Speichermedium | |
---|---|
![]() |
|
Allgemeines | |
Name | Hard Disk Drive |
Abkürzung | HDD |
Typ | magnetisch |
Ursprung | |
Erfindungsjahr | 1956 |
Erfinder | IBM |
Eine Festplatte (englisch hard disk drive = HDD) im engeren historischen Sinne ist ein ferromagnetisches Speichermedium der Computertechnik, welches binäre Daten auf die Oberfläche einer rotierenden Scheibe schreibt. Dazu wird die hartmagnetische Beschichtung der rotierenden Plattenoberfläche entsprechend der aufzuzeichnenden Information magnetisiert. Durch die Remanenz erfolgt die Speicherung der Information. Das Auslesen der Information erfolgt durch Abtastung der Magnetisierung der Plattenoberfläche mittels des Lesekopfes. Im weiteren Sinne werden mit vergleichbaren Speicherkapazitäten auch Flash-Speicher und Hybridspeicher funktionsgleich als „Festplatten“ angeboten.
Im Gegensatz zu Disketten bestehen die Scheiben von Festplatten aus starrem Material.
Auf einer Festplatte können beliebige Daten gespeichert werden: Sowohl Dateien des Betriebssystems des Computers oder auch andere, etwa durch Anwendungsprogramme erzeugte persönliche Daten, welche dauerhaft gespeichert werden.
In Abgrenzung zu sequentiell adressierbaren Speichermedien wie Magnetband oder Lochstreifen werden Festplatten den direktadressierbaren Speichermedien (engl. direct access storage devices, DASD) zugerechnet, da auf die Daten direkt zugegriffen werden kann (Vergleich: Tonband ↔ Schallplatte).
Inhaltsverzeichnis |
Die Speicherkapazität einer Festplatte ist die Gesamtzahl an Bits (0 oder 1), die durch die ansteuernde Software, also meist das Betriebssystem oder vielmehr dessen Gerätetreiber, adressiert werden können. Die Kapazität wird normalerweise in Byte gemessen, 8 Bit bilden 1 Byte. Bei der Aufzeichnung erfolgt durch den gewöhnlich im Festplattengehäuse eingebauten Controller eine weitere Kodierung der Daten, weshalb kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den gespeicherten Daten und der daraus folgenden Magnetisierung der Plattenoberfläche besteht.
Der Übersichtlichkeit halber wird die Anzahl Bits in Kilo-, Mega-, Giga- und Terabit bzw. -byte angegeben. Vor allem Festplattenhersteller definieren bei der Angabe der Kapazität ein Gigabyte mathematisch nach Potenzen zur Basis 10, also als 109 Byte = 10003 Byte = 1.000.000.000 Byte. Dem gegenüber steht die Umrechnung von Computerprogrammen, die auf dem traditionellen System, den Potenzen zur Basis 2, basierte: ein Gigabyte wird hier meist als 230 Byte = 10243 Byte = 1.073.741.824 Byte behandelt. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Größenangaben für die Speicherkapazität lassen sich anhand von Binärpräfixen unterscheiden.
Die derzeit (Stand: Mitte 2007) größten Festplatten mit einer Kapazität von 1 Terabyte (1000 GB) sind 3,5-Zoll-Modelle der Hersteller Hitachi, Samsung Electronics, Western Digital und Seagate. Die zeitliche Entwicklung der maximalen Festplattenkapazität zeigt einen annähernd exponentiellen Verlauf, vergleichbar mit der Entwicklung der Rechenleistung nach dem Mooreschen Gesetz. Die Kapazität hat sich etwa alle 5 Jahre verzehnfacht.
Die physikalische Größe von Festplatten wird traditionell in Zoll angegeben und ist keine exakte Größenangabe, sondern ein Formfaktor. So sind beispielsweise 3,5"-Festplatten exakt 100 mm breit, was knapp 4 Zoll entspricht. Die Größe der Magnetscheiben in der Festplatte beträgt maximal den als Formfaktor angegebenen Wert; bei Serverfestplatten mit sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten auch weniger.
Im Zuge der technischen Weiterentwicklung sind immer wieder Baugrößen zu Gunsten kleinerer eingestellt worden, da diese weniger anfällig gegen Erschütterungen sind und weniger Strom verbrauchen. Die Datendichte entwickelt sich hingegen mit so hoher Geschwindigkeit, dass die verringerte Fläche nur eine kurzzeitige Bremse darstellt.
Die erste Festplatte IBM 350 von 1956 hatte eine Baugröße von 24". Mitte der 1970er kamen Modelle mit einer Größe von 8" auf, die ebenfalls recht schnell durch die wesentlich handlicheren und vor allem leichteren 5,25"-Festplatten abgelöst wurden. Dazwischen gab es noch Größen von 14" und 9".
5,25″-Festplatten wurden 1980 von Seagate eingeführt, jedoch ist diese Gattung seit 1997 ausgestorben. Einige SCSI-Server-Platten sowie die LowCost-ATA-Platte BigFoot von Quantum waren die letzten Vertreter dieser Spezies. Man unterscheidet Geräte mit voller Bauhöhe (3,5″ bzw. ca. 88 mm), die zwei Steckplätze belegen, und halber Bauhöhe (1,75″ bzw. ca. 44 mm). Es gibt aber auch Modelle mit noch geringerer Bauhöhe, so hat die bereits erwähnte BigFoot beispielsweise in der 4-GB-Version eine Bauhöhe von nur 0,75" (etwa 19 mm). Die Breite beträgt 146 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 200 mm liegen.
3,5"-Festplatten wurden ca. 1990 eingeführt und sind derzeit (2007) Standard in Desktop-Computern. Im Server-Bereich wurden sie inzwischen durch 2,5"-Modelle abgelöst, die effektiv mehr Daten pro Platz unterbringen können und selbst bei höheren Drehzahlen deutlich weniger Strom verbrauchen. Die meisten Platten haben 1" bzw. ca. 25 mm Bauhöhe. Im Serverbereich gibt es auch Platten bis 1,8" Höhe (1,8" bzw. ca. 44 mm). Die Breite beträgt 100 mm, die Tiefe ist variabel und sollte nicht wesentlich oberhalb von 150 mm liegen. Inzwischen ist auch die Zukunft derartiger Festplatten für den Desktop-Markt fraglich.[1]
2,5"-Baugrößen finden schon seit ihrer Einführung Verwendung in Notebooks oder Spezialrechnern. Die traditionelle Bauhöhe war 0,5" (12,7 mm), mittlerweile gibt es mit 0,375" (9,5 mm) und 0,25" (6,35 mm) flachere Festplatten – und auch Notebooks, die diese flachen Varianten benötigen. Die Breite beträgt 68 mm, die Tiefe 100 mm. Der Anschluss ist gegenüber den größeren Bauformen modifiziert, bei ATA wird z. B. ein 44-poliger Anschluss verwendet, der gleichzeitig die Betriebsspannung von +5 Volt zuführt (Pin 1 ist meist auf der Seite der Jumper). Im Gegensatz zu den größeren Platten kommen diese Platten ohne 12-Volt-Betriebsspannung (zusätzlich zu der 5-Volt-Spannung) aus.
Seit 2006 bietet Seagate und im Weiteren auch andere Hersteller zudem auch 2,5"-Festplatten für den Einsatz in Servern an, die weniger Strom verbrauchen, Platz sparen und die Ausfallsicherheit erhöhen sollen. Weitere Hersteller sind Toshiba, Hitachi und Fujitsu. Seit April 2008 wird von Western Digital mit der Velociraptor auch eine 2,5"-Festplatte (allerdings mit 15 mm Bauhöhe) mit 3,5"-Einbaurahmen als Desktop-Festplatte vermarktet.[2]
1,8"-Baugrößen werden seit 2003 bei Sub-Notebooks sowie diversen Industrieanwendungen verwendet. Ebenso in großen MP3-Playern. Hitachi kündigte Ende 2007 an, keine 1,8″-Festplatten mehr herzustellen, da Flash-Speicher diese Baugröße verdränge.[3]
Noch kleinere Baugrößen spielen kaum eine Rolle. Eine der wenigen Ausnahmen sind die sogenannten Microdrives; Festplatten mit einer Baugröße von 1", die vergleichsweise große und günstige CompactFlash-Typ-II-Speichereinheiten für beispielsweise Digitalkameras ermöglichten. Inzwischen wurden diese nahezu vollständig durch günstigeren Flash-Speicher verdrängt, der darüber hinaus auch wesentlich robuster, schneller, leichter, leiser und Energie sparender ist. Darüber hinaus gab es 2005 kurzzeitig von der Firma Toshiba Festplatte mit einer Baugröße von nur 0,85" und einer Kapazität von 4 GB (3,73 GiB). Diese Modelle waren nur für Spezialanwendungen gedacht und nur in begrenzten Mengen erhältlich.
Jahr | 5,25″ | 3,5″ | 2,5″ | 1,8″ | 1,0″ | 0,85″ | typ. Modell(e) mit hoher Kapazität | Quelle |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1981 | 10 MB | - | - | - | - | - | Seagate ST-412 (Aus dem IBM PC XT) | |
1988 | 360 MB | 20 MB | - | - | - | - | Maxtor XT-4380E (5,25″) bzw. Fuji FK309-26 | |
1990 | 676 MB | 106 MB | - | - | - | - | Maxtor XT-8760E (5,25″) bzw. Conner CP3104 | |
1992 | 2 GB | 426 MB | 120 MB | - | - | - | Digital (DEC) DSP-5200S ('RZ73', 5,25″), Seagate ST1480A (3,5″) bzw. Conner CP2124 (2,5″) | |
1995 | 9,1 GB | 1,6 GB | 422 MB | - | - | - | Seagate ST410800N (5,25″ FH), Conner CFS1621A (3,5″) bzw. Conner CFL420A (2,5″) | |
1997 | 12 GB | 16,8 GB | 4,8 GB | - | - | - | Quantum Bigfoot (12 GB, 5,25″), Nov. 1997, IBM Deskstar 16GP (3,5″) bzw. Fujitsu MHH2048AT (2,5″) | [4] |
2001 | # | 73 GB | 40 GB | - | 340 MB | - | Seagate mit 73 GB | |
2002 | # | 320 GB | - | Maxtor MaXLine-Plus-II (320 GB, 3,5″), Ende 2002 | [5] | |||
2005 | # | 500 GB | 120 GB | 60 GB | 8 GB | 6 GB | Hitachi Deskstar 7K500 (500 GB, 3,5″), Juli 2005 | [6] |
2006 | # | 750 GB * | 200 GB | 80 GB | 8 GB | # | Western Digital WD5000KS, Seagate Barracuda 7200.10 750 GB, u. a. | [7] |
2007 | # | 1.000 GB * | 320 GB * | 160 GB | 8 GB | # | Hitachi Deskstar 7K1000 (1.000 GB, 3,5″), Januar 2007 | [8] |
2008 | # | 1.500 GB * | 500 GB * | 160 GB | # | # | Seagate Barracuda 7200.11 (1.500 GB, 3,5″), August 2008
Samsung Spinpoint M6 HM500LI (500 GB, 2,5″), Juni 2008 |
[9][10] |
Anmerkungen:
Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:
Die Scheiben bestehen meistens aus oberflächenbehandelten Aluminium-Legierungen, vereinzelt auch aus Glas. Sie müssen formstabil sein und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um die Größe der Wirbelströme gering zu halten. Da die magnetisierbare Schicht besonders dünn sein soll, darf das Material der Scheiben selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen und dient nur als Träger der Magnetschicht. Auf die Scheiben wird eine Eisenoxid- oder Kobaltschicht von ungefähr einem Mikrometer Stärke aufgetragen. Diese wird zusätzlich von einer Schutzhülle aus Graphit ummantelt, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Zusätzlich wurde eine Steigerung der Datendichte durch besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der Schreibverfahren erreicht.
In älteren Desktopfestplatten von IBM (Deskstar 75GXP/40GV DTLA-30xxxx, Deskstar 60GXP/120GXP IC35Lxxxx) aus den Jahren 2000 bis 2002 kam Glas als Material für die Scheiben zum Einsatz. Neuere Modelle der Festplattensparte von IBM (2003 übernommen durch Hitachi) verwenden jedoch wieder Aluminium, mit Ausnahme der Festplatten für den Serverbereich. In dem Festplattengehäuse befindet sich eine oder mehrere übereinander liegende rotierende Scheiben. Verbaut wurden bisher ein bis zwölf Scheiben, üblich sind ein bis fünf. Eine höhere Scheibenanzahl geht in der Regel mit höherem Energieverbrauch und größerer Geräuschentwicklung einher. Manchmal werden aus Platzgründen oder um ein Modell mit einer geringeren Kapazität anzubieten, ohne extra andere Platten herzustellen, nicht alle Scheibenoberflächen genutzt, so dass Festplatten mit ungerader Schreib-/Lesekopfanzahl entstehen. Um die Nachfrage nach Festplattenmodellen mit kleinerer Kapazität zu befriedigen, können die Hersteller ebenfalls auf diese Weise die Kapazität künstlich beschränken bzw. verkleinern. Eine neuere Entwicklung (seit 2004) ist das Perpendicular Recording, um die Datendichte weiter zu steigern. Seit Erscheinen der ersten 3,5" HD mit dieser Technik im Jahre 2006, der Cheetah 15K.5 von Seagate, wurde die Technik schnell von weiteren großen Herstellern übernommen und ist häufig in den 2008 käuflichen Festplatten implementiert.
In Arbeitsplatzrechnern oder Privat-PCs verwendete Festplatten – momentan zum größten Teil Platten mit ATA- oder SATA-Schnittstelle – rotieren mit Geschwindigkeiten von 5.400 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute. Vor der Zeit der ATA-Festplatten und im Bereich der Hochleistungsrechner und Server wurden bisher überwiegend Festplatten mit den technisch überlegenen SCSI-, FC- oder SAS-Schnittstellen verwendet, die inzwischen in der Regel 10.000 oder 15.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei den 2,5-Zoll-Festplatten, die hauptsächlich in Notebooks zum Einsatz kommen, liegen die Geschwindigkeiten im Bereich von 4.200 bis 7.200 Umdrehungen pro Minute. Die Achsen der Scheiben früherer Festplatten (bis 2000) waren kugelgelagert; heute (2006) werden überwiegend hydrodynamische Gleitlager (engl. „fluid dynamic bearing“ – FDB) verwendet. Diese zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer, geringere Geräuschentwicklung und geringere Herstellungskosten aus.
Der Schreib-/Lesekopf (Magnetkopf) des Schreibfingers, im Prinzip ein winziger Elektromagnet, magnetisiert winzige Bereiche der Scheibenoberfläche unterschiedlich und schreibt somit die Daten auf die Festplatte. Die Schreib-/Leseköpfe schweben durch ein – durch Reibung der Luft an der rotierenden Scheibenoberfläche erzeugtes – Luftpolster über der Plattenoberfläche (vgl. Bodeneffekt). Die Schwebehöhe liegt heutzutage (2006) im Bereich von etwa 20 Nanometern, sodass die Luft innerhalb des Festplattengehäuses keinerlei Verunreinigungen enthalten darf. Bei neuesten Festplatten mit Perpendicular-Recording-Technik schrumpft dieser Abstand auf 10 Nanometer. Der Bodeneffekt ist in diesem Zusammenhang sehr nützlich zur Einhaltung der richtigen Flughöhe des Schreib-/Lesekopfes über der rotierenden Scheibe. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 0,05 mm = 50 µm = 50.000 nm dick. Die Herstellung von Festplatten erfolgt deshalb wie die von Halbleitern in Reinräumen. Die Daten wurden bis ca. 1994 durch Induktion des Magnetfelds der magnetisierten Fläche in der Spule des Schreib-/Lesekopfes ausgelesen. Über die Jahre wurden jedoch aufgrund der steigenden Datendichte die Flächen, auf denen einzelne Bits gespeichert werden, immer kleiner. Um diese Daten auszulesen, werden kleinere und empfindlichere Leseköpfe benötigt. Diese wurden nach 1994 entwickelt: MR-Leseköpfe sowie einige Jahre später GMR-Leseköpfe (Riesenmagnetowiderstand). Der GMR-Lesekopf ist eine Anwendung der Spintronik.
In der Anfangszeit der Festplatten wurden die Schreib-/Leseköpfe mit Schrittmotoren angesteuert, da die Spurabstände noch groß waren. Bei den zur Zeit üblichen Schreibdichten sorgen Tauchspulsysteme mit Lageregelung für die Positionierung. Bei der Hitachi Deskstar 7K500 beträgt die Anzahl der Spuren pro Zoll (tpi) z. B. 135.000, während die Bitdichte in der Spur (bpi) 872.000 beträgt.
Zum Schutz der Scheiben-Oberflächen vor dem Aufsetzen der Schreib-/Leseköpfe fahren diese, noch bevor sich beim Ausschalten der Festplatte die Umdrehungsgeschwindigkeit merklich verringert hat, in die so genannte „Landezone“ („landing zone“), in der sie fixiert werden. Diese Parkposition kann sich außerhalb der Scheiben befinden oder im Innenbereich der Platten. Dabei setzt der Schreib-/Lesekopf auf einem vordefinierten Bereich der Festplatte auf, der keine Daten enthält. Die Oberfläche dieses Bereichs ist besonders vorbehandelt, um ein Festkleben des Kopfes zu vermeiden und so einen späteren Wiederanlauf der Festplatte zu ermöglichen. Die Fixierung geschieht z. B. über einen kleinen Magneten, der den Lesekopf festhält.
Bei älteren Festplatten wurden die Schreib-/Leseköpfe bei fast allen Modellen aus den Plattenstapel herausgefahren. Später (1990er, 2000er) wurde zunehmend die Parkposition im Innenbereich bevorzugt. Heutzutage (2008) kommen beide Verfahren vor, sowohl bei Notebook-Platten als auch bei Desktop-Platten. Bei Notebook-Platten bietet die Parkposition außerhalb des Plattenstapels zusätzlichen Schutz vor Beschädigung der Oberfläche der Scheiben bei Transport (Erschütterung) der Festplatte.
Bei älteren Festplatten mussten die Köpfe explizit vor dem Ausschalten per Befehl vom Betriebssystem geparkt werden. Das Parken erhöht auch die Stoßfestigkeit der Festplatten für einen Transport oder Umbau. Doch auch moderne Festplatten müssen mitunter explizit geparkt werden, da der beschriebene automatische Parkmechanismus nach Wegfall der Versorgungsspannung zu einem erhöhten Verschleiß führen kann.[11] Heutzutage wird dieser Befehl automatisch beim Herunterfahren des Systems vom Gerätetreiber abgesetzt.
Bei modernen Laptops sorgt ein Beschleunigungssensor für das Parken des Festplattenfingers noch während eines eventuellen freien Falls, um so den Schaden beim Sturz eines Rechners zu begrenzen.
Das Gehäuse einer Festplatte ist sehr massiv, es ist meist ein aus einer Aluminiumlegierung bestehendes Gussteil und mit einem Edelstahl-Blechdeckel versehen.
Es ist staub-, aber nicht luftdicht abgeschlossen: Durch eine mit einem Filter versehene kleine Öffnung kann bei Temperaturänderungen oder anders verursachten Luftdruckschwankungen Luft ein- oder austreten, um so die Druckunterschiede auszugleichen. (Diese Öffnung – siehe nebenstehende Abbildung – darf nicht verschlossen werden, vor allem wegen der Wärmeausdehnung der im Plattengehäuse vorhandenen Luft.) Da der Luftdruck im Gehäuse mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel abnimmt, zum Betrieb aber ein Mindestdruck erforderlich ist, durften diese Festplatten nur bis zu einer bestimmten, maximalen Höhe betrieben werden. Diese ist in der Regel im zugehörigen Datenblatt vermerkt. Die Luft ist erforderlich, um die direkte Berührung von Lesekopf und Festplatte zu verhindern, siehe oben bei Die Schreib-Lesekopfeinheit.
Bei neueren Laufwerken wurde der Filter durch eine elastische Membran ersetzt, die das System durch Aufwölben in die eine oder andere Richtung an wechselnde Druckverhältnisse anpassen kann.
Wird eine Festplatte in normaler, verunreinigter Luft geöffnet, sorgen bereits kleinste Staub-/Rauchpartikel, Fingerabdrücke etc. für wahrscheinlich irreparable Beschädigungen der Plattenoberfläche und der Schreib-/Leseköpfe.
Das Speichern der Daten auf einer Festplatte erfolgt durch die gezielte Magnetisierung kleinster – vom Schreibfinger angesteuerter – Flächen der permeablen Schicht ferromagnetischen Materials, die entsprechend ihrer Polarität (Nord/Süd) den elektronisch-binär interpretierten Wert 0 oder 1 annehmen. Beim Lesen der jeweiligen Sequenzen von 0- und 1-Werten werden die Informationen dekodiert und an das Betriebssystem übergeben. Sie werden vom Prozessor des Computers ausgewertet und weiterverarbeitet. Entsprechend umgekehrt geht das Schreiben der vorher vom Prozessor erstellten Daten vonstatten.
Vor dem Schreiben werden die Daten mittels spezieller Verfahren, wie den früher üblichen GCR, MFM, RLL und heute üblichen PRML oder EPRML, kodiert. Ein Bit der Anwenderdaten entspricht daher physikalisch nicht unmittelbar einem magnetischen Flusswechsel auf der Plattenoberfläche. Die Kodierung muss der Festplattencontroller vornehmen, zusammen mit dem Verwalten der Daten (Organisation der Daten in Blöcke) und dem Führen des Schreib-/Lesekopfes über die Spuren.
Sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen muss vor dem Zugriff auf einen bestimmten Block der Schreib-/Lesekopf der Platte bewegt und anschließend abgewartet werden, bis durch die Rotation der Platte dieser Block unter dem Kopf vorbeigeführt wird. Diese mechanisch bedingten Verzögerungen liegen heutzutage bei ca. 5–10 ms, was nach Maßstäben anderer Computerhardware eine kleine Ewigkeit ist. Daraus ergibt sich die extrem hohe Latenzzeit von Festplatten im Vergleich zu RAM, die noch auf der Ebene der Softwareentwicklung und der Algorithmik berücksichtigt werden muss.
Um eine hohe Leistung zu erreichen, muss eine Festplatte, soweit möglich, immer große Mengen von Daten in aufeinander folgenden Blöcken lesen oder schreiben, weil dabei der Schreib-/Lesekopf nicht neu positioniert werden muss.
Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass möglichst viele Operationen im RAM durchgeführt und auf der Platte die Positionierung der Daten auf die Zugriffsmuster abgestimmt werden. Dazu dient vor allem ein großer Cache als Teil der Festplattenelektronik, auf dessen Inhalt mit RAM-Geschwindigkeit zugegriffen werden kann. Die Firmware der Festplatte sorgt für die korrekte Verwaltung und Aktualisierung des Cache-Inhalts. Zusätzlich zum Hardware-Cache gibt es in allen modernen Betriebssystemen noch einen Disk Cache oder VCache genannten Cache im Arbeitsspeicher.
Neben der Verwendung eines Caches gibt es weitere Software-Strategien zur Performance-Steigerung. Sie werden vor allem in Multitasking-Systemen wirksam, wo das Festplattensystem mit mehreren bzw. vielen Lese- und Schreibanforderungen gleichzeitig konfrontiert wird. Es ist dann meist effizienter, diese Anforderungen in eine sinnvolle neue Reihenfolge zu bringen. Die Steuerung erfolgt durch einen Festplatten-Scheduler. Das einfachste Prinzip hierbei verfolgt dabei dieselbe Strategie wie eine Fahrstuhlsteuerung: Die Spuren werden zunächst in einer Richtung angefahren und die Anforderungen beispielsweise nach monoton steigenden Spurnummern abgearbeitet. Erst wenn diese alle abgearbeitet sind, kehrt die Bewegung um und arbeitet dann in Richtung monoton fallender Spurnummern usw.
Auf einer tieferen Ebene optimiert man den Datenzugriff durch Interleaving, was bei modernen Festplatten aber nicht mehr notwendig ist.
Die Magnetisierung der Beschichtung der Scheiben ist der eigentliche Informationsträger. Sie wird vom Schreib/Lesekopf auf kreisförmigen, konzentrischen Spuren aufgebracht, während die Scheibe rotiert. Eine Scheibe enthält typischerweise einige tausend solcher Spuren, meist auch auf beiden Seiten. Die Gesamtheit aller gleichen, d. h. übereinander befindlichen, Spuren der einzelnen Platten(oberflächen) nennt man Zylinder. Jede Spur ist in kleine logische Einheiten unterteilt, die man Blöcke nennt. Ein typischer Block enthält 512 Byte an Nutzdaten (Anwenderdaten). Jeder Block verfügt dabei über Kontrollinformationen (Prüfsummen), über die sichergestellt wird, dass die Information auch korrekt geschrieben oder gelesen wurde. Die Gesamtheit aller Blöcke, die die gleichen Winkelkoordinaten auf den Platten haben, nennt man Sektor. Der Aufbau eines speziellen Festplattentyps, das heißt, die Anzahl der Spuren, Oberflächen und Sektoren, wird auch als Festplattengeometrie bezeichnet. Verwirrenderweise wird der Begriff Sektor häufig fälschlicherweise auch synonym für Block verwendet.
Da manche Betriebssysteme zu früh an Grenzen stießen, als die Nummerierung der Blöcke bei steigenden Festplattenkapazitäten die Wortgrenze (16 Bit) überstieg, führte man Cluster ein. Das sind Gruppen von jeweils einer festen Anzahl an Blöcken (z. B. 32), die sinnvollerweise physisch benachbart sind. Das Betriebssystem spricht dann nicht mehr einzelne Blöcke an, sondern verwendet auf seiner (höheren) Ebene diese Cluster als kleinste Zuordnungseinheit. Erst auf Hardwaretreiber-Ebene wird dieser Zusammenhang aufgelöst.
Bei modernen Festplatten ist normalerweise die wahre Geometrie, also die Anzahl an Sektoren, Köpfen und Zylindern, die vom Festplatten-Controller verwaltet werden, nach außen (d. h. für den Computer bzw. den Festplattentreiber) nicht sichtbar. Der Computer, der die Festplatte benutzt, arbeitet dann mit einer virtuellen Festplatte, die völlig andere Geometriedaten aufweist. Dies erklärt, warum zum Beispiel eine Festplatte, die real nur vier Köpfe aufweist, vom Computer mit 255 Köpfen gesehen wird. Ein Grund für dieses virtuelle Konzept ist, dass man Begrenzungen von PC-kompatibler Hardware überwinden wollte. Weiterhin kann der Festplatten-Controller dadurch defekte Blöcke ausblenden, um dann einen Block aus einem Reserve-Bereich einzublenden. Für den Computer sieht es immer so aus, als wären alle Blöcke defektfrei und nutzbar. Es wird vermutet, dass besagter Reserve-Bereich bzw. Reserve-Spuren ca. 10–20 % des auf der Festplatte angegebenen Speicherplatzes ausmachen. Dieser Speicherplatz lässt sich durch spezielle Firmware-Varianten nutzen, was dann aber logischerweise die Lebensdauer der Festplatte (bzw. die Datensicherheit) reduziert. Heute übliche Festplatten teilen weiterhin die Platten in Zonen auf, wobei eine Zone mehrere Spuren mit jeweils der gleichen Anzahl an Blöcken enthält.
Aus Sicht des Betriebssystems können Festplatten durch Partitionierung in mehrere Bereiche unterteilt werden. Das sind keine echten Laufwerke, sondern werden vom Betriebssystem als solche dargestellt. Man kann sie sich als virtuelle Festplatten vorstellen, die durch den Festplattentreiber dem Betriebssystem gegenüber als getrennte Geräte dargestellt werden. Abgesehen von zeitlichen Effekten sowie dem Verhalten im Falle des Festplattenausfalls ist nicht erkennbar, ob es sich um eine physikalisch getrennte Festplatte oder lediglich um ein logisches Laufwerk handelt.
Jede Partition wird vom Betriebssystem gewöhnlich mit einem Dateisystem formatiert. Unter Umständen werden, je nach benutztem Dateisystem, mehrere Blöcke zu Clustern zusammengefasst, die dann die kleinste logische Einheit für Daten sind, die auf die Platte geschrieben werden. Das Dateisystem sorgt dafür, dass Daten in Form von Dateien auf die Platte abgelegt werden können. Ein Inhaltsverzeichnis im Dateisystem sorgt dafür, dass Dateien wiedergefunden werden und hierarchisch organisiert abgelegt werden können. Der Dateisystem-Treiber verwaltet die belegten, verfügbaren und defekten Cluster. Ein Beispiel für ein Dateisystem ist das (von MS-DOS und Windows 9x ausschließlich unterstützte) FAT-Dateisystem.
Um die Lautstärke der Laufwerke beim Zugriff auf Daten zu verringern, unterstützen die meisten für den Desktop-Einsatz gedachten ATA- und SATA-Festplatten „Automatic Acoustic Management“ (AAM). Wird die Festplatte in einem leisen Modus betrieben, werden die Schreib/Leseköpfe weniger stark beschleunigt, so dass die Zugriffe leiser sind. Das Laufgeräusch des Plattenstapels sowie die Daten-Transferrate wird davon nicht verändert, jedoch verlängert sich die Zugriffszeit.
Als Schnittstelle der Festplatte zum Computer wird heute im Desktop-Bereich hauptsächlich die serielle SATA (oder S-ATA)-Schnittstelle eingesetzt. Bis vor kurzem war hier noch die parallele ATA (oder IDE, EIDE)-Schnittstelle üblich. Bei professionellen Servern und Workstations sind SCSI (parallel), Fibre-Channel und SAS (beide seriell) üblich.
Ältere, heute nicht mehr erhältliche, Schnittstellen sind ST506 (mit den Modulationsstandards MFM, RLL und ARLL) und ESDI.
Die Mainboards waren lange Zeit mit meist zwei ATA-Schnittstellen versehen, inzwischen - teilweise zusätzlich, teilweise stattdessen - mit bis zu 10 SATA-Schnittstellen.
Ein vergleichbarer Wandel ist im Bereich der Server bzw. Speicher-Subsysteme zu erkennen. Neben den noch oft verwendeten SCSI-Festplatten werden mehr und mehr serielle Typen wie Fibre-Channel- oder SAS-Festplatten eingesetzt.
Ein prinzipielles Problem bei parallelen Übertragungen ist, dass es mit zunehmender Geschwindigkeit immer schwieriger wird, unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Bits durch das Kabel zu korrigieren. Daher stoßen die parallelen Schnittstellen mittlerweile an ihre Grenzen; diese Einschränkung fällt bei seriellen Übertragungstechniken weg, womit höhere Übertragungsraten möglich werden.
Bei einer ATA-Festplatte wird durch Jumper festgelegt, ob sie das Laufwerk mit Adresse 0 oder 1 der ATA-Schnittstelle ist (Device 0 bzw. 1, oft auch mit Master bzw. Slave bezeichnet). Manche Modelle erlauben auch eine Beschränkung der an das Betriebssystem bzw. BIOS gemeldeten Kapazität des Laufwerks, wodurch die Festplatte im Falle von Inkompatibilitäten dennoch (unter Verschenkung des nicht gemeldeten Plattenplatzes) in Betrieb genommen werden kann.
Durch die Festlegung der ATA-Bus-Adresse können zwei Festplatten an einer ATA-Schnittstelle des Mainboards angeschlossen werden. Die meisten Mainboards haben zwei ATA-Schnittstellen, genannt primary ATA und secondary ATA, also „erste“ und „zweite ATA-Schnittstelle“. Daher können insgesamt bis zu vier Festplatten an beide ATA-Schnittstellen der Hauptplatine angeschlossen werden. Ältere BIOS von Hauptplatinen erlauben es nur, den Computer von der ersten ATA-Schnittstelle zu starten, und auch nur, wenn die Festplatte als Master gejumpert ist.
Die ATA-Schnittstellen werden jedoch nicht nur von Festplatten, sondern auch von CD-ROM- und DVD-Laufwerken genutzt. Somit ist (ohne Zusatzkarte) die Gesamtzahl von Festplatten plus ladbaren La