Referat Physik: Wie funktioniert eine Festplatte?

5.10.2009 | Autor: h4wk | Tags: dvd, festplatte, funktion, hausaufgabe, hdd, physik, referate, Schule, speichermedium, Technik, vortrag

„Computer der Zukunft werden vielleicht einmal nicht mehr als 1,5 Tonnen wiegen.“
Ein Computerexperte, 1949

Gliederung:

1.   Die Geschichte der Speichermedien
2.   Was ist eine Festplatte
3.   Aufbau einer Festplatte
4.   Wie funktioniert eine Festplatte
5.   Die DVD – ein Vergleich
6.   Interessante Fakten

1. Die Geschichte der Speichermedien

Mitte 19. Jh.: Mechanische Lochstreifen – Informationen werden durch eingestanzte Löcher übertragen
1932: Erster Magnetischer Speicher. „Trommelspeicher“. Prinzip ähnlich der der Festplatte, entwickelt in Österreich
1956: Die erste Festplatte, die mit der heutigen Technik zu vergleichen ist kommt auf den Markt
1971: Entwicklung der der Diskette.
1978: LaserDisc. Erster CD ähnlicher Speicher
1982: CD
1990: Erster Flashspeicher. Technik wird heute z.B. noch in MP3 Playern genutzt
1996: DVD, dazwischen weitere Speichermedien die sich jedoch nicht durchsetzten konnten
2006: Entwicklung von BlueRay Disk und HD DVD. Die BlueRay Disk konnte sich 2008 durchsetzten

2. Was ist eine Festplatte

Die Festplatte ist eines der Hauptbestandteile des Computers. Auf ihr werden alle wichtigen Daten gespeichert, wie z.B. Windows oder diverse Programme und Spiele. Diese Daten sind auch nach dem Ausschalten des Computers noch verfügbar und werden nicht gelöscht. Die Verarbeitungszeit für Daten ist bei einer Festplatte um ein vielfaches höher als bei anderen Speichermedien wie z.B. DVD’s oder USB Sticks.

3. Aufbau einer Festplatte

Die Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium. Die Hauptbestandteile einer Festplatte sind der Schreib-Lese Kopf und die Metallplatten. Eine Festplatte besteht meist aus mehreren Metallplatten. Diese Metallplatten bestehen aus Aluminium und dienen als Träger für die Magnetschicht auf der Platte. Diese Magnetschicht besteht aus Eisenoxid und Kobalt und ist ca. 1 Mikrometer dick. Diese magnetisierten Aluminiumplatten drehen sich mit sehr hoher Geschwindigkeit (meist zwischen 5.400 und 15.000 U/min). Der Schreib-Lese-Kopf (auch Head genannt) ist ein winziger Elektromagnet (2mm lang und 0,5mm breit), mit dessen Hilfe winzige Teile der Festplatte magnetisiert werden. Er schwebt 20 Nanometer über den Metallplatten. Vergleich: Ein Haar ist 2.500 mal dicker. Durch den geringen Abstand ist die Festplatte anfällig für Schäden durch Erschütterungen. Pro Aluminiumplatte in der Festplatte werden 2 Heads benötigt, da diese sowohl oben als auch unten magnetisiert sind. Das innere einer Festplatte ist luftdicht verschlossen. Jeder Staubpartikel kann die Festplatte zerstören.

4. Funktion einer Festplatte

Bevor die Festplatte benutzt werden kann, muss sie formatiert werde. Dabei wird die magnetisierte Aluminiumscheibe in konzentrische Kreise (à Ein Mittelpunkt, aber verschiedene Radien) und Sektoren unterteilt. Der Abstand der Kreise beträgt 8 Mikrometer. Jeder Sektor kann gleichviel Daten aufnehmen. Je mehr Sektoren auf einer Festplatte vorhanden sind, desto mehr Speicherplatz hat diese.

4.1 Der Schreibevorgang

Beim Schreibevorgang wird der Lese-Schreibkopf durch den Prozessor des PC’s gesteuert. Durch die B-Felder des Heads wird der Teil der darunter rotierenden Scheibe magnetisiert. Dabei werden jeweils die Werte 0 und 1 geschrieben. Die wird durch Wechselnde Polarität erreicht. So bedeutet NNNNSSSNNNSSS 0 und NNSSNNSSNNSSNNSS 1.

4.2 Der Lesevorgang

Beim Lesevorgang ist es genau umgekehrt. Hier erzeugt nicht der Lese- Schreibkopf ein Magnetfeld, sondern er induziert eine Spannung durch das Schnelle vorbeiziehen über die magnetisierte Platte. Heute Festplatten haben eine Reaktionszeit von 5 – 10 ms. Diese Verzögerung kommt mechanisch zustande. So ist die Festplatte eine der größten Bremsen im Computer. Um höhere Geschwindigkeiten bei der Abfrage / beim Schreiben der Daten zu erreichen, ordnet der Arbeitsspeicher des Computer die Anfragen an die Festplatte, sodass möglichst viel Sektoren mit einer Umdrehnung gelesen werden können.

4.3 Datensicherheit / Löschen / Lebensdauer

Besonders die neueren Festplatten mit mehr als 10.000 U/min sind anfällig für Ausfälle wegen zu hoher Temperaturen. Doch auch starke Magnetfelder, die auf die Festplatte wirken und mechanischer Verschleiß machen den Festplatten zu schaffen und können diese zerstören. Auch Archivierungen über einen längeren Zeitraum (10-100 Jahre) bereitet Probleme, da die Magnetisierung der Platten mit der Zeit schwächer und so evt. Unbrauchbar wird. Außerdem stellt sich die Frage ob zukünftige (in 50 Jahren) Systeme überhaupt noch mit solchen Festplatten Klarkommen. Sichere Archivierung bieten derzeit nur spezielle Drucke auf Papier und der Microfilm.
Löscht man Daten von der Festplatte, so werden diese nicht im eigentlichen Sinne gelöscht. Es wird lediglich aus dem Datensystem entfernt. D.h. der Computer „vergisst“, dass an dieser Stelle Daten geschrieben wurden, sodass diese Stelle wieder genutzt werden kann. Diese so „gelöschten“ Dateien, können meist mit speziellen Programmen wiederhergestellt werden. Diese Methode wird oft bei der Polizei verwendet. Um Dateien endgültig zu löschen, müssen die Sektoren mehrfach überschrieben werden. Diese Aufgabe kann ebenfalls von Programmen übernommen werden.

5. Die DVD – ein Vergleich

DVD ist eine Abkürzung für Digital Versatile Disc (Digital vielseitige Scheibe). Sie gehört wie die CD und BlueRay Disc zur Gruppe der Optischen Speichermedien.
Die DVD wird wie auch die CD spiralförmig beschrieben. Ein Laser brennt und ließt die Daten auf eine DVD. Die Oberfläche einer DVD besteht aus so genannten Pits und Lands. Dabei stellen die Pits Vertiefungen und die Lands Erhöhungen da. Trifft nun der Laser auf die Pits und Lands so wird das Licht unterschiedlich reflektiert. Beim Übergang von einem Pit zu einem Land und umgekehrt erkennt der PC die Zahl 1, findet kein Wechsel statt, so interpretiert der PC eine 0. Die so entstehende 0 und 1 Kombination lassen sich wieder zu einem Bit zusammenbauen. So kann der PC die Daten entschlüsseln. Durch bessere Lasertechnik können die Pits auf der DVD näher zusammengelegt werden. Aus diesem Grund passen auf eine DVD mehr Daten als auf eine CD.
Im Vergleich zur Festplatte ist die DVD ein tragbares Speichermedium. Sie bietet eine höhere Datensicherheit als die Festplatte, da z.B. die Daten auch nach längerer Zeit noch erhalten sind und nicht wie bei der Festplatte die Magnetisierung nachlässt. Jedoch muss auf die Oberfläche der DVD besonders geachtet werden, da sie schon bei einem Kratzer unwiderrufbar zerstört sein kann.

6. Interessante Fakten / Geschichtliches

•   Die erste Festplatte wurde 1956 gebaut: Technische Daten: 5mb, 24 Zoll, 500kg, 10kW
•   Vorgänger war das mechanische Lochband
•   1979 wurde die erste 8 Zoll Festplatte hergestellt. Sie war immer noch extrem schwer. Trotz des hohen Preises von 1000€ / MB stieg der Absatzmarkt
•   Die Festplattengrößen stiegen rapide an
•   Die magische Grenze von 1 TB = 1 Mio MB wurde im Jahr 2007 gebrochen.

Quellen:

Internet:

http://www.school24.de/hausaufgaben_thema_1099.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Festplatte

http://de.wikipedia.org/wiki/IBM_305_RAMAC

http://www.pc-erfahrung.de/hardware/hardware-festplatte.html

http://www.derpcfuchs.de/datenrettung-glossar-festplatte.html

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0610291.htm

http://www.adolf-kolping-schule-lohne.de/EDV_Festplatte.pdf

http://www.dionysos-zone.de/files/3_aufbau.pdf

http://referate.mezdata.de/sj2004/festplatte_dominic-dedering/ausarbeitung/1.html

http://www.datenrettung-4u.com/begriffserklaerung/aufbau-und-funktion.php