der Platte im Master
Boot Record (MBR) als vorhanden und „bereit zum Dienst“ eingetragen. Beim anschließenden
Formatieren wird dann das entsprechende Dateisystem erstellt. Dabei werden die Partitionen je nach
Art in sogenannte „primäre“ und „erweiterte“ eingeteilt.
4.3.1 Primäre Partitionen
Jede Festplatte kann nur maximal vier primäre Partitionen verwalten. Dies liegt in der Struktur des
Master Boot Records (s. dazu weiter unten) begründet. Primäre Partitionen können allein den Status
„aktiv“ annehmen und somit bootfähig werden.
4.3.2 Erweiterte Partitionen
Möchte man nun mehr als vier anlegen, muss eine primäre in eine „erweiterte“ Partition umwandeln
und von vorneherein als solche deklarieren. Im MBR werden dann max. drei primäre und eine
erweiterte Partition verzeichnet.
Innerhalb dieser erweiterten Partition kann man jetzt beinahe nach Lust und Laune mehrere sog.
„logische“ Laufwerke definieren. Praktisch wird die Anzahl nur durch das Alphabet limitiert.
Faktisch gibt es keinen Unterschied zwischen den Partitionsarten. Jedoch kann nur von aktiven
primären Partitionen gebootet werden.
4.4 Der Master Boot Record
Der MBR stellt den Ausgangspunkt eines jeden Bootvorgangs dar. Er wird im ersten Sektor auf der
aktiven Partition gespeichert und bildet gleichzeitig den Anfang des Dateisystems.
Im MBR sind zum einen die Master Partition Tabelle enthalten. In ihr werden sämtliche Informationen
zu den auf der Platte vorhandenen Partitionen gespeichert.
Zum anderen beherbergt der MBR den Master Boot Code. Dieses kleine Programm wird vom BIOS
beim Rechnerstart geladen und macht nichts anderes, als dem installierten Betriebssystem die
Kontrolle über den Bootvorgang zu übergeben.
Der MBR ist wegen seiner Wichtigkeit für das System auch gerne Ziel von Virusprogrammierern.
4.5 Die Dateiorganisation auf der Platte
4.5.1 Von „Pfaden“ und „Verzeichnis-Bäumen“
Das einer Datei beschreibt die eigentliche Stärke eines Dateisystems. Eine Datei besteht im Grunde
aus nichts anderem als ein „paar“ Bytes, die unter dem selben Namen abgespeichert wurden. durch die
Art der Verwaltung derselben zeichnet sich ein Dateisystem aus.
Dateien werden normalerweise nicht einfach auf der Festplatte abgespeichert. Um Ordnung zu halten,
legt man sich „Ordner“ an. Die verzeichnislose Rohpartition stellt nach ihrer Formatierung das „root
directory“ oder zu deutsch „Stammverzeichnis“ dar. Alle anderen Ordner werden danach hierarchisch
unter diesem Stammverzeichnis angeordnet. Bei genügend großer und geordneter Struktur ergibt sich
somit ein verzweigtes System aus Verzeichnissen und Unterverzeichnissen, das in seinem Aufbau an
einen umgedrehten Baum erinnert. Man spricht von einem „Verzeichnisbaum“.
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Um nun eine Datei in diesem Gewirr zu finden, muss die jeweilige Anwendung ein sog. „Pfad“
„beschreiten“. Mit „Pfad“ meint man die Kombination aus Laufwerksbuchstabe, Verzeichnis, evtl.
Unterverzeichnis und Dateinamen. Auf diese Art und Weise lässt sich jede Datei eindeutig
wiederfinden.
Außerdem verfügt der Ordner über eine Tabelle, die die Startcluster jeder Datei in diesem Verzeichnis
enthält.
4.5.2 Cluster
Wie schon oben erwähnt, besteht ein Cluster aus mehreren Sektoren. Ihre Anzahl kann zwischen 4 und
64 variieren, je nach FAT.
Die Aggregation geschieht ganz einfach aus Gründen der Performance. Ansonsten hätte eine 2 GB –
Partition über 4 Millionen einzelne Sektoren zu kontrollieren.
Sämtlich Sektoren eines Clusters stehen plastisch gesehen „hintereinander“ auf der Platte und bilden
einen „Block“. Eine Ausnahme bilden hier die Floppy – Drives, die teilweise auch nur einen Sektor
pro Cluster verwalten.
Die richtige Zusammenfassung von Sektoren in Zusammenhang mit der Partitionsgröße spielt eine
große Rolle in Bezug auf die Ausnutzung der Plattenkapazität. Bei zu wenig durchdachter Einteilung
kann bis zu 40 % des gesamten vorhandenen Speicherplatzes einfach „verloren“ gehen.
Darauf werde ich aber im Kapitel „Partitionen effizient nutzen“ noch genauer eingehen.
4.5.3 „File chaining“ oder „Wie kommt die Datei von der Platte in
den Hauptspeicher?“
Gehen wir davon aus, eine Anwendung benötigt zum Weiterarbeiten eine bestimmte Datei. Was wird
geschehen.?
Nun, zunächst wird die Anwendung sich aus dem Ordner, in dem sich die gewünschte Datei befindet,
die Adresse des Startclusters holen. Danach überprüft das Programm den Eintrag für den Startcluster
in der FAT. Dort steht der Speicherort des Folgeclusters beschrieben. So wiederholt sich der Vorgang,
bis der Eintrag in der FAT die höchste mögliche Zahl des jeweiligen FAT – Systems enthält. Diese
wird als Indikator für das Dateiende benutzt. Der Lesevorgang ist somit beendet.
Beim Schreiben auf die Platte fordert das jeweilige Programm zunächst die gewünschte Anzahl freier
Cluster von der FAT an. Diese übergibt dann die Adressen und markiert die Blöcke entsprechend.
Grundsätzlich besitzt jeder Cluster einen Vermerk über seinen Status. Freie Blöcke werden in der
Regel mit einer binären „0“ versehen. Des weiteren gibt es Codes für beschädigte und belegte Cluster
auf der Festplatte.
4.5.4 Löschen und Wiederherstellen von Dateien
Werden Dateien von der Harddisk gelöscht, sind sie nicht unbedingt verloren. In Wahrheit setzt das
Betriebssystem nur an die erste Stelle des Dateinamens den Hex – Code „E5h“. Für das System
bedeutet dies, dass alle zugehörigen Cluster wieder freigegeben sind. Der Speicherplatz wird nur
wieder zur Verfügung gestellt.
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Wenn man nun aber keine großartigen Schreibaktionen auf die Platte durchführt, können die
„gelöschten“ Dateien im Idealfall wieder komplett hergestellt werden. Das Betriebssystem „merkt“
sich die kürzlich gelöschten Dateien und kann diese auf Wunsch versuchen zu rekonstruieren.
Bei einer Defragmentierung allerdings gehen diese Daten endgültig verloren.
4.5.5 Fragmentierung & Defragmentierung
Eine Datei belegt eine bestimmte Anzahl Cluster auf der Platte. Wird sie gelöscht, werden diese
Blöcke wieder zur Verfügung gestellt. Speichert man nun Dateien zu Anfangs „in Reihe“ auf der
Festplatte, entstehen keine Lücken dazwischen und die Daten können am Stück gelesen werden.
Löscht man jetzt aber Dateien und fügt wieder neue hinzu, werden die neuen auch in die einzelnen
freien Blöcke zwischen den anderen Daten abgelegt. Dadurch werden diese neuen Dateien räumlich
„zerstückelt“. Diesen Vorgang nennt man Fragmentierung.
Natürlich schlägt sich der Lesevorgang einer über die Platte „verteilten“ Datei negativ auf die Leistung
nieder. Der Lesekopf springt dauernd zwischen den verschiedene Positionen hin und her, es kommt
kein hundertprozentig konstanter Datenstrom zu Stande.
Um den Idealzustand wiederherzustellen, muss man die Festplatte defragmentieren. Dabei werden alle
zusammengehörigen Cluster einer Datei wieder nacheinander auf der Harddisk angeordnet. Heute
besitzen alle gängigen Betriebssysteme Tools, um diese Prozedur durchzuführen.
Um den ganzen Vorgang etwas zu veranschaulichen, möchte ich ihn noch einmal anhand der
folgenden Tabellen beschreiben.
Diese Tabelle beschreibt den Rohzustand auf der Platte. Kein Cluster wird durch Daten belegt.
(cluster 1)
(cluster 2)
(cluster 3)
(cluster 4)
(cluster 5)
(cluster 6)
(cluster 7)
(cluster 8)
(cluster 9)
(cluster 10)
(cluster 11)
(cluster 12)
Nehmen wir jetzt an, es werden Dateien gespeichert, die die unten beschriebene Menge an Cluster
benötigen. A braucht einen, B vier, C zwei und D drei.
A
B
B
B
C
D
D
D
B
C
Jetzt löschen wir Datei C. Es werden zwei Cluster frei.
A
B
B
B
D
D
D
B
Schreiben wir danach eine Datei E auf die Platte, die drei Cluster benötigt. Zwei frei Blöcke werden
wieder verwendet, der dritte hinten angehängt.
A
B
B
B
B
E
D
D
D
E
E
Löschen wir nun A und E. Die Datei F mit fünf Clustern wird zurückgeschireben. Wie man bereits
jetzt schon erkennen kann, verstreuen sich die einzelnen Dateien mehr und mehr auf der Festplatte.
F
B
B
B
B
F
F
D
D
D
F
F
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Die Performance leidet merklich, der User entschließt sich, die Platte zu defragmentieren. Das
Ergebnis sieht wie folgt aus. Alle Dateien stehen wie „am Schnürchen“ aufegreiht auf der Harddisk.
B
B
B
B
F
F
F
F
F
D
D
D
4.5.6 Fehler in der FAT
Natürlich kann es auch vorkommen, dass Fehler in der FAT auftauchen. Diese können durch
Systemabstürze und andere Unterbrechungen von Dateiaktionen entstehen wie z. B. einem
Stromausfall.
Im folgenden möchte ich nur kurz die möglichen Fehler umreißen.
Verlorene Cluster:
Diese Cluster werden in der FAT als belegt geführt, sind in Wirklichkeit aber keiner Datei zugeordnet.
Querverbundene Dateien:
Cluster in Dateien können in der FAT fälschlicherweise auf denselben Folgecluster verweisen.
Ungültiger FAT-Eintrag:
In diesem Fall wurde der Eintrag in der FAT selbst beschädigt.
4.6 Partitionen effizient nutzen
Wie im vorhergehenden Text bereits erwähnt, können Festplatten auf unterschiedliche Weise
organisiert sein. FAT 16 und 32 KB-Cluster oder FAT 32 mit 8 KB-Cluster, sämtliche Kombinationen
sind möglich.
Machen aber auch alle Varianten wirklich Sinn?
Die Tatsache, dass auch ein Byte große Dateien immer einen ganzen Cluster belegen, führt dazu, dass
im schlimmsten Fall sehr viel Platz einfach verschwendet wird. Auch wenn Cluster nur mit einem
Byte besetzt sind, gelten sie in der FAT als komplett belegt. Den überschüssigen Speicherpaltz
bezeichnet man auch als „Slack“, was ins Deutsche übersetzt soviel wie „Rest“ bedeutet.
Nur wenn die gleiche Datei vergrößert wird, schriebt die Platte sie in den gleichen Block ,bis dieser an
sein Maximum stößt. Folgende Tabelle zeigt den Verlust bei vielen kleinen Dateien auf der Platte.
Size of Each
Partition
Number of
Partitions
Typical Total Slack (All
Partitions)
2 KB
128 MB
16
28 MB
4 KB
256 MB
8
56 MB
8 KB
512 MB
4
112 MB
16 KB
1 GB
2
225 MB
32 KB
2 GB
1
450 MB
Cluster Size
Kann in diesem Fall also eine größere FAT Abhilfe schaffen?
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Festplatten
Referat vom 03.11.1999
Dazu möchte ich zunächst die untere Tabelle betrachten.
FAT Type
FAT16
FAT32
Cluster Size
32 KB
4 KB
Number of FAT Entries
65,526
524,208
~ 128 KB
~ 2 MB
Size of FAT
Oben genannte Werte gehen dabei von einer 2 GB Partition aus. es wird auf den ersten Blick
ersichtlich, dass die FAT 32-Version keinen großen Sinn macht, da die FAT mit 2 MB relativ zur
Festplattengröße riesig gerät. Das System kann mit einer derartigen FAT schlecht umgehen. DA auf
diese während des Normbetriebes sehr häufig zugegriffen wird, hält sie die Harddisk im eigenen
Cache vorrätig. Dies bringt einiges an Performance.
Erreicht die FAT-Größe allerdings solche Dimensionen, bleiben dem System nur zwei Möglichkeiten.
Entweder wird die FAT in den Hauptspeicher verschoben oder nur unzureichend im Plattencache
versucht zu halten. Erstere Lösung vermindert unnötig den Arbeitsspeicher des Gesamtsystems und
letztere bremst die Schreib – Lesezugriffe enorm aus.
Es besteht also ein Zusammenhang zwischen Partitionsgröße und Clustergröße in Bezug auf die
Performance.
Abschließend bleibt zu sagen, dass in Endeffekt nur ein sinnvolle Balance zwischen Cluster- und
Partitionsgröße den „Slack“ auf ein erträgliches Maß reduziert. Moderne Partitionierungstools wie z.
B. der Partition Magic von Power Quest finde allerdings „von ganz alleine“ die ideale Mischung.
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5 QUELLEN
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