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Buch des Monats April 2007 in Wikibooks.

Dieses Wiki-Buch vermittelt grundlegende Hardware-Kenntnisse, die jeder PC-Benutzer haben sollte. Das Buch ist aus Lehrgängen für Verkäuferinnen, Apothekerinnen, Anwälte und Steuerberater entstanden. Es soll für jeden verständlich sein und bleiben. Es werden nur minimale technische Kenntnisse vorausgesetzt.

Das Buch ist für Leute geschrieben, die ihren Computer regelmäßig benutzen und etwas mehr über die Hardware mehr wissen wollen. Es ist kein Einsteigerbuch für Leute, die erstmals an einem PC sitzen. Wie man Windows (oder ein anderes Betriebssystem) startet, benutzt und beendet, wie man die Maus benutzt und Anwendungen startet, sollte bekannt sein.

Aus diesem Buch sollten Sie lernen,

Mit dem Computer sachkundig umzugehen und Warnzeichen für Gefahren zu erkennen,

Technische Daten des eigenen Computers ermitteln zu können,

Computerspezialisten und Verkäufern die richtigen Fragen stellen zu können,

Angebote und Anzeigen bewerten zu können und Fallen zu umgehen,

Bei Neukauf oder Aufrüstung eines Computers mehr Leistung für Ihr Geld zu erhalten,

Sich sicher zu fühlen, wenn jemand mit Ihnen über Computer reden will.

Dieses Buch "Computerhardware für (Hardware-)Anfänger" ist eine Zusammenstellung der wichtigsten Seiten aus dem viel umfangreicheren Buch Computerhardware. Wenn Sie mehr über Hardware wissen wollen, lesen Sie dort.

Was ist eigentlich "Hardware"?

Hardware ist der materielle Teil des Computers. Die Komponenten haben ein Gewicht und werden mit dem Schraubendreher installiert. Auf Hardware gibt es Garantie.

Software ist im Gegensatz dazu der nicht-materielle Teil des PC: Das BIOS, das Betriebssystem und die Programme. Software wird mit Tastatur und Maus installiert. Noch nie hat ein Software-Hersteller irgendeine Garantie darauf gegeben, dass seine Software fehlerfrei ist.

Inhaltsverzeichnis

• Grundlagenwissen ist wichtig
• Warum arbeitet der PC mit Binärzahlen?
• Die Zentraleinheit und die Peripherie
• Der Prozessor: Geschichtliches, Vergleich Intel und AMD
• Die Hauptplatine, Bestandteile, Formfaktor
• Speicher: ROM, RAM, Cache, Arbeitsspeicher
• Die Festplatte: Funktion, Pflege, Gefahren
• CD und DVD
• Diskettenlaufwerk: Veraltet?
• Tastatur, Maus, Touchpad und Grafiktablett
• Bildschirm: Röhre oder Flach? Unterschiede, Empfehlungen
• Grafikkarte: Funktionsweise, Onboard oder nicht?
• Tintendrucker
• Laserdrucker
• Gehäuse
• Netzteile
• Kühlung
• Notebooks: Besonderheiten und Einkaufstipps
• Gedanken vor dem Kauf
• Reklamationen

Grundlagenwissen

Binärzahlen

Wie kann der PC Buchstaben und Zahlen darstellen?

Um Texte zu schreiben, haben wir ein Alphabet aus einigen Dutzend Buchstaben zur Verfügung sowie zahlreiche Sonderzeichen. Für Zahlen haben wir zehn Ziffern zur Verfügung. Das „Alphabet“ des Computers besteht aber nur aus zwei Zeichen: Eins und Null. Wie kann man damit auskommen?

Die Methode ist einfach und wurde schon vor langer Zeit erfunden. Denken Sie bitte mal an das Morsealphabet: Es gibt kurze und lange Zeichen („Punkt“ und „Strich“) sowie Pausen zwischen den Zeichen. In einer Code-Tabelle ist jedem Buchstaben eine Kombination von Punkten und Strichen zugeordnet. Eine ähnliche Codetabelle gibt es auch für die Darstellung von Buchstaben im Computer.

ASCII und das Byte

dezimal binär 0 48 110000 1 49 110001 2 50 110010 ... 9 57 111001  : 58 111010  ; 59 111011 < 60 111100 ... a 97 1100001 b 98 1100010 c 99 1100011 ...

Die gebräuchlichste Code-Tabelle für Computer ist ASCII, was für „American Standard Code for Information `Interchange“ steht. In dieser Tabelle sind alle wichtigen Zeichen der englischen Sprache aufgezählt und von Null bis 127 durchnummeriert. So hat beispielsweise der Buchstabe „A“ die Nummer 65 (binär: 100 0001), „B“ die 66 (binär: 100 0010) usw. Auch die Zeichen für die Ziffern haben eine Nummer: die Ziffer „1“ hat die Nummer 49 (binär: 11 0001). Auch „nicht druckbare“ Zeichen haben eine Nummer bekommen, zum Beispiel die Taste „Enter“ und die Löschtaste „Rückschritt“ (Backspace). In der nebenstehenden Tabelle sind einige Werte aufgeführt. Die ursprüngliche ASCII Tabelle wurde später um weitere 128 Zeichen erweitert, zum Beispiel um die deutschen Umlaute und besondere Zeichen anderer Sprachen, die im englischen Alphabet nicht enthalten sind. Hier ist die vollständige ASCII-Tabelle.

1 KB (Kilobyte) = 1024 Byte 1 MB (Megabyte)  = 1024 KB 1 GB (Gigabyte) = 1024 MB 1 TB (Terabyte) = 1024 GB

Man braucht eine Gruppe von acht Bit, um diese 256 verschiedenen Schriftzeichen zu speichern. Eine solche zusammenhängende Gruppe von 8 Bit nennt man ein Byte. Weil man mit einem einzelnen Bit kaum etwas anfangen kann, aber sehr wohl mit einem Byte, gibt man seitdem die Kapazität eines digitalen Speichers in Byte an, bzw. in Vielfachen davon. Mehr dazu im Kapitel über Speicher.

Unicode

Nun reichen auch 256 Zeichen noch nicht für alle Sprachen aus. Man denke an das russische, griechische und chinesische Alphabet. Japaner, Chinesen und zahlreiche andere Völker waren benachteiligt und forderten eine praktikable Möglichkeit, die vielen Zeichen ihrer Sprache genau so selbstverständlich benutzen zu dürfen, wie wir das lateinische Alphabet am Computer benutzen. Deshalb entwickelten die Computerfachleute eine Codierung namens Unicode, mit der man alle jemals von Menschen verwendeten Schriftzeichen speichern kann, einschließlich sumerischer Keilschrift und ägyptischer Hieroglyphen. Je nachdem, welches der vielen Zeichen man darstellen möchte, braucht man dafür 8 bis 32 Bit. MS-Office 2000, OpenOffice und jedes andere moderne Programm erkennt automatisch, ob ein Text im alten ASCII-Code oder im neuen Unicode gespeichert ist.

Zentraleinheit

Prozessor

Die „central processing unit“ (CPU), deutsch: Zentrale Verarbeitungseinheit, kurz: Prozessor, ist die oberste Steuerung für den PC. Alle anderen Komponenten, sei es die Festplatte oder der Drucker, erhalten ihre Befehle von der CPU. Keine Mausbewegung, keine Tastenbetätigung, kein Byte, das aus dem Internet eintrifft - nichts darf der CPU entgehen. Leistung und Qualität der CPU ist daher entscheidend für die zuverlässige Funktion des ganzen Computersystems.

Der wichtigste Maßstab für die Leistung eines Computers ist der verwendete Prozessor. Es gab und gibt zahlreiche Hersteller von CPUs: Intel, AMD, Cyrix, IBM, IDT, NEC, SiS, UMC, VIA und andere. Die Firma Intel ist der Marktführer und hat jahrzehntelang die technologische Entwicklung bestimmt. Mit der Firma AMD und ihrem Athlon-Prozessor ist Intel ein scharfer Konkurrent erwachsen.

Jede Prozessorfamilie hat neue, erweiterte Eigenschaften und zusätzliche Befehle, aber gleichzeitig achtet jeder Prozessorhersteller sorgfältig darauf, dass alle Befehle des Vorgänger-Prozessors ebenso funktionieren wie früher. Diese tolle Eigenschaft nennt man „Kompatibilität“. Dadurch läuft Ihre vertraute Software nicht nur auf jedem neuen Prozessor, sondern auch auf PCs mit Prozessoren anderer Hersteller. Allerdings erfordert eine neue Generation von CPUs fast immer auch eine neue Generation an Hauptplatinen.

Die Taktfrequenz

Alle Vorgänge in einem Prozessor laufen getaktet, also synchron ab. Die Taktfrequenz gibt an, wie oft die Taktsignale erfolgen. Der erste IBM-PC aus dem Jahr 1980 hatte eine Taktfrequenz von knapp 5 MHz (MHz = Megahertz = Millionen Takte pro Sekunde). Jeder Takt dauert also eine fünfmillionstel Sekunde = 200 ns (Nanosekunden). Jede einzelne Schaltung der CPU ist so entworfen, dass sie niemals länger als 200 ns für einen Befehl braucht. Anders ausgedrückt: Ein Prozessortakt ist die Zeit für die Ausführung eines einfachen Befehls, zum Beispiel einer Addition. Auch ein Speicherzugriff dauerte genau einen Takt. Eine Taktfrequenz von einem Megahertz bedeutet, dass der Prozessor eine Million einfache Befehle pro Sekunde ausführen kann.

Leider ist das eine vereinfachte Darstellung. Einige Befehle sind komplizierter als andere und ihre Ausführung dauert deutlich länger. Beispielsweise ist die Division viel aufwändiger als eine Addition. Um nicht wegen einiger seltenen Befehle den Takt für alle Befehle reduzieren zu müssen, hatten die Entwickler eine andere Idee: Einige Befehle bekommen als „Fristverlängerung“ einen zweiten, dritten oder sogar vierten Takt genehmigt.

Es ist klar, dass eine CPU mit einer höheren Taktfrequenz mehr Befehle pro Zeiteinheit ausführen kann. Deshalb wurde im Laufe der Jahre die Taktfrequenz der CPUs schrittweise erhöht. Heutige Prozessoren (2007) haben eine Taktfrequenz von zwei- bis dreitausend MHz (2-3 GHz) - eine Steigerung auf das 500-fache des ersten IBM-PC in einem Vierteljahrhundert! Betrachten wir diesen langen Weg, beginnend 1980.

Die Taktfrequenzen stiegen von anfangs 4,77 MHz auf 6, 8, 10 und 12 MHz. Immer neue CPUs wurden entwickelt. Es entbrannten regelrechte „Megahertz-Schlachten“ zwischen den Konkurrenten: Wer hat den schnellsten Prozessor?

Etwa 1990 erreichten die Prozessoren eine Taktfrequenz von 100 MHz, was 10 ns pro Takt entspricht. Die RAM-Zugriffszeiten hatten sich von 120 ns (1982) auf 12 ns (1990) verringert. Die RAM-Speicherbausteine konnten mit der Geschwindigkeit des CPU immer weniger mithalten. Pro Befehl müssen durchschnittlich ein bis vier Datenbyte aus dem RAM gelesen werden, weitere ein bis vier Byte ist der Befehlscoide lang. Je schneller die CPUs wurden, desto öfter mussten sie für einige Takte pausieren (sogenannte Wartetakte, engl: „Waitstate“), um auf das Eintreffen der angeforderten Daten aus dem RAM zu warten. Was nun?

Es gibt zwei Lösungsmöglichkeiten, und beide werden benutzt: Parallelisierung und Cache-Speicher.

• Der erste PC mit der i8088-CPU holte sich jedes Byte einzeln aus dem Speicher. Die i8086-CPU konnte bereits 16 Bit = 2 Byte „auf einen Schlag“ aus dem Speicher lesen. Die 286er und 386er Prozessoren arbeiteten mit 32 parallelen Bits (4 Byte), währen die Pentium-CPUs 64 Bit = 8 Byte in einem Speichertakt lesen bzw. schreiben können.
• Die zweite Möglichkeit ist die Verwendung eines „Cache“-Speichers, sprich „Kesch“ oder „Käsch“. Der Prozessorcache ist ein kleiner schneller Speicher, der sich das Prozessorgehäuse mit der CPU teilt. In diesem schnellen Speicher werden Kopien von den am häufigsten benutzten sowie von den voraussichtlich demnächst benötigten Daten vorsorglich bereitgehalten. Wenn die CPU die gerade benötigten Daten im Cache finden kann, braucht sie nicht auf den langsamen Hauptspeicher zu warten und kann mit voller Kraft arbeiten. Das Problem: Woher „wissen“ die elektronischen Schaltungen, welche Daten demnächst „voraussichtlich benötigt“ werden?

Die Taktfrequenz ist nicht mehr alleiniger Maßstab für die Leistung einer CPU. Die Größe des Cache und die „Treffsicherheit“ der Elektronik bei der Vorhersage der demnächst benötigten Daten sind ebenfalls wichtig. Was nützt eine hohe Taktfrequenz, wenn die CPU Pausen einlegen muss, um auf Daten zu warten? Während die CPU mit 2000 bis 3000 MHz arbeitet, bringt es selbst der schnellste DDR2-Speicher (DDR2-800) nur auf 800 MHz und das auch nur dann, wenn die angeforderten Daten im Speicher aufeinanderfolgend abgelegt sind. Sind die Daten in zufälliger Ordnung im RAM verstreut, dauert der Zugriff länger.

Trotz aller Raffinessen kann kein heutiger Speicher den „Datenhunger“ moderner CPUs befriedigen. So heißt es für die CPU immer wieder: Warten, warten, warten. Die CPU-Entwicker kompensieren das, so gut sie können. Mehr als die Hälfte der Transistoren in modernen CPUs wird für den Cache-Speicher und die Vorausschau-Logik verwendet.

Heute beurteilt und vergleicht man die Leistung von CPUs mit „Benchmarks“. Diese Testprogramme lassen den PC eine vorgegebene Aufgabe aus einem bestimmten Themengebiet lösen (z. B. die Konvertierung eines Videos), die dafür benötigte Zeit wird gestoppt und verglichen. Fachzeitschriften sind voll mit solchen Tests.

Die schnellste lieferbare CPU ist ganz erheblich teurer als die zweit- und drittschnellste. Ein 15% schnellerer Prozessor macht das Gesamtsystem nur um etwa 5% schneller, denn die Gesamtgeschwindigkeit des PC hängt natürlich auch von den Geschwindigkeiten der Festplatte, des Arbeitsspeichers und weiterer Komponenten ab. Daher lohnt es nur in Ausnahmefällen (wenn der Preis keine Rolle spielt), den allerschnellsten lieferbaren Prozessor zu kaufen. Wichtiger ist die Ausgewogenheit der Komponenten, damit keine „Engpässe“ bei der Datenverarbeitung entstehen. Wenn Sie einen etwas preiswerteren Prozessor auswählen und das eingesparte Geld für einen größeren Arbeitsspeicher und eine schnellere Festplatte ausgeben, erhalten Sie dafür eine insgesamt höhere Gesamtleistung.

Die Kühlung

Die Wärmeentwicklung und die schnelle Ableitung der Wärme sind höchst problematisch. Auf dem Prozessor muss immer ein Kühlkörper montiert werden, fast immer zusätzlich mit einem Lüfter. Ganz ohne Kühlkörper könnte der Prozessor bereits nach 10 bis 30 Sekunden durchbrennen oder zumindest stark altern! Der Kühlkörper muss gut anliegen. Weil die Oberflächen von CPU und Kühler nie völlig eben sind, verbleibt ein winziger Luftspalt. Weil Luft die Wärme schlecht leitet, muss dieser Luftspalt mit einer kleinen Menge Wärmeleitpaste gefüllt werden.

Verdoppelt man die Taktfrequenz, entsteht näherungsweise die doppelte Wärmemenge. Teilweise kann man das durch bessere Kühlung ausgleichen. Prozessorhersteller zeigen manchmal auf Messen, dass eine aktuelle CPU, die mit flüssigem Helium gekühlt wird, durchaus die dreifache Leistung wie bei Normalkühlung erreichen kann. Einige Computerfreaks verwenden Wasserkühlungen, um ihren PC „übertakten“ (ein wenig schneller laufen lassen) zu können.

Wie heiß darf die CPU werden? Das ist für jeden CPU-Typ unterschiedlich und muss dem Datenblatt des Herstellers entnommen werden. Es hängt auch von der Arbeit ab, welche der Prozessor gerade erledigt. Komprimieren und Dekomprimieren sowie Filmschnitt belasten die CPU stark. Als Richtwert gilt: Die Durchschnittstemperatur sollte 60 °C nicht überschreiten. Die CPU darf auch mal kurzzeitig etwas heißer werden, aber nicht mehr als 80 °C. Seit dem Pentium 4 überwacht eine thermische Schutzschaltung („Thermal Monitoring“) die Temperatur im Prozessorkern. Falls die Temperatur zu hoch wird, schaltet die CPU den Takt auf die Hälfte herunter.

Im Laufe der Jahre verschlechtert sich die Kühlung. Dafür gibt es mehrere Ursachen:

• Durch Staubablagerungen im Gehäuse und vor allem auf den Kühlrippen verschlechtert sich die Wärmeableitung.
• Nach ein bis zwei Jahren wird die Wärmeleitpaste spröde und leitet die Wärme schlechter ab.
• Weil die Lager verdrecken und verschleißen, drehen die Lüfter langsamer. Irgendwann machen Sie Krach, vorzugsweise nach dem Einschalten. Wenn sich das Lager noch weiter verschlechtert, machen sie keinen Krach mehr. Sie bleiben stehen.

Irgendwann kann sich die Kühlung so weit verschlechtert haben, dass die CPU einige Minuten nach dem Einschalten auf halben Takt herunterschaltet, besonders bei hoher CPU-Belastung. Spätestens jetzt sollten Sie in eine bessere Kühlung investieren!

Wenn der Lüfter auf dem Kühlkörper ganz ausfällt, wird es gefährlich. Selbst wenn die Schutzschaltung den Takt halbiert, kann das noch zu viel sein. Zweierlei kann jetzt passieren:

1. Die CPU wird so stark überhitzt, dass der PC abstürzt - entweder ein paar Minuten nach dem Einschalten oder stark gehäuft während des normalen Betriebes. Dieser Fehler kann leicht zu finden und zu beseitigen sein, bevor Ihre CPU Schaden nimmt.
2. Die CPU wird heiß, aber die Abstürze bleiben ganz aus oder sind nicht allzu häufig. Das ist schlecht. Die CPU altert sehr schnell und „stirbt“ bald. Hoffen Sie nicht, die CPU als Garantiefall umgetauscht zu bekommen. Die CPU-Hersteller erkennen meist anhand der Verfärbung der CPU, dass diese zu heiß geworden ist, und verweigern den Garantietausch.

Wie kann ich feststellen, ob mein CPU-Lüfter noch läuft? Es gibt drei Möglichkeiten:

1. Aufschrauben und reinsehen
2. Im BIOS nach der Drehzahlanzeige suchen. Meist wird im gleichen Menü auch die CPU-Temperatur im Leerlauf angezeigt. Oft kann man im BIOS einstellen, dass bei Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl oder Überschreiten einer Maximaltemperatur ein Alarm ausgelöst werden soll.
3. Ein Hilfsprogramm installieren, das auch im laufenden Betrieb diese Daten anzeigt. Ein solches Hilfsprogramm wird oft auf der Treiber-CD der Hauptplatine mitgeliefert.

Hauptplatine

Viele elektronische Bestandteile eines Computers werden auf Leiterplatten montiert.

Eine Leiterplatte mit aufgelöteten elektronischen Bauteilen nennt man Platine (englisch: board). Die größte Platine im Computer (etwa 18 x 30 cm) nennt man die Hauptplatine (englisch: Mainboard oder Motherboard). Die Hauptplatine wird mit Abstandsbolzen im Gehäuse befestigt, wobei die Position der Befestigungspunkte durch den so genannten Formfaktor definiert ist. Die Hauptplatine ist Träger für zahlreiche Steckplätze, Schaltkreisfassungen, externe und interne Anschlüsse und elektronische Baugruppen.

Eine spezielle Gruppe von Platinen der Abmessung von etwa 10 x 18 Zentimetern nennt man „Erweiterungskarte“ oder nur „Karte“. Es gibt je nach Funktion Grafikkarten, Soundkarten, ISDN-Karten, Netzwerkkarten, Fernsehkarten und viele mehr. Die Steckplätze der Hauptplatine, wohinein die Erweiterungskarten gesteckt werden, heißen „Slots“. Eine typische Hauptplatine hat drei bis sieben Steckplätze (Slots) für Erweiterungskarten. Die Slots sind nach Abmessung, Anzahl und Anordnung der Kontakte unterschiedlich.

Auf dem Bild „Hauptplatine für Pentium III Prozessor“ sehen Sie eine ältere, relativ übersichtliche Hauptplatine mit sieben Slots. Ganz rechts auf der Platine befinden sich zwei schwarze ISA Steckplätze (Industrie Standard Architektur), die auf modernen Hauptplatinen nicht mehr verwendet werden. Links davon befinden sich vier weiße PCI-Steckplätze (Peripheral Computer Interface).

Weiter zur Mitte befindet sich ein brauner AGP-Steckplatz (Advanced Graphic Port) für die Grafikkarte. Auf ganz neuen Hauptplatinen wird der AGP-Steckplatz durch schnellere PCI-Express-Steckplätze abgelöst. PCI Express ist eine Weiterentwicklung von PCI.

Weiterhin findet man auf der Hauptplatine zwei bis sechs Steckplätze für RAM (Arbeitsspeicher). Auf dem Foto sind es drei, welche oberhalb des CPU-Sockels angeordnet sind. Direkt auf der Hauptplatine sind der Taktgeber, die Uhr, der Chipsatz und andere Bauteile aufgelötet.

Auf der Hauptplatine befindet sich ein Schaltkreis-Sockel (englisch: Socket), in den der Prozessor gesteckt wird. Das Bild zeigt den „Sockel 462“ für Prozessoren mit 462 Anschlusskontakten. Um eine CPU mit so vielen Anschlüssen ohne Risiko einsetzen zu können, werden ZIF-Sockels (Zero Insertion Force, auf deutsch etwa: Null-Kraft-Sockel) verwendet, die mit einem Schwenkhebel (im Bild: unten) ausgestattet sind. „Null Kraft“ ist allerdings etwas übertrieben, und das Einsetzen des Prozessors erfordert einiges Geschick.

Weil die Prozessoren immer mehr Anschlusskontakte brauchen, gibt es zahlreiche Sockeltypen. Das nebenstehende Bild zeigt links eine Intel Dual-Core-CPU D925 (3 GHz) von unten, rechts ist ein Stück der Hauptplatine mit den Sockel 775 zu sehen. Die Andruckplatte ist hochgeklappt (im Bild: unten), und im oberen Teil der Prozessorfassung ist der Ansatz des Verriegelungshebels zu sehen.

Die Bestandteile der Hauptplatine

Einige hier vorkommende Fachbegriffe und Abkürzungen werden erst in späteren Kapiteln ausführlich erläutert.

Chipsatz: Ein bis zwei hochintegrierte Bausteine (Northbridge und Southbridge), die den Datenverkehr auf der Hauptplatine regeln, z. B. vom Prozessor zu den AGP- und PCI-Steckplätzen, zum RAM und zu den Peripherie-Anschlüssen. Der Chipsatz ist als „zentrale Verteilerstelle“ für die Gesamtleistung und Stabilität des PC-Systems in viel höherem Maße verantwortlich, als die meisten Menschen glauben.

Aufgelötete Baugruppen

BIOS: Basic Input Output System = „Basis Ein-/Ausgabe-System“. Das BIOS ist ein fest eingebautes Mini-Betriebssystem. Es stellt einfache Treiber für die wichtigsten PC-Komponenten bereit. Das BIOS überprüft nach dem Einschalten die grundlegenden Funktionen des PC in einem so genannten POST = `Power On Self Test, konfiguriert die Hardware (Plug & Play), versorgt die Komponenten der Hauptplatine mit Betriebsparametern, verwaltet Datum und Uhrzeit, überwacht Prozessortemperatur und Lüfterdrehzahlen und sucht auf den Datenträgern nach einem Betriebssystem, um dessen Start einzuleiten. Nach dem Start des Betriebssystems werden die BIOS-Treiber weitgehend durch Betriebssystem-eigene, optimierte Treiber ersetzt.

Festwertspeicher (EEPROM): ROM bedeutet Read Only Memory = "Nur-Lese-Speicher". Wichtig ist, dass ein ROM-Speicher beim Ausschalten des PC seinen Inhalt nicht verliert. Darum wird ROM in mehreren PC-Komponenten verwendet, um das jeweilige Startprogramm bereitzuhalten. Dass die Festplatte, die Grafikkarte und der Brenner einen solchen Festwertspeicher benötigen, ist wenig bekannt. Viel bekannter ist der „BIOS-ROM“. Der PC startet nach dem Einschalten mit dem darin gespeicherten Programm. Mit einem „BIOS-Update“ kann dieser Speicher auf den neuesten Stand gebracht werden („up to date“). Auch andere ROM können „upgedatet“ werden, um ihre Leistung zu verbessern.

CMOS-RAM: CMOS ist die technische Bezeichnung für extrem stromsparende Halbleiter. Aus diesen Bausteinen wird sowohl die interne Uhr als auch ein kleiner Speicherbaustein gebaut, die von der Batterie ständig mit Strom versorgt werden. In diesem RAM sind wichtige Daten über die Hardware des PC gespeichert. Bei der Inbetriebnahme des PC werden durch den Händler die genauen Parameter der Festplatten, des parallelen und der seriellen Ports sowie weitere Angaben in das CMOS-RAM eingetragen, soweit diese vom BIOS nicht automatisch erkannt werden können. Das Betriebssystem und jede andere Software fragt bei Bedarf diese Daten ab.

Für das Eintragen der Daten gibt es ein Hilfsprogramm, das „BIOS Setup Programm“. Es ist im BIOS-ROM gespeichert und kann während des PC-Startvorgangs aufgerufen werden. Bei den meisten PC kommt man mit der Taste Del (Entf) ins BIOS-Setup, bei manchen PCs ist es die Taste F1 oder F2. Vorsicht! Anschauen ist ungefährlich, aber bitte nicht planlos die Einstellungen verändern, denn falsche Einstellungen können den PC ausbremsen oder stilllegen.

Batterie: Während der PC eingeschaltet ist, werden die Echtzeituhr und das CMOS-RAM vom Netzteil mit Strom versorgt. Bei ausgeschaltetem PC übernimmt das eine Batterie. Diese reicht etwa drei bis fünf Jahre. Wenn Datum und Uhrzeit bei ausgeschaltetem PC verloren gehen, muss vermutlich die Batterie gewechselt werden.

Die externen (rückwärtigen) Anschlüsse der Hauptplatine

Am hinteren Rand der Hauptplatine befinden sich die Anschlüsse für die Peripherie: Tastatur, Maus, Drucker, Modem, USB, Lautsprecher, Netzwerk und andere. Jeder Hauptplatine liegt eine Blende mit Öffnungen für die rückwärtigen Anschlüsse bei. Die nebenstehenden Fotos sind Belegungsbeispiele. Höhe und Breite dieser Blende sind feststehend.

Welche Anschlüsse eine konkrete Hauptplatine hat, ist extrem unterschiedlich. Neuere Hauptplatinen haben oft mehr Anschlüsse, als sich in der rückwärtigen Blende unterbringen lassen. Weitere Anschlüsse werden an der Frontseite oder an der Rückseite herausgeführt und mit der Hauptplatine verbunden.

Tastaturbuchse und Mausbuchse

Die Bezeichnung „PS/2“ wurde von IBM eingeführt. IBM hatte eine neue Rechnergeneration herausgebracht mit dem Namen Personal System 2, wo die kleineren Stecker erstmals verwendet wurden. Diese Stecker werden direkt von der Rückseite des PC auf die Hauptplatine aufgesteckt. Diese Anschlüsse sind nicht verwechslungssicher! Wenn Sie die Beschriftung und die Farbmarkierung beachten (Tastatur violett, Maus grün), kann nichts schiefgehen. Wenn keine Markierung zu finden ist: Der Anschluss, welcher der Hauptplatine näher liegt, ist der Tastaturanschluss. Liegen die Anschlüsse nebeneinander (gleich weit von der Hauptplatine entfernt), liegt der Mausanschluss weiter außen (oben). Wenn Sie die Stecker trotz allem verwechseln, brennt zumindest nichts durch. Wichtig: Sie müssen Tastatur und Maus vor dem Einschalten des Computers angesteckt haben, sonst erkennt und benutzt er sie nicht.

Bei neuen Platinen und vor allem bei Notebooks werden diese PS/2-Anschlüsse mitunter weggelassen. Dann bleibt nichts anderes übrig, als Tastaturen und Mäuse mit einen USB-Anschluss zu verwenden.

Parallel-Port

Dieser Anschluss wurde und wird hauptsächlich für Drucker verwendet. Weil neuere Drucker meist einen USB-Anschluss haben, wird der Parallelport allmählich überflüssig. Weil der große Stecker viel Platz benötigt, wird er bei Notebooks immer häufiger weggelassen. Laserdrucker haben fast ausnahmslos einen parallelen Druckeranschluß, in letzter Zeit zusätzlich einen USB-Anschluß. Tintendrucker haben nur USB-Anschluß, nur bei hochpreisigen Tintendruckern ist zusätzlich ein Parallelanschluß vorhanden.

Serielle Anschlüsse

20 Jahre lang waren serielle Anschlüsse (COM1 und COM2) an jedem PC vorhanden. Diese Schnittstellen wurden für langsame Geräte verwendet, wie zum Beispiel Maus, externes Modem, Rechnerkopplung und für die Programmierung von Telefon- und anderen Anlagen. Zunehmend werden Geräte auf USB umgestellt, die früher mit seriellen Anschlüssen ausgestattet waren. Neuere PC haben meist noch einen seriellen Anschluss, nur selten einen zweiten. Bei neueren Notebooks fehlen die seriellen Anschlüsse meist ganz.

FireWire

Dieser Anschluss wird vorzugsweise für den Anschluss von Filmkameras verwendet. Die maximale Übertragungsrate liegt bei 400 Mbit/s.

USB-Anschlüsse

Universal Serial Bus Connector = "universeller serieller Anschluss", wird in der Version 1.1 ab Windows 98 unterstützt. USB in der Version 2.0 wird ab Windows 98SE unterstützt, wenn man zusätzliche Treiber installiert. Ab Windows 2000 sind Treiber im Betriebssystem enthalten.

USB 1.1 kennt zwei Geschwindigkeiten:

• Low-Speed 1,5 Mbit/s,
• Full-Speed 12 Mbit/s

USB 2.0 kennt drei Geschwindigkeiten:

• Low-Speed 1,5 Mbit/s,
• Full-Speed 12 Mbit/s
• High-Speed 480 Mbit/s

Externe Festplatten und DVD-Brenner kann man nur an einem USB-2.0-Anschluss mit voller Geschwindigkeit betreiben. Allerdings ist auch USB High-Speed mit (theoretisch) 480 Mbit/s = 60 MByte/s immer noch langsamer als die 100 MB/s bis 133 MB/s, die am internen parallelen Festplattenanschluss erreicht werden. S-ATA erreicht theoretisch 150 oder 300 MByte/s, realistisch sind 100 oder 200 MByte/s.

Die USB-Kabel sind nicht symmetrisch: Der Stecker auf Seite des Computers ist vom Typ A (flach), der Stecker am externen Gerät ist quadratisch mit zwei abgeschrägten Ecken (Typ B).

USB-Geräte ohne eigenes Netzteil nennt man „Bus-powered“, sie beziehen ihren Strombedarf über den PC. Jeder einzelne USB-Port des Computers muss bei Bedarf 0,5 Ampere liefern können. Einige USB-Geräte benötigen kurzzeitig die vollen 0,5 A, zum Beispiel für den Anlaufstrom eines Motors. Bei stationären PCs ist das kaum ein Problem, aber einige Notebooks haben Probleme, diesen Maximalstrom zu liefern und sie schalten wegen Überlastung des Anschlusses sicherheitshalber ab.

Wenn die USB-Anschlüsse am PC nicht ausreichen, gibt es zwei Möglichkeiten:

• Man steckt eine Erweiterungskarte in den PC. Sie kostet weniger als 20 Euro, der Einbau ist unproblematisch. Je nach Ausführung bekommt man zwei bis vier zusätzliche USB-Anschlüsse. Bei einem Notebook ist diese Nachrüstung leider nicht möglich.
• Man verwendet Verteiler, sogenannte nannte „Hubs“. Theoretisch können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden. Es gibt Regeln und Einschränkungen, wie das zu geschehen hat. Besonders wichtig: Ein USB-Kabel darf nicht länger als fünf Meter sein.

Es gibt aktive USB-Hubs (mit eigenem Netzteil) und passive USB-Hubs (die den Strom vom PC beziehen und auf die angeschlossenen Geräte verteilen). Viele aktive USB-Hubs kann man auch ohne Netzteil betreiben, sie arbeiten dann passiv.

Wenn Sie nun mehrere Geräte mit hohem Stromverbrauch, wie einen USB-Brenner, eine USB-Festplatte, einen Scanner und einen externen TV-Empfänger, an einen passiven Hub anschließen, der nicht mehr als maximal 0,5 A vom PC bekommen kann, reicht der Strom möglicherweise nicht für alle. Günstigstenfalls schaltet der PC ab. In extremen Fällen kann ein minderwertiges PC-Netzteil überlastet und sogar zerstört werden! Wenn Sie jedoch die Geräte mit höherem Strombedarf an einen USB-Hub mit eigenem Netzteil anschließen oder direkt an den PC anstecken, schützen Sie Ihren PC. Manche stromhungrigen USB-Geräte haben einen zusätzlichen Anschluss für ein externes Steckernetzteil, den Sie dann auch nutzen sollten, um das PC-Netzteil zu entlasten. Mitunter haben USB-Geräte zwei Stecker, um den benötigten Strom aus zwei PC-Schnittstellen saugen zu können.

Speicher

Byte und Bit sind Maßeinheiten für die Menge an Speicherplatz.
Ein Bit ist Speicherplatz für die kleinstmögliche Informationsmenge: 1 oder 0, Ja oder Nein, Ein oder Aus. Eine Gruppierung von acht Bit nennt man ein Byte. Mit 8 Bit kann man 2 hoch 8 = 256 Kombinationen bilden. Man kann in einem Byte also eine Zahl zwischen Null und 255 oder ein Zeichen (einen Buchstaben des Alphabets oder ein Sonderzeichen) speichern.

Übersicht

Der ideale Speicher wäre gleichzeitig sehr schnell, gewaltig groß und preiswert. Darüber hinaus sollten gespeicherte Informationen bei Bedarf jahrzehntelang verlustfrei haltbar sein. Es wurden schon zahlreiche Speichertechnologien entwickelt, aber keine erfüllt alle Anforderungen. Große Kapazitäten sind nur mit relativ langsamen Verfahren zu erreichen, andererseits sind schnelle Speicher teuer und klein. Daher gibt es in einem PC mehrere Arten von Speicher, die abgestimmt zusammenarbeiten.

Die Tabelle zeigt typische Werte für die in einem PC gebräuchlichen Technologien:

Speichertyp	CPU-Cache	Arbeitsspeicher (DDR-400)	Flash (USB-Stick)	Festplatte	DVD
Klassifikation	intern, flüchtig		extern, dauerhaft
Preis pro MB	100 €	8 Cent	1 Cent	0,02 Cent	0,01 Cent
typische Größe	512 kB	512 MB	4 GB	500 GB	4,7 GB
Datenübertragung pro Sekunde	24 GB/sek	3,2 GB/sek	0,01 GB/sek	0,06 GB/sek	Lesen: 0,01 GB/sek

Klassifikation des Speichers nach Bauteilen

• Externer Speicher (Massenspeicher): Wird mit Kabeln an die Hauptplatine angeschlossen. Der externe Speicher ist langsam, weil er mit mechanisch bewegten Teilen arbeitet.
  • Magnetische Speichermedien: Festplatten, Diskettenlaufwerke, ZIP-Laufwerke
  • Optische Speichermedien: CD- und DVD-Laufwerke, BluRay, HD-DVD
• Interner Speicher: Ist direkt auf der Hauptplatine aufgelötet oder aufgesteckt. Der interne Speicher kommt ohne mechanisch bewegte Teile aus und ist deshalb sehr schnell.
  • ROM: Read Only Memory (Nur-Lese-Speicher)
  • RAM: Speicher für Variable und Arbeitsdaten.

Für den Arbeitsspeicher sind Zugriffszeiten von weniger als 5 Nanosekunden üblich. Die Festplatte als externer Speicher hat mittlere Zugriffszeiten von durchschnittlich 9 Millisekunden = 9 000 000 Nanosekunden. Bei einer so langen Wartezeit wäre es unpraktisch, die Bytes einzeln zu speichern und zu lesen. Viel praktischer ist es, gleichartige Daten zu Blöcken zusammenzufassen. Im PC beträgt die typische Blockgröße 512 Byte. Beim Lesen eines einzelnen Blockes kommt die Festplatte auf durchschnittlich 9 ms pro 512 Byte = 18 000 Nanosekunden. Diese Blöcke können wiederum zu größeren Einheiten zusammengefasst werden, z. B. zu Spuren der Festplatte. Zum Lesen einer Spur von 200 Sektoren benötigt die Festplatte 9 ms für die Positionierung plus 8 ms für eine volle Umdrehung. Die Wartezeit pro Byte verbessert sich auf 170 ns. Allerdings ist es schwierig, eine sinnvolle Anordnung der Daten zu finden. Es kommt nicht oft vor, dass so viele Daten aufeinanderfolgend von der CPU angefordert werden.

Interner Speicher

Beginnen wir mit der Betrachtung der Halbleiter-Bausteine, die für RAM und ROM verwendet werden.

ROM - Der Nur-Lese-Speicher

ROM ist die englische Abkürzung für Read Only Memory (Nur-Lese-Speicher), im Deutschen spricht man von Festwertspeicher. „Festwert“ bedeutet einerseits, dass die Daten auch bei Stromausfall erhalten bleiben. Andererseits bedeutet es, dass die Daten gar nicht oder nur mit speziellen Mitteln oder Programmen geändert werden können. Das macht sie haltbar („fest“) gegen Fehlbedienungen, Programmabstürze und Attacken durch Computerschädlinge. Wegen dieser beiden wertvollen Eigenschaften hat jeder Computer einen ROM-Baustein, in dem das Startprogramm gespeichert ist, mit dem die Arbeit nach dem Einschalten beginnt. Beim PC wird dieses Startprogramm als BIOS bezeichnet.

Der RAM-Speicher

RAM bedeutet Random Access Memory, deutsch: „wahlweise ansprechbarer Speicher“ oder auch „Speicher mit wahlfreiem Zugriff“. Das bedeutet zweierlei:

• Im Unterschied zum ROM kann man den Speicher nicht nur Lesen, sondern auch beschreiben. Die Reihenfolge und Häufigkeit, mit der Daten geschrieben oder gelesen werden können, ist beliebig.
• Im Unterschied zur Festplatte kann jedes Byte einzeln adressiert werden, in beliebiger Reihenfolge.

Leider ist RAM ein flüchtiger Speicher. Das bedeutet: Strom weg - Daten weg. Deshalb müssen Programme und Daten nach dem Einschalten des PC aus dem externen Speicher in den RAM „geladen“ und die Daten vor dem Ausschalten des PC auf Festplatte zurückgeschrieben (gespeichert) werden. Der Begriff „speichern“ ist etwas unglücklich gewählt, denn dabei werden die bereits (im RAM) gespeicherten Daten auf einen externen Datenträger, die Festplatte, kopiert.

Der Arbeitsspeicher

Die wichtigste Verwendung für RAM-Bausteine ist der Arbeitsspeicher. Arbeitsspeicher oder auch Hauptspeicher heißt der Speicher, den der Prozessor als Ablage für operative Daten, Zwischenergebnisse und auch für die Liste der nächsten Befehle verwendet. Im Inneren des Prozessors ist nur ganz wenig Platz dafür für Daten. Der Arbeitsspeicher ist eine Baugruppe auf der Hauptplatine, die über schnelle Datenwege mit dem Prozessor verbunden ist.

Externer Speicher

Gesetzliche Maßeinheiten

In diesem Lehrbuch werden die gesetzlichen Maßeinheiten verwendet:
1 Sekunde = 1 000 Millisekunden = 1 000 000 Mikrosekunden = 1 000 000 000 Nanosekunden.
1 Giga = 1 000 Mega = 1 000 000 Kilo = 1 000 000 000.

Wenn es um Speicherkapazität geht, werden in Anlehnung an die gesetzlichen Maßeinheiten die Bezeichnungen Giga, Mega und Kilo verwendet. Gigabyte wird mit GB abgekürzt, Megabyte mit MB und Kilobyte mit kB.

Nun lässt sich elektronischer Speicher nicht in beliebigen „Portionen“ herstellen. Fertigungstechnisch sind nur Speichergrößen herstellbar, die eine Zweierpotenz sind: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384, 32768, 65536 usw. sowie Vielfache davon sind herstellbar. Eine Speicherkapazität von 1000 lässt sich nicht herstellen (zumindest nicht mit vertretbarem Aufwand). Notgedrungen wird in der Computertechnik die Zahl 1024 mit „Kilo“ bezeichnet, (1024)² = 1048576 mit „Mega“ usw. Den „kleinen“ Unterschied nimmt man in Kauf.

Dabei hat es sich im allgemeinen eingebürgert, die bereits geläufigen SI-Vorsätze (Kilo für 10³=1 000, Mega für 10⁶=1 000 000 usw.), die eigentlich auf Potenzen der Zahl 10 beruhen, auf die in der Informatik üblicheren Zweierpotenzen zu übertragen. Mit einem „Kilo-Byte“ sind aber nicht 1000, sondern immer 1024 gemeint.

Beim magnetischen und optischen Speicher gibt es keine fertigungsbedingten Einschränkungen. Man hätte einen Datenblock durchaus genau 1000 Byte groß machen können. Weil aber im PC ein ständiger Datenaustausch zwischen den Speicherarten stattfindet, wären unterschiedliche Datenblockgrößen extrem unpraktisch. Deshalb ist der kleinste adressierbare Datenblock auf allen magnetischen und optischen Datenträgern genau 512 Byte groß.

Beim Speicher gilt also:

TB TeraByte		GB GigaByte		MB MegaByte		kB kiloByte		Byte
						1	=	1024
				1	=	1024	=	1 048 576
		1	=	1024	=	1 048 576	=	1 073 741 824
		100	=	102 400	=	104 857 600	=	107 374 182 400
1	=	1024	=	1 048 576	=	1 073 741 824	=	1 099 511 627 776
0,909	=	931	=	953 674	=	976 562 500	=	1 000 000 000 000

Wenn in der Werbung eine Festplatte von 1 Terabyte (10 ¹²) angepriesen wird (womit 1000 000 000 000 Byte gemeint sind), zeigt Windows nur 909 GB an.

Um diese Verwirrungen zu beseitigen, sind die neuen Maßeinheiten kibi, mebi und gibi eingeführt worden. Exakter ist es deshalb, die eigens dafür eingeführten, allerdings noch relativ wenig benutzten binären Vorsätze (Kibi für 2¹⁰=1 024, Mebi für 2²⁰=1 048 576 usw.) zu verwenden:

• 2 hoch 10 Byte = 1 024 Byte = 1 Kibibyte = 1 KiB (sprich: „Kibibait“) ≈ 1 kB (sprich: „k“ oder „Kilobait“).
  Weil Kilo ein SI-Vorsatz ist und für 1000 steht, hier aber 1024 Byte gemeint sind, ist die Bezeichnung Kilobyte sachlich falsch. Richtig, jedoch seltener verwendet, wäre die Bezeichnung Kibibyte.
• 2 hoch 20 Byte = 1 048 576 Byte = 1 Mebibyte = 1 024 KiB = 1 MiB (sprich: „Mebibait“) ≈ 1 MB (sprich: „Megabait“).
• 2 hoch 30 Byte = 1 073 741 824 Byte = 1 Gibibyte = 1 024 MiB = 1 GiB (sprich: „Gibibait“) ≈ 1 GB (sprich: „Gigabait“).
• 2 hoch 40 Byte = 1 099 511 627 776 Byte = 1 Tebibyte = 1 024 GiB = 1 TiB (sprich: „Tebibait“) ≈ 1 TB (sprich: „Terabait“).

Allerdings sind diese Einheiten noch relativ wenig bekannt. Da die Festplattenhersteller aber lieber die alten, unkorrekten Einheiten weiterverwenden (1000 GB sieht nach mehr aus als 909 GiB), wird es wohl noch dauern, bis sich die neuen Einheiten durchsetzen.

Die RAM-Speicherbausteine lassen sich in zwei Arten unterteilen, die auf ganz unterschiedlichen Technologien beruhen und dementsprechend in allen Kenndaten sehr unterschiedlich sind. Es gibt dynamischen RAM (DRAM) und statischen RAM (SRAM).

DRAM

Der Dynamische Speicher (DRAM) ist verblüffend einfach aufgebaut. Jede Speicherzelle besteht aus einem Kondensator und einem Transistor. Um eine „Eins“ zu speichern, wird der Kondensator aufgeladen. Soll eine „Null“ gespeichert werden, bleibt der Kondensator ungeladen. Wenn eine Leseanforderung erfolgt, gibt der Transistor die elektrische Ladung frei. Wenn eine „Eins“ gespeichert ist, fließt für einen kurzen Moment ein Entladestrom. Wenn kein Strom fließt, war eine „Null“ gespeichert. In beiden Fällen ist der Kondensator anschließend entladen. Wenn eine Eins gelesen worden ist, muss der Speicherinhalt erneut eingeschrieben werden. Ein solcher „Lesen-und-Wiederherstellen“-Zyklus dauert etwa 10 nsek (10 Nano-Sekunden, es geschieht also 100 Millionen mal pro Sekunde). Das Lesen der Daten beansprucht etwa die Hälfte dieser Zeit, die andere Hälfte wird für das Zurückschreiben gebraucht.

Leider verlieren die Kondensatoren ihre Ladung nicht nur durch das Lesen, sondern auch durch Leckströme, denn Halbleitermaterial ist kein perfekter Isolator. Darum muss die Ladung der winzigen Kondensatoren einige tausend Male in der Sekunde aufgefrischt (nachgeladen) werden. Während des Vorgangs der Auffrischung, die englisch als „Refresh” bezeichnet wird, können keine Daten gelesen werden.

DRAM ist wegen des simplen Funktionsprinzips günstig zu produzieren, wobei man hohe Packungsdichten erreicht. Deshalb wird DRAM als Arbeitsspeicher im PC eingesetzt. Mehrere einzelne Schaltkreise, auf einer kleinen Platine von etwa 15 x 2 cm aufgelötet, nennt man ein Speichermodul.

SRAM

Der statische Speicher (SRAM) ist Elektronikbastlern als „bistabiler Multivibrator“ oder „Flip-Flop“ bekannt. Die Schaltung ist recht kompliziert, denn pro Bit werden mindestens 6 Transistoren benötigt. Dieser hohe Schaltungsaufwand lohnt sich: SRAM ist etwa einhundert mal schneller als DRAM und benötigt weder Auffrischung noch Auffrischungspausen. Deshalb wird SRAM in der CPU als Cache-Speicher verwendet. Etwa die Hälfte der in einer CPU enthaltenen Transistoren entfallen auf den SRAM.

Warum verwendet man nicht SRAM als Arbeitsspeicher?

Die CPU benötigt laufend Daten aus dem RAM. Während Prozessoren heute mit mehr als 2000 bis 3000 Megahertz arbeiten, schaffen DRAM-Speicher bestenfalls 800 MHz. Dieses Missverhältnis zwischen Speicher und Prozessortakt zwingt die CPU, sogenannte Wartezyklen einzuschieben, um auf Daten aus dem Speicher zu warten. Anders gesagt: Je schneller der Prozessor ist, desto öfter muss er auf Daten warten. In den letzen zehn Jahren sind CPUs etwa einhundert mal schneller geworden, während die RAM-Zugriffszeit im gleichen Zeitraum lediglich von 10 ns auf 7 ns gefallen ist. Schnellerer Speicher wäre wunderbar. Die DRAM-Technologie ist an der Grenze des Erreichbaren. Es wird intensiv nach alternativen Technologien gesucht, aber bisher ist keine der neuen Erfindungen in Massenproduktion gegangen.

SRAM wäre wegen mit seiner Zugriffszeit von unter 0,1 ns der ideale Ersatz, hat aber einige schwere Nachteile.

• SRAM belegt pro Bit eine etwa 15mal größere Fläche im Schaltkreis als DRAM, folglich wird wesentlich mehr Energie benötigt.
• Die Situation wird dadurch noch weiter verschärft, dass SRAM ständig Strom benötigen, während DRAM die allermeiste Zeit ohne Strom auskommen. SRAM werden – pro Bit gerechnet – deutlich heißer.

Diese beiden Mängel - mehr Hitze, mehr Fläche - begrenzen die Verwendung von SRAM.

Beispielkalkulation

Viele aktuelle CPUs haben einen L2-Cache von 512 kB, der etwa die Hälfte der Chip-Fläche einnimmt. Folglich entfallen etwa die Hälfte des CPU-Preises sowie die Hälfte der Wärmeentwicklung auf 512 kB Cache. Eine CPU benötigt etwa 60 Watt und kostet etwa 100 Euro, also entfallen 50 Euro sowie 30 Watt auf 512 kByte. Um mit Windows halbwegs vernünftig arbeiten zu können, braucht man mindestens 512 MByte RAM - das Tausendfache. Wollte man einen 512 MByte großen Arbeitsspeicher aus 1000 SRAM-Chips bauen, wäre die Leiterplatte etwa einen Quadratmeter groß. Die Stromversorgung müsste eine Leistung von 30 Kilowatt liefern (die Ventilatoren nicht gerechnet, welche die Wärme wegblasen müssen). Zum Vergleich: Alle Ihre Herdplatten gleichzeitig auf höchster Stufe verbrauchen etwa zwei bis drei Kilowatt. Als Gebäudeheizung für ein Mehrfamilienhaus wäre dieser SRAM-Speicher also genau richtig. Der Preis für diese Heizung wäre noch beeindruckender: Ein halbes Gigabyte SRAM würde in der Anschaffung 50 000 Euro kosten sowie 8 Euro Stromrechnung pro Stunde. Ist Ihnen jetzt klar, warum Sie keinen PC mit SRAM-Arbeitsspeicher kaufen können?

Falls Sie von diesen Kosten noch nicht abgeschreckt worden sind, gibt es ein weiteres Problem. Elektrische Signale bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Das Licht ist aber leider viel zu langsam. Während eines Taktes einer 3-GHz-CPU kommt das Licht nur 10 cm voran. Ein Signal braucht von der CPU bis zum Rand unserer 1000-Chip-Leiterplatte und zurück ganze 3 ns = 10 Takte. Bei derart langen Signalwegen nützt es nichts, dass der SRAM eine Zugriffszeit von 0,1 ns hat. "Normaler" RAM braucht 7 ns. Der Vorteil eines riesigen SRAM ist also gering.

Festplatte

Vor mehr als 50 Jahren, am 13.09.1956, stellte IBM die erste Festplatte der Welt im Schrankformat vor: Sie bestand aus 50 Scheiben mit einem Durchmesser von 60 cm, wog eine Tonne und hatte 5 Megabyte Kapazität! Sie erreichte eine Drehzahl von 1200 U/min und eine mittlere Zugriffszeit von 600 ms.

Der Festplatte und ihrem Inhalt drohen zahlreiche Gefahren. Am häufigsten sind Bedienfehler, Fehler in Programmen und im Betriebssystem sowie Schadprogramme (Viren u.a.), die jederzeit unverhofft auftreten können. Die meisten dieser Fehler führen nur zu kleineren Schäden. Hardwarefehler sind vergleichsweise sehr selten, aber wenn sie auftreten, sind die Folgen verheerend.

Kein anderer Schaden verursacht so viel Stress wie ein Totalausfall der Festplatte. Die Schäden sind vielfältig:

• Eine neue Festplatte samt Einbau kostet fast einen Hunderter.
• Ihre Daten, Ihre Fotos, Ihre Emails, Ihre Musik- und Filmsammlung – alles ist verloren.
• Sie werden mehrere Tage brauchen, um das Betriebssystem, Ihre Geräte, die Updates und Ihre Anwendungen erneut zu installieren und anzupassen.
• Sie müssen Lizenzen neu erwerben oder reaktivieren lassen.
• Sie werden einige Tage nicht mit Ihrem PC arbeiten können.
• Sie werden noch nach wochenlang kleine Nachbesserungen vornehmen, um Ihre Programme optimal an Ihre Bedürfnisse anzupassen.

Hardwarefehler werden verursacht durch

• Erschütterungen
• Überhitzung
• Verschleiß

Gegen diese Gefahren gibt es zwei Strategien:

• Wissen um die Risiken kann diese verringern, aber nicht völlig abschaffen.
• Eine Datensicherung, regelmäßig und fachkundig durchgeführt, ist auf Dauer die einzige wirksame Gefahrenabwehr.

Im folgenden Text werden einige Grundkenntnisse über Festplatten vermittelt, anschließend werden nacheinander die Risiken betrachtet. Zum Abschluss werden Pflege und Wartung der Festplatte behandelt. Für weitergehende Informationen gibt es einen Anhang.

Grundwissen

Aufbau und Funktionsweise

Eine typische Festplatte kostet 80 Euro und hat 400 GB Kapazität und eine mittlere Zugriffszeit von 9 ms (Ende 2007). Die Hersteller können immer mehr Daten auf den Scheiben unterbringen: Alle 18 bis 24 Monate verdoppelt sich die Festplatten-Speicherkapazität eines typischen neuen PC.

Die Festplatte nennt man einen Massenspeicher, ebenso wie die CD-ROM und DVD. Warum?

Eine typische Buchseite (35 Zeilen zu 60 Zeichen) oder eine Bildschirmseite (25 Zeilen mit je 80 Zeichen) enthält etwa 2000 Zeichen. In der heute meistverwendeten Unicode-Darstellung werden zwei Byte pro Zeichen benötigt. Auf einer 400-GB-Festplatte könnte man also 100 Millionen Seiten speichern. Bei beidseitigem Druck ergäbe das je nach Papierqualität einen Stapel von 5 km Höhe! Eine einfache DVD mit 4,7 GB würde es immerhin auf einen Papierstapel von 58 m bringen, und eine CD-ROM mit bescheidenen 0,7 GB würde ein 8 m Bücherregal für die Aufbewahrung des Papierstapels erfordern. Diese Zahlen gelten für Text ohne Illustrationen. Bilder benötigen - je nach Qualität - zehn- bis hundertfach mehr an Speicherplatz als Text. Die Stapelhöhen werden deutlich kleiner, aber es bleibt immer noch eine „Masse“ Papier.

„Hard Disk Drive“, abgekürzt HDD, ist die englische Bezeichnung für die Festplatte. Im Vergleich zur „Floppy Disk“, der biegsamen Scheibe, gibt es zwei Unterschiede:

• meist sind mehrere Scheiben auf einer gemeinsamen Achse, der Spindel, angeordnet.
• Die Scheiben sind starr.
• Die Köpfe schleifen nicht auf der Scheibe.

Handelsübliche Festplatten haben meist zwei Scheiben. Die Scheiben bestehen oft aus Spezialmetall, beschichtet mit einer Magnetschicht. Manchmal wird auch Glas als Trägermaterial verwendet, weil die Oberfläche glatter poliert werden kann als Metall. Zu jeder Oberfläche gehört ein kombinierter Schreib-/Lesekopf, zu zwei Scheiben gehören also vier Köpfe. Die Köpfe sind an Schwenkarmen befestigt. Die Schwenkarme sind untereinander verbunden und bewegen sich stets gemeinsam.

Auf den Magnetoberflächen werden die Daten ringförmig in so genannten Spuren abgelegt. Je dichter die Spuren beieinander liegen, desto mehr Daten passen auf die Platte. 50.000 Spuren sind üblich.

Die Spuren eines Plattenstapels, die genau übereinander liegen (auf der anderen Oberfläche der gleichen Scheibe oder auf anderen Scheiben), bezeichnet man als Zylinder.

Die Plattenoberfläche ist in Kreisabschnitte, so genannte Sektoren, unterteilt. Die Sektoren teilen jede Spur in Stücke, sogenannte (Daten-)Blöcke, wobei jeder Block 512 Datenbyte plus Verwaltungsinformationen enthält.

Das Produkt von Kopfanzahl, Zylinderanzahl (= Spurenzahl) und Zahl der Blöcke pro Spur ergibt die Anzahl der Blöcke der Festplatte. Diese Blockzahl malgenommen mit der Kapazität eines Blocks (512 Byte) ergibt die Kapazität der Festplatte.

Häufig wird das Wort „Sektor“ auch synonym zu „Block“ gebraucht, doch genaugenommen ist ein Sektor die Gesamtheit der in einem Kreisabschnitt liegenden Blöcke aller Zylinder. Ein bestimmter Block kann durch seine Spur, seinen Sektor sowie seine Oberfläche eindeutig bestimmt werden.

Der Spindelantriebsmotor beschleunigt die Scheiben der Festplatte auf 7.200 Umdrehungen pro Minute. Der äußere Rand der Festplatte erreicht dadurch eine Geschwindigkeit von 130 km/h. Notebook-Festplatten drehen meist mit 4.200 U/min und haben einen kleineren Durchmesser von 2,5", deshalb erreichen sie „nur“ 60 km/h. Teure Profi-Festplatten bringen es bereits auf 15.000 U/min, noch höhere Drehzahlen werden getestet. Zum Vergleich: Bei Vollgas schafft ein PKW-Motor etwa 5000 und eine Flugzeugturbine bis zu 40.000 Umdrehungen pro Minute.

Bei der schnellen Rotation wird die Luft über den Scheiben mitgerissen. In diesem Luftstrom „segeln“ die aerodynamisch geformten Magnetköpfe in einem konstanten Abstand von 20 nm (Nano-Meter) über der Scheibe. Das sind 20 Millionstel eines Millimeters! Ein Haar ist 0,05 mm = 50 Mikrometer = 50.000 nm dick, also 2.500-mal dicker!

Der Cache der Festplatte

Nicht nur der Prozessor benutzt einen Cache-Speicher, auch die Festplatte hat einen. Heutige Festplatten sind meist mit 8 MB oder 16 MB RAM bestückt – mehr als die ersten Festplatten als Gesamtkapazität hatten. Wird von der CPU ein einzelner Block angefordert, werden die restlichen Blöcke der Spur vorsorglich in den Cache-RAM eingelesen. Wenn die Festplatte wenig fragmentiert ist, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass auch die restlichen Blöcke anschließend gebraucht werden.

Leseanforderungen haben stets Vorrang. Sollen Daten auf die Festplatte geschrieben werden, werden sie zunächst im Cache der Festplatte zwischengespeichert. Während die CPU bereits weiterrechnen kann, kümmert sich die Festplattenelektronik darum, die Daten auf die Magnetscheiben zu schreiben. Es kommt vor, dass Daten mehrmals kurz aufeinanderfolgend geändert werden. Es wäre sinnlos, jeden Zwischenstand zu speichern. Erst wenn die Elektronik „glaubt“, dass nun keine weiteren Änderungen zu erwarten sind, werden die Daten geschrieben.

Erschütterungen: Der plötzliche Tod

Sie haben vorhin gelesen, wie gering der Abstand der Magnetköpfe von der Festplatte ist. Stellen Sie sich zur Veranschaulichung vor, die Magnetscheibe auf 30 Meter, den Durchmesser eines Kettenkarussells, zu vergrößern. Im gleichen Maßstab vergrößert würde der Kopfabstand von 20 Nanometer auf 6 Mikrometer anwachsen, weniger als ein Haar dick ist (50 Mikrometer).

Wenn das Karussell mit 7200 U/min dreht, würden die außen befindlichen Sitze eine Geschwindigkeit von 40700 km/h erreichen. Das ist 32-fache Schallgeschwindigkeit! Besser, wenn Sie nicht einsteigen: Sie würden mit einer Beschleunigung von 870 000 G in den Sitz gepresst werden (trainierte Astronauten verlieren in der Zentrifuge bereits bei zehnfacher Erdbeschleunigung das Bewusstsein). Angenommen, der leere Sitz wiegt 4 Kilogramm. Er müsste an vier je 10 cm dicken Stahlseilen aufgehängt sein, um nicht davonzufliegen (dass die Seile selbst ein beträchtliches Gewicht haben, ignorieren wir großzügig). Wenn sich der Sitz losreißt, fliegt er mit 11,3 km/s davon. Wenn die Richtung stimmt, könnte er schon nach zwei Tagen auf dem Mond aufschlagen.

Haben Sie nun eine Vorstellung davon, warum Erschütterungen so gefährlich für die Festplatte sind? Kopfaufsetzer können ihre Festplatte in Sekundenbruchteilen zerstören. Erschütterungen sind aber auch dann gefährlich, wenn sie nicht zu einem merklichen Kopfaufsetzer führen. Langfristig schädigen sie die Lager.

Die Oberfläche der Scheiben ist mit einer hauchdünnen Schutz- und Gleitschicht aus Polymer oder Graphit überzogen. Dadurch kann die Festplatte „leichte“ Kopfaufsetzer verkraften. Bei einem schwachen Aufsetzer könnten Sie Glück haben. Wenn bei einem stärkeren Aufsetzer der Kopf die Schutzschicht durchdringt, wird die Magnetschicht beschädigt. Wenn sich dort Daten befunden haben, sind sie weg. Den Datenverlust bemerkt man meist erst später. Wenn irgendwann ein Programm diesen beschädigten Bereich zu beschreiben versucht und das nicht gelingt, wird er automatisch für die weitere Benutzung gesperrt.

Eine Scherzfrage: Wie nennt man es, wenn bei voller Drehzahl ein Kopf die Oberfläche der Scheibe berührt? Spanabhebende Datenverarbeitung! In der Fachsprache nennt man es einen „Headcrash“, und in schweren Fällen ist die Festplatte hinüber – einschließlich aller Daten.

Wie vermeidet man solche mechanischen Unfälle?

• Den PC sollte man so aufstellen, dass er nicht kippelt – auch nicht, wenn man mit dem Knie anstößt. Noch besser so, dass man gar nicht erst mit dem Knie anstoßen kann!
• Den PC niemals bewegen, wenn er eingeschaltet ist. Nach dem Ausschalten einige Sekunden warten, bis die Festplatte steht.
• Treten und schlagen Sie Ihren PC nicht, wenn er nicht so funktioniert, wie Sie es wollen! Schlagen Sie auch nicht mit der Faust auf die Tischplatte, auf der Ihr PC steht.
• Den PC immer in Gebrauchslage transportieren (Festplatte waagerecht), damit die Magnetköpfe nicht die Parkposition verlassen und auf der Festplatte herumkratzen. Im Auto gibt es zwei günstige Plätze für den Transport: Stehend angeschnallt auf einem Sitz oder stehend festgeklemmt hinter dem Beifahrersitz.
• Kaufen Sie Festplatten nicht online von Privatpersonen – das Risiko von Transportschäden durch mangelhafte Verpackung ist sehr hoch.
• Öffnen Sie auf keinen Fall die Festplatte. Ein einziges Staubkorn wirkt auf ihre Festplatte ebenso verheerend wie ein großer Felssturz auf Ihr Auto.

Beachten Sie: Nicht jeder Stoß und jede Überhitzung zerstört Ihre Festplatte sofort. Auch kleinste Schäden addieren sich und verringern die Lebensdauer.

Die Festplattenhersteller bauen ein Diagnoseprogramm „S.M.A.R.T.“ in jede Festplatte ein. SMART steht für „Self Monitoring, Analysis and Reporting Technology“. Dieses Programm erkennt beschädigte Blöcke, sperrt sie und ersetzt sie durch Reserveblöcke. Es wird geschätzt, dass jede Festplatte ein Viertel ihrer nominellen Kapazität als „heimliche Reserve“ zurückhält, um kleine Schäden ausgleichen zu können.

Ihnen ist bisher noch nie etwas passiert?

Mir auch nicht. Aber Anderen. Mit zunehmender Häufigkeit. Die Festplatten werden jedes Jahr empfindlicher. 1993 hatte eine typische Festplatte eine Kapazität von 20 MByte (0,02 Gbyte), heute das zwanzigtausendfache. Die Köpfe hatten nach heutigem Maßstab noch einen Riesenabstand von 1.500 nm (heute: 25 nm), und die Drehzahl ist in fünfzehn Jahren von 3.600 auf 7.200 pro Minute gestiegen.

Überhitzung: Die verkannte Gefahr

Festplatten können sehr heiß werden. Dadurch wird das bei der Herstellung „eingelagerte“ Schmiermittel schneller verbraucht und die Lager verschleißen früher. Jedes Grad Celsius über der zulässigen Betriebstemperatur erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls um zwei bis drei Prozent.

Das Gehäuse sollte über und unter der Festplatte eine Luftströmung zur Wärmeabfuhr ermöglichen. Festplatten mit einer Drehzahl von 7.200 pro Minute sollten zusätzlich gekühlt werden, sonst verringert sich ihre Lebensdauer auf die Hälfte oder weniger.

Ändern Sie nicht für längere Zeit die Lage des Computers (z. B. indem Sie einen flachen PC hochkant betreiben). Der Wechsel der Lage der Festplatte erhöht den Verschleiß sehr stark! Bei einer externen Festplatte sollten Sie sich gleich nach dem Kauf überlegen, ob Sie die Platte zukünftig legen oder stellen wollen – und bei dieser Entscheidung bleiben.

Die Festplatte ist einer der größeren Stromverbraucher. Der Strom wird von der Elektronik und den Antrieben in Wärme umgewandelt. Die meiste Wärme entsteht an der Unterseite. Die Wärme steigt auf. In der Mitte der Platte geht das kaum: Dort sind die Magnetscheiben im Wege, und die Luft zwischen den Scheiben leitet die Wärme schlecht. Also kann die Wärme nur über die Seitenwände der Festplatte aufsteigen.

Die optimale Temperatur einer Festplatte liegt bei zwanzig Grad Celsius. Erreicht die Temperatur 40 Grad, sinkt die Lebenserwartung der Platte auf die Hälfte. Bei 60 Grad reduziert sich die Lebenserwartung der Platte um den Faktor sechs! Wohin also mit der Wärme?

Eine Wärmeabstrahlung findet bei niedrigen Temperaturen nicht statt. Die Abstrahlung würde nur dann eine Rolle spielen, wenn die Festplatte rotglühend wäre.

Der Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft spielt eine bedeutende Rolle. Die Luft sollte also die Festplatte gut umströmen können.

Die Wärmeleitung ist recht wirkungsvoll. Achten Sie darauf, dass die Festplatte mit vier Schrauben am Blech des Gehäuses angeschraubt ist, dadurch wirkt das Gehäuse als Kühlblech. Die in Bastlerkreisen so beliebten Plasteeinschübe, die einen Festplattenwechsel ohne Benutzung des Schraubendrehers ermöglichen, sind aus thermischer Sicht katastrophal (und auch sonst recht sinnlos: Wiegen denn drei Minuten Zeitersparnis pro Festplattenwechsel die Nachteile auf? Wie oft muss denn die Festplatte gewechselt werden?).

Die nicht ans Gehäuseblech abgeleitete Wärme erreicht den Deckel. Dort staut sie sich unter dem großflächigen Papieretikett.

Es ist also recht schwierig, die Wärme zu beseitigen. Daraus sind die folgenden Empfehlungen abgeleitet:

• Stellen Sie den PC nicht direkt neben eine Wärmequelle, und verdecken Sie die Lüftungsöffnungen nicht.
• Computer verdrecken innen recht schnell, wodurch sich die Durchlüftung verringert und damit auch die Kühlung. Deshalb sollten Sie ein- bis zweimal jährlich den Staub aus Gehäuse und Netzteil herausblasen. Saugen ist wenig effektiv, der Staubsauger bringt wenig Nutzen. Wenn Sie ihn trotzdem verwenden, dann vorsichtig, stoßen Sie nicht an! Vielleicht haben Sie oder ein Bekannter einen Kompressor (zum Aufpumpen von Autoreifen oder Luftmatratzen)? Vielleicht ist eine Tankstelle in der Nähe? Im Fachhandel gibt es Druckluftflaschen, sie kosten maximal zehn Euro.
• Die Festplatte muss so eingebaut sein, dass die erwärmte Luft wegströmen kann. Insbesondere muss über und unter der Festplatte genügend Platz sein!
• Ein Festplatten-Zusatzlüfter (kostet 10 bis 15 Euro) darf keinesfalls fehlen. Er sollte einen großen Lüfter (etwa 8 cm Durchmesser) haben und unter die Festplatte geschraubt werden.
• Der Festplattenlüfter sollte unbedingt ein Kugellager haben, auch wenn es etwas teurer als mit Gleitlager ist. Ein Gleitlager ist etwas hochsolides, wenn es in einem Auto steckt (und regelmäßig geschmiert wird). In einem Computerlüfter ist ein Gleitlager lediglich eine Metallachse in einem Plasteloch, die nicht lange durchhält.
• Lüfter mit einem Durchmesser unter 4 cm sollten Sie nicht mal geschenkt nehmen. Sie sind laut und halten nicht lange. Ein Lüfter mit 8 cm Durchmesser hat die vierfache Lüfterfläche und befördert die dreifache Luftmenge. Das erlaubt die Verringerung der Lüfterdrehzahl auf ein Drittel. Dadurch verdreifacht sich die Lebensdauer der Lager. Das Geräusch ändert sich von einem lauten, unangenehmen hohen Sirren zu einem viel leiserem Ton in einer angenehmeren Tonlage. Die Strömungsgeräusche der Luft werden praktisch unhörbar.
• Gönnen Sie Ihrer Festplatte Pausen! Standard-Festplatten sind nicht für Dauerbetrieb zugelassen.

Dauerbetrieb

Es ist weitgehend unbekannt, dass die meisten handelsüblichen Festplatten nicht für den Dauerbetrieb konzipiert sind. Das Problem hierbei ist die Wärmeentwicklung. Viele Hersteller erlauben nur durchschnittlich 10 Stunden Betriebszeit pro Tag, danach sollte die Festplatte abkühlen können. Nur teure Profi-Festplatten (SCSI) sind für Dauerbetrieb geeignet, wobei die Hersteller fünf Jahre Garantie geben. Wenn die Betriebsbedingungen eingehalten werden, erreichen sehr viele Festplatten eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren, und das fast ohne Wartung (nur der Zusatzlüfter sollte überwacht und bei Bedarf gewechselt werden).

Zum Vergleich: Würde Ihr Auto täglich 10 Stunden lang mit 80 km/h fahren, hätte es pro Jahr etwa 300.000 km zurückgelegt. Wenn alle 15.000 km eine Wartung mit Ölwechsel fällig ist, erfordert das 20 Wartungen in diesem einen Jahr.

Mobile Festplatten

Eine externe Festplatte ist eine hervorragende Idee, um Daten von Zeit zu Zeit zu sichern und um sie gelegentlich mitzunehmen. Aber:

• Die Festplatte sollte nur bei Bedarf angesteckt werden.
• Festplatten nur weich verpackt mitnehmen.

Eine zu klein gewordene Festplatte mit einer ständig eingeschalteten externen USB-Festplatte zu ergänzen, ist keine gute Idee:

• Externe Festplatten mit USB High-Speed übertragen Daten mit 480 Mbit/s = 60 MByte/s (realistisch werden maximal 40 MByte/s erreicht). An den internen Anschlüssen werden höhere Übertragungsraten erreicht:Theoretisch 100 MB/s bis 133 MB/s am parallelen Festplattenanschluss, 150 MB/s bis 300 MB/s an einem SATA-Anschluss. Immer mehr aktuelle Hauptplatinen haben einen externen SATA-Anschluss für eine externe Festplatte. Es gibt auch schon PCI-Erweiterungskarten mit externem SATA Anschluss.

• Das Gehäuse mobiler Festplatten ist oft nur wenig größer als die darin steckende Festplatte. Deshalb ist es schwierig bis unmöglich, die Festplatte ausreichend zu kühlen. Die Festplatte wird bei durchschnittlich höherer Temperatur betrieben. Bei Dauerbetrieb oder regelmäßig mehrstündigem Betrieb „stirbt“ sie deutlich früher. Die Festplatte sollte deshalb nur bei Bedarf angeschaltet oder angesteckt werden. Dauerbetrieb ist zu vermeiden. Es ist vorteilhaft, wenn das Festplattengehäuse einen Schalter hat.

• Der sachgerechte Einbau einer größeren Festplatte in das PC-Gehäuse ist billiger als ein vernünftiges Extra-Gehäuse für die externe Festplatte.

Verschleiß: Das unabwendbare Ende

Was passiert, wenn man den PC ausschaltet?

Wenn die Festplatte die Drehzahl verringert, verringert sich auch der Auftrieb der Köpfe, und die Magnetköpfe „landen”. Wie geht das ohne Head-Crash ab?
Sobald der Strom ausfällt, wird der Antriebsmotor zu einem Dynamo umgeschaltet. Mit der Schwungmasse der Spindel wird Strom erzeugt, um die Köpfe in die Parkposition in der innersten Spur zu bewegen. Dort ist die „Landebahn“ metallisch und hochglanzpoliert. Sobald sich die Köpfe über der Landeposition befinden, erfolgt die nächste Umschaltung: Der Spindelmotor arbeitet jetzt als Wirbelstrombremse und bremst die Scheiben sehr schnell ab. Die Köpfe setzen auf, der Verschleiß ist minimal.

Renommierte Hersteller geben an, dass die Köpfe 20.000 bis 40.000 Start-Stop-Zyklen aushalten. Bei normaler Nutzung sollte das ausreichen. Kommen Sie aber nicht auf die Idee, nach jeweils drei Minuten Leerlauf die Festplatte abzuschalten, um Strom zu sparen! Dann haben Sie Ihre Festplatte möglicherweise schon nach einem Jahr kaputtgespart. Dabei würde man wohl auch keinen Strom sparen, denn der Anlaufstrom des Motors ist sehr viel größer als der Leerlaufstrom bei ununterbrochenem Betrieb.

Neuerdings gibt es Festplatten, die ihre Köpfe auf einer „Landerampe“ absetzen, was den Verschleiß weiter verringert.

Wie kündigen sich Probleme an?

Wenn die Festplatte nicht innerhalb von etwa drei Sekunden ihre Normdrehzahl erreicht, schaltet der Antrieb sicherheitshalber ab. Manchmal läuft sie nach mehreren Einschaltversuchen doch noch an. Reagieren Sie umgehend – ein verschlissenes Lager repariert sich nicht von allein!

Wenn die Festplatte die gesuchten Daten nicht findet, fahren die Köpfe mehrmals an den Plattenrand zurück und zählen die Spuren neu ab. Wenn Sie dieses rhythmische Klacken hören, steht eventuell das Lebensende der Festplatte dicht bevor.

Auch wenn Windows unerwartet für einige Sekunden „stehenbleibt” und auf nichts mehr reagiert, während die Festplattenaktivitätsanzeige Dauerlicht zeigt, kann dies ein schlechtes Zeichen sein. Dann geht es ohne Fehlermeldung weiter, als wäre nichts geschehen.

Für Festplattenausfälle gibt es fast immer Warnzeichen – achten Sie stets auf Auffälligkeiten und zögern Sie nicht, umgehend um Rat zu fragen!

Übrigens: Haben Sie eine einigermaßen vollständige, einigermaßen aktuelle Datensicherung? Stellen Sie sich vor, Ihre Festplatte würde jetzt, in diesem Moment kaputtgehen. Wie groß wäre dann der Datenverlust und wie lange würde die Wiederbeschaffung der Daten bzw. die erneute Eingabe dauern? In der Mehrzahl der Fälle ist eine professionelle Datenrettung möglich, aber diese kann mehrere tausend Euro kosten!

Pflege und Wartung der Festplatte

Was können Sie für Ihre Festplatte tun?

• Statten Sie Ihren PC mit genügend Arbeitsspeicher aus. Dadurch muss das Betriebssystem weniger oft Daten auf die Festplatte auslagern. Der PC wird spürbar schneller.
• Führen Sie gelegentlich eine Defragmentierung durch. Dabei werden die Daten besser angeordnet. Sie werden anschließend mit weniger Kopfbewegungen und somit schneller gelesen.
• Überprüfen Sie hin und wieder mit einem Oberflächentest Ihre Festplatte auf Schäden.

Wie „pflegt“ man die Festplatte?

Führen Sie gelegentlich einen Oberflächentest durch – einmal im Vierteljahr genügt. Dazu klicken Sie im Arbeitsplatz oder im Explorer mit der rechten Maustaste auf das zu prüfende Laufwerk, dann links auf Eigenschaften. Unter Extras finden Sie die Fehlerüberprüfung und die Optimierung. Man kann auch ein Diagnosetool des Festplattenherstellers verwenden, das meist auch SMART-Werte auslesen kann. Diese Optimierung, die so genannte Defragmentierung, sollten Sie ein paarmal im Jahr durchführen. Bei der Defragmentierung werden die Dateien besser angeordnet, so dass zukünftige Zugriffe mit weniger Bewegungen der Magnetköpfe und somit auch schneller ausgeführt werden.

Bei manchen Dateisystemen ist eine Optimierung nicht nötig, wie z. B. beim Dateisystem EXT3, das von Linux verwendet wird.

Führen Sie aber KEINESFALLS eine Defragmentierung, einen Oberflächentest oder einen vollständigen Virenscan durch, wenn Sie Unregelmäßigkeiten beobachtet haben! Die Belastung durch diese Programme könnte Ihrer Festplatte den „Todesstoß“ versetzen!

Was tun, wenn die Defragmentierung immer wieder abbricht?

Die Defragmentierung beginnt jedesmal von vorn, wenn ein Programm auf die Festplatte zugreift. Schuld sind meist die Programme, die in der Taskleiste links von der Uhrzeit aufgeführt sind. Einige von ihnen können vielleicht zeitweise gestoppt werden. Wenn das nicht reicht, sollten Sie es im „abgesicherten Modus“ versuchen: Drücken Sie während des Windows-Starts die Taste F8 und wählen Sie den „abgesicherten Modus“. Im abgesicherten Modus werden nur die unentbehrlichsten Treiber und Programme gestartet, und normalerweise stört dann nichts mehr bei der Defragmentierung.
Wichtig: Eine unvollständige (abgebrochene) Defragmentierung kann den PC langsamer als vorher machen, weil während der Defragmentierung möglicherweise ein Teil der Daten am hintersten, entferntesten Ende der Festplatte zwischengelagert wird. Führen Sie die Defragmentierung deshalb möglichst bald bis zum Ende durch!

Neue Entwicklungen

Wenn man viele Flash-Speicher (solche wie in den USB-Sticks) in ein Festplattengehäuse packt, trägt es den Namen „Solid State Disk“ (SSD). Diese „Festplatten“ sind sehr schnell, absolut geräuschlos (denn es steckt kein Motor drin) und sie brauchen nur sehr wenig Strom, aber sie sind entsetzlich teuer. Der geringe Stromverbrauch macht sie besonders für Notebooks attraktiv. Allerdings ist die Lebensdauer geringer als bei mechanischen Festplatten: Flash-Speicher kann man nur hunderttausend bis eine Million mal beschreiben. Windows Vista ist auf diese SSD-Eigenschaften vorbereitet und reduziert die Anzahl der Schreibvorgänge. Frühere Betriebssysteme tun das nicht.

Wenn eine herkömmliche Festplatte mit zusätzlichem Flash-Speicher ausgestattet wird, nennt man es „Hybrid Disk“ oder „Hybrid Hard Disk“ (HHD). Sie sind schneller und stromsparender als herkömmliche Festplatten. Bei den gegenwärtig (Februar 2008) erhältlichen Exemplaren sind diese Vorteile allerdings so gering, dass sich die Anschaffung wegen des höheren Preises nicht lohnt.

CD und DVD

Vergangenheit und Zukunft

Die CD (Compact Disc) wurde von Philips und Sony zur Speicherung von Musik entwickelt und erreichte 1983 die Marktreife. Der Durchmesser soll auf Wunsch des Sony-Vizepräsidenten auf 120 mm festgelegt worden sein, weil Beethovens Neunte Sinfonie (74 Minuten) darauf passen sollte.

Durch zusätzliche Fehlerkorrekturmethoden wurde es möglich, Daten auf einer CD zu speichern.

Die Scheibe heißt CD, wenn sie Musik enthält und in einem CD-Player abspielbar ist. Wenn die Scheibe Daten enthält, heißt sie CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory).

Für Filme, Lexika, Routenplaner und andere große Datenmengen reichte die Kapazität eine CD-ROM bald nicht mehr aus. Die Digital Versatile Disc (etwa digitale vielseitige Disk) kurz DVD wurde entwickelt. „Vielseitig“ deshalb, weil sie gleichermaßen für Daten, Musik und Videos geeignet ist. Die ersten DVD-Laufwerke kamen 1996 in den Handel. 1999 wurden die ersten DVD-Brenner für 2500 DM verkauft. Im Frühjahr 2007 kostete ein DVD-Laufwerk noch 20 Euro, ein Brenner mittlerer Qualität 40 Euro.

Inzwischen reicht die Speicherkapazität von DVDs nicht mehr aus. Der Trend geht zu Filmen im neuen HDTV-Format, die Speicherkapazitäten von bis zu 25 GB benötigen. Die Auflösung ist viel höher. Auf einem Computer- oder Röhrenbildschirm macht das zwar keinen Unterschied, aber auf einem großen HDTV-Fernseher ist der Qualitätssprung im Vergleich zur DVD deutlich.

Zwei konkurrierende Formate wurden von der Industrie entwickelt: Blu-ray und HD-DVD. Blu-ray hat mit 25 GB eine höhere Kapazität als HD-DVD mit 15 GB. Die höhere Kapazität einer Blu-Ray-Disk ist deren Schwachstelle: Sie ist in der Herstellung teurer und im Alltagsgebrauch spürbar empfindlicher. Auch bei den Laufwerken ist Blu-Ray teurer als HD-DVD. Allerdings ist dieser Vergleich mittlerweise irrelevant geworden, denn HD-DVD hat den Wettkampf verloren. Ursache dürften die höheren Verkaufszahlen der Playstation 3 gewesen sein, die standardmäßig mit einem Blu-ray-Laufwerk ausgestattet ist. Microsofts Xbox 360, die optional mit einem HD-DVD-Laufwerk nachgerüstet werden kann, war kein ernster Konkurrent. Immer mehr Filmstudios sind vom HD-DVD-Lager zu Blu-ray gewechselt. Toshiba hat am 20. Februar offiziell den Stopp der HD-DVD-Produktion verkündet.

Allerdings gibt es inzwischen zahlreiche Filme, die auf HD-DVD erschienen sind. Die Firma LG bietet als erste einen Kombi-Brenner an: Eine Technik namens „Super Multi Blue“ liest und schreibt BD, DVD+, DVD-, DVD-RAM und CD, zusätzlich werden auch HD-DVD gelesen. Der Brenner beherrscht auch LightScribe. Mit diesem oder vergleichbaren Geräten ist man für alles gerüstet.

Einen älteren Rechner mit Blu-ray nachzurüsten ist allerdings nicht sinnvoll. Blu-ray stellt höchste Anforderungen an die Rechenleistung des PC und an die Grafikkarte. PCs des Baujahres 2006 oder früher erfüllen die Anforderungen nicht oder nur knapp.

Funktionsprinzip

Ob CD, DVD, Blu-Ray-Disk oder HD-DVD - all diese Datenträger funktionieren nach dem gleichen Prinzip, lediglich die Abstände der Bits unterscheiden sich. Der Datenträger besteht aus mehreren Schichten.

• Bei der industriellen Fertigung wird, ebenso wie bei der Fertigung von Schallplatten, eine genaue Musterscheibe hergestellt, die als Druckstempel oder Gießform verwendet wird. Als Reflexionsschicht wird Aluminium verwendet. Die entstehenden Vertiefungen werden Pits genannt, die verbleibende ebene Fläche zwischen den Pits heißt Land. Wird die Oberfläche mit einem Laser abgetastet, wird der Laserstrahl an den Pits zerstreut (Diffraktion) und von der restlichen Oberfläche (Land) reflektiert. Eine Photodiode empfängt das reflektierte Licht.
• Bei beschreibbaren Rohlingen besteht die reflektierende Schicht aus einem wärmeempfindlichen organischen Material. Durch Erhitzen der Schicht mit einem Laser wird punktweise die Farbe verändert.

Die Daten sind in einer Spirale angeordnet, die von innen nach außen verläuft. Sind wenig Daten auf der Scheibe, bleibt der äußere Teil ungenutzt. Dadurch ist es möglich, kleinere CDs mit 8 cm Durchmesser herzustellen. Zu Werbezwecken werden sogar CDs in rechteckiger Form, noch kleiner als Kreditkarten, hergestellt.

Was bedeuten die Bezeichnungen auf den Verpackungen von CD und DVD Rohlingen?

-	alle CD-Formate und die DVD-Formate vom DVD-Forum
+	alle DVD-Formate von der konkurrierenden DVD-Alliance
±	die DVD-Formate vom DVD-Forum wie auch von der DVD-Alliance
R	Recordable, d. h. beschreibbar (aber nur einmal)
RW	Rewritable, d. h. wiederbeschreibbar (gewöhnlich etwa 30 mal)
RAM	Random Access Memory, d. h. freier, direkter Schreib-/Lesezugriff auf alle Daten
DL	Dual Layer, d. h. zwei Datenschichten pro Seite

Was für beschreibbare Scheiben gibt es?

• Einmalig beschreibbare Scheiben: Die CD-R, DVD-R und DVD+R

Die organische Farbschicht wird punktweise auf 500 bis 700 Grad Celsius erhitzt. Dadurch entsteht ein Bitmuster aus dunklen Punkten auf dem unveränderten hellem Untergrund.

• Mehrfach beschreibbare Scheiben: Die CD-RW, DVD-RW und DVD+RW

Durch gleichmäßiges Erwärmen der gesamten Fläche auf "nur" 200 Grad Celsius kehrt das Material in seinen Urzustand zurück. Die gesamte Schicht verfügt wieder über gleichmäßige Reflexionseigenschaften und kann erneut gebrannt werden.

Weil das Beschreiben von Rohlingen mit Hitze verbunden ist, nennt man den Vorgang „Brennen“. Auch das Laufwerk, der „Brenner“, heizt sich auf. Handelsübliche Brenner sind nicht für den Dauereinsatz gebaut. Deshalb wird empfohlen, nicht mehr als zwei bis maximal drei CD oder DVD nacheinander zu brennen, sonst können die Ergebnisse durch Verformung des Brenners (Wärmeausdehnung) minderwertig sein. Gönnen Sie Ihrem Brenner danach mindestens 30 Minuten Abkühlpause, sonst könnte er Schaden nehmen.

Wie schnell muss ein Laufwerk sein?

Die CDs wurden ursprünglich für die Speicherung von Musik entworfen. Auf jeden Zentimeter Spurlänge passte die gleiche Musikdauer. Weil aber die Außenspur etwa 2,5 mal länger als die Innenspur ist, muss die Drehzahl variieren, um eine gleichmäßige Datenübertragungsrate zu erreichen. Das Abspielen einer Audio-CD beginnt innen mit 520 Umdrehungen pro Minute. Der Lesekopf bewegt sich ganz gemächlich von einer Spur zur nächstäußeren. Dabei verringert sich die Drehzahl allmählich bis auf etwa 210 U/min.

Als Maß für die Geschwindigkeit gilt die „einfache Geschwindigkeit”. Sie wird anhand der Datenübertragungsrate festgelegt:

• Eine Musik-CD liefert 150 kByte/s,
• eine Film-DVD bringt es auf 1350 kByte/s (das ist das 9-fache einer Musik-CD)

Ein DVD-Laufwerk mit 4facher Geschwindigkeit liefert die Daten also ebenso schnell wie ein CD-ROM-Laufwerk mit 4 x 9 = 36-facher Geschwindigkeit.

Sind aber Daten auf der Scheibe, muss der Lesekopf möglichst schnell die gewünschte Position erreichen. Im Mittel braucht der Kopf 50 bis 100 ms, um die gewünschte Spur zu erreichen. Um eine hohe Datenrate zu erreichen, dreht die Scheibe nun rasend schnell. Es werden Drehzahlen bis 10.000 U/min erreicht, was einer Umfangsgeschwindigkeit von 225 km/h entspricht. Zum Vergleich: Ein Automotor erreicht bei Vollgas im Leerlauf etwa 7000 rpm. Wie gut, dass die Scheiben außen keine Sägezähne haben und sich die Schublade normalerweise erst öffnet, wenn die Scheibe stillsteht!

Warum sind so hohe Geschwindigkeiten nötig?
Um ein neues Programm zu installieren, muss das Laufwerk nicht besonders schnell sein. Wenn Sie aber eine Scheibe mit einem Lexikon, einem Telefonbuch oder einem Routenplaner einlegen, wird Ihnen auch ein schnelles Laufwerk möglicherweise nicht schnell genug sein. Wenn Sie massig Platz auf der Festplatte haben, kann man bei vielen Programmen während der Installation wählen, ob die Daten von der DVD (fast) komplett auf die Festplatte kopiert werden sollen.

Bei einem Brenner lohnt es selten, den hohen Preis für den schnellsten verfügbaren Brenner zu zahlen, vielleicht außer wenn Sie täglich mehrere Scheiben brennen wollen. Der zweitschnellste Brenner ist deutlich günstiger und reicht vermutlich auch. Ein DVD-Brenner mit 4x Geschwindigkeit braucht 15 Minuten für eine volle DVD (wobei nicht jede DVD randvoll ist), mit 8x noch 8 Minuten, mit 16x noch 6 Minuten. Rohlinge, die mit den hohen Brenngeschwindigkeiten klarkommen, sind teurer.

Ein externer Brenner ist nur dann sinnvoll, wenn Sie ihn tatsächlich im Wechsel für mehrere PCs verwenden wollen. Einbau-Laufwerke sind billiger (weil das Gehäuse und das Netzteil wegfällt) und schneller: Die USB-Schnittstelle schafft eine Datenübertragungsrate von 40 bis 45 MByte/s, interne Schnittstellen je nach Typ von 100 MB/s bis 300 MB/s.

Beschriftung oder Aufkleber?

CD nicht mit Kuli beschriften oder mit harten Gegenständen misshandeln! Die Oberfläche ist sehr empfindlich! Beschriftung mit einem CD-Marker ist optimal. Faserschreiber von Markenherstellern sind ebenfalls geeignet. Es gibt spezielle beschichtete Rohlinge, die in vielen neueren Tintendruckern bedruckt werden können. Neue Techniken wie „Lightscribe“ oder „Laserflash“ verwenden den vorhandenen Laser. Die Scheibe wird gewendet, damit der Laser nun die Oberseite bearbeiten kann. Das geht aber nur einfarbig, wenn auch mit 256 Helligkeitsabstufungen.

Bei hohen Ansprüchen an Beschriftungsqualität und Lebensdauer gibt es spezielle beschichtete Rohlinge, die etwas teurer sind und die in vielen neueren Tintendruckern bedruckt werden können.

CD-Aufkleber sind aus mehreren Gründen nicht empfehlenswert:

• Bei der hohen Drehzahl sind selbst kleine Unwuchten kritisch und können die CD unlesbar machen.
• Alterung oder Hitze können zu Luftblasen unter dem Label führen, die bei hoher Drehzahl den Laser zerstören.
• Das Label kann sich ablösen und dabei das Laufwerk beschädigen. Besonders bei Hitze (im Auto!) ist die Gefahr groß.

Der Unterschied zwischen CD, DVD, Blu Ray und HD-DVD

Der wesentliche Unterschied zwischen CD und DVD sind die Abstände zwischen den Spuren und zwischen den Bits innerhalb der Spur. Eine DVD hat einen halb so großen Abstand zwischen den Spuren sowie den halben Abstand der Bits innerhalb der Spur.

Der neue Fernsehstandard HDTV hat eine wesentlich höhere Auflösung. Mehr Bildpunkte bedeutet eine größere Datenmenge bei der Speicherung. Deshalb wurde die Weiterentwicklung der DVD notwendig. Durch die Verwendung eines kurzwelligen, blauen Laser wurden kleinere Spurabstände und kleinere Abstände zwischen den Pits möglich, wodurch sich die Speicherkapazität gegenüber der DVD weiter erhöhte.

Nutzbare Kapazität

CD	0,64 GB	einseitig	einschichtig
CD	0,70 GB	einseitig	einschichtig
CD	0,80 GB	einseitig	einschichtig
DVD-RAM	4,70 GB	einseitig	einschichtig
DVD-5	4,70 GB	einseitig	einschichtig
DVD-9	8,50 GB	einseitig	zweischichtig (Dual Layer)
DVD-RAM	9,40 GB	beidseitig	einschichtig
DVD-10	9,40 GB	beidseitig	einschichtig
DVD-17	17,00 GB	beidseitig	zweischichtig (Dual Layer)
HD-DVD	15 GB	einseitig	einschichtig
HD-DVD	30 GB	einseitig	zweischichtig
HD-DVD	45 GB	einseitig	dreischichtig
Blu-ray	25 GB	einseitig	einschichtig
Blu-ray	50 GB	einseitig	zweischichtig
Blu-ray	100 GB	einseitig	vierschichtig

Die Kapazität einer CD-ROM beträgt 640, 700 oder 800 MB, was einer Musik-Abspielzeit von 72, 80 oder 99 Minuten entspricht. Die heute üblichen CD-Rohlinge haben meist eine Kapazität von 700 MB = 80 Minuten Musik.

Eine einfache DVD hat eine Kapazität von 4,7 GB. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kapazität zu erhöhen: Zweischichtige und/oder doppelseitige Datenspuren.

Beidseitige DVDs werden im Presswerk aus zwei einseitigen DVDs zusammengeklebt. Zum Lesen beider Seiten muss die DVD gewendet werden. Einige Laufwerke haben aber auch oben und unten Abtast-Laser. Die Produktion beidseitig beschreibbarer Rohlinge und zugehöriger Brenner war im Standard nie vorgesehen gewesen, und mittlerweile sind auch die industriell gefertigten beidseitigen DVDs aus der Mode gekommen.

Bei einer zweischichtigen DVD liegen zwei Aufzeichnungsebenen auf einer Seite übereinander. Zum Abtasten der zweiten Ebene wird die Laser-Brennweite geändert und der Laser wird schräg gestellt, um durch die Lücke zwischen den oberen Spuren hindurch auf die untere Ebene zu blicken. Allerdings hat die untere, versteckte Schicht nur eine reduzierte Kapazität von 3,8 GB. Zusammen mit der oberen Schicht kommt man auf 8,5 GB.

Bei Blu-ray und HD-DVD können noch mehr Schichten übereinandergestapelt werden. Weil der Laser äußerst dicht an die Scheibe herangerückt ist, kann er genau genug auf die gewünschte Lesetiefe eingestellt werden. Bei HD-DVD sind sogar schon Muster mit 200 GB (acht Schichten) vorgestellt worden.

Auf eine HD-DVD mit 15 GB passen mit modernen Datenkompressionsverfahren bis zu vier Stunden hochauflösender Film.

Praxis-Tipp

Industriell gefertigte DVDs lassen sich auf jedem Gerät wiedergeben. Bei selbstgebrannten DVDs gibt es mitunter Probleme: DVD+R werden von einigen Playern nicht gelesen.

Manchmal sind die Rohlinge von schlechter Qualität. Vor dem Kauf einer größeren Menge Rohlinge sind Tests zu empfehlen. Die Lebensdauer der Daten (und manchmal auch die Kompatibilität zu fremden Playern) kann man verbessern, indem man den Brenner mit gedrosselter Geschwindigkeit betreibt. Da