Wie werden Daten gespeichert?

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Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Speichermedium?

Willkommen zur Selbstlerneinheit "Wie werden Daten gespeichert?" In dieser Einheit wirst du unterschiedliche Speichermedien kennenlernen, auf denen du deine Daten speichern kannst. Zunächst sollten wir aber klären was ein überhaupt Speichermedium ist.

In diesem Buchstabensalat sind insgesamt 5 Speichermedien entdeckt. Finde sie! Du wirst überrascht sein.

(Waagrecht (von links nach rechts), senkrecht (von oben nach unten) und schräg (von links unten nach rechts oben oder von oben links nach unten rechts), gefundene Wörter werden grün markiert)

Festplatte
Papier
Teppich
Musikkassette
DVD
Du findest nicht alle Begriffe? Dann kannst du hier die Lösung einblenden!

Was macht also ein Speichermedium aus?

Zunächst ein mal ist ein Speichermedium ein Gegenstand auf dem Informationen (ein Text, ein Bild, ein Video, ein Computer-Programm o. Ä.) gespeichert und wieder gelesen werden können. Hierbei ist es zunächst irrelevant aus welchem Material der Gegenstand besteht und ob die Information direkt (d.h. ohne Dekodierung oder ein Hilfsmittel wie etwa ein Computer) abgelesen werden können.

So kann mit einem Stift auf einem Blatt Papier die Anschrift einer Person "abgespeichert" werden oder in einem Teppich ein Bild eingeknüpft sein. Wohingegen für das Beschreiben einer Digital Versatile Disc (kurz: DVD) ein DVD - Brenner und für das Lesen ein DVD - Spieler nötig ist.

Man kann also grob unterscheiden zwischen technischen Speichermedien und nichttechnischen Speichermedien. Wobei in dieser Unterrichtseinheit technische Speichermedien behandelt werden sollen, insbesondere wie Daten aus physikalischer Sicht gespeichert und gelesen werden können.

Dabei lassen sich diese teschnischen Medien auf folgende Art unterteilen:

  1. Mechanische Speicherung
  2. Optische Speicherung
  3. Elektronische Speicherung
  4. Magnetische Speicherung

Vielleicht hast du ja auch schon in etwa Vorstellungen wie diese einzelnen Speicherungen funktionieren. Deshalb versuche im folgenden Spiel die unterschiedlichen Medien den zuvor genannten Kategorien zuzuordnen.

Analog oder Digital

Heutzutage wird oft von digital gesprochen. Doch was bedeutet eigentlich digital? Den Unterschied zu kennen zwischen Digital- und Analogsignal ist auch im Zusammenhang mit Speichermedien wichtig. Denn es gibt Speichermedien die ihre Daten digital speichen und es gibt welche, die ihre Daten analog speichern. Mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen. Schaue dir aus diesem Grund das folgende YouTube-Video an.

Das Video hat sich zwar auf Audiosignale bezogen. Jedoch wird auf diese Art jedes Signal digitalisiert, also auch Signale die in deinem PC stattfinden.

Im Video wurde unter anderem die Treppenform gezeigt. Nun kann man noch einen Schritt weiter gehen und sagen, das alle Werte die unter einem bestimmten Wert sind werden der 0 zugeordnet und alle Werte die darüber oder gleich sind bekommen den Wert 1. Somit ist man bei der sogenannten Binärcodierung eines Signals. Dabei ist zu beachten, dass es Aufgabe der Software ist, wie die Folge von Nullen und Einsen zu interpretieren ist und sie dem Benutzer (dir) lesbar/hörbar darzustellen.

Mechanische Speicherung am Beispiel einer Schallplatte

Sicherlich hast du schon einmal eine Schallplatte gesehen. Dabei ist dir vielleicht aufgefallen, dass diese sehr viele Rillen besitzt. Grundsätzlich dienen Schallplatten, wie der Name bereits vermuten lässt, Schall wiederzugeben. Sie stellt übrigens eine Art der analogen Speicherung dar.

Wie kann ich eine Schallplatte lesen?

Eine sogenannte Abtastnadel wird auf die sich drehende Schallplatte gesetzt. Nun fährt sie entlang der spiralförmigen Rillen und wird dabei in Schwingung versetzt. Diese Schwingung wird in einem sogenannten Wandler, der Teil des Schallplattenspielers ist in elektrische Spannung gewandelt. Diese wird wiederum als Tonsignal ausgegeben.

Das folgende Bild[1] zeigt die Rillen in denen sich die Abtastnadel bewegt unter einem Rasterelektronenmikroskop. Diese sind eben wie eine Spirale auf der Platte und setzen die Nadel in Schwingungen.

Langspielplatte unter dem Rasterelektronenmikroskop

Wie kann man denn nun eigentlich eine Schallplatte beschreiben?

Das Beschreiben einer Schallplatte funktioniert auf eine sehr simple Art und Weise. Die benötigten Rillen werden schlicht in die unbeschriebene (glatte) Platte eingepresst. Hierbei wird auch schon der Nachteil einer Schallplatte (und auch sonstiger mechanischer Speichermedien) deutlich. Sie lassen sich im Wesentlich nur einmalig beschreiben.

Magnetische Speicherung am Beispiel einer Festplatte

Wenn du einen PC benutzt und dort Daten speicherst (wie bspw. deine Textdokumente, Bilder, Videos), dann speicherst du sie mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einer Festplatte (auch HDD, aus dem Englischen für Hard - Drive - Disk). Solltest du eine SSD besitzen, so funktioniert diese nach einem anderen Prinzip. Diese ist ein elektronisches Speichermedium.

Doch wie funktioniert nun so eine Festplatte eigentlich? Grundsätzlich werden deine Daten digital auf der Festplatte gespeichert. Zunächst kannst du dir die Festplatte wie viele kleine Magneten vorstellen und wie du sicherlich weißt, hat ein Magnet einen Nord und Südpol. Je nachdem welchen Pol man "liest" wird er als 0 oder 1 interpretiert. Dazu später aber genaueres. Wenn du eine Festplatte kaufst, wirst du zunächst nicht viel von der eigentlichen Technik sehen, denn diese ist so in einem Gehäuseverbaut, dass auf keinen Fall Dreck, Staub oder ähnliches an diese gelangt. Dies würde nämlich zu Beschädigungen an der Festplatte führen und somit unbrauchbar machen. Wenn du trotzdem einmal eine Festplatte öffnest (bitte niemals machen, wenn du sie weiter benutzen möchtest, denn danach ist sie kaputt/nicht mehr brauchbar) wirst du folgendes vorfinden: Aufbau einer Festplatte

Eine Festplatte besteht also aus:

  1. mehreren Platten, die magnetisierbar sind, auf denen die eigentlichen Daten gespeichert werden
  2. einer Spindel, ähnlich einem Stab, auf dem die Platten "gestapelt" sind
  3. einem Schreib- bzw. Lesearm
  4. einem Kopf am Schreib-/Lesearm, der eine Spule enthält
  5. einer Achse an der der Arm beweglich befestigt ist
  6. einen Antrieb für den Arm
  7. und natürlich den Anschlüssen für die Festplatte

Ein weiterer wichtiger Punkt beim Aufbau der Festplatte ist, dass der Abstand zwischen Lese-/Schreibkopf und der Platte sehr, sehr klein ist. Dieser ist so klein, dass kein Staubkorn dazwischen passen würde und trotzdem berühren sich Platte und Kopf nicht. Im Betrieb werden sich Platte und Kopf auch niemals berühren, denn durch die hohe Geschwindigkeit mit der sich die Platten drehen bildet sich ein Luftwirbel zwischen Kopf und Platte, sodass der Kopf sozusagen auf einem Luftkissen aufliegt. Sollte es doch zum Berühren von Kopf und Platte kommen, wird die Festplatte beschädigt und ist somit unbrauchbar.


Wie funktioniert nun das Schreiben auf eine Festplatte?

Dazu wird der Motor den Arm über die Platte fahren und nun betrachten wir genauer, was mit dem Arm (im Besonderen dem Kopf) und der Platte geschieht:

Schreibvorgang einer Festplatte
Was nun geschieht ist, dass durch den Kopf, der eine Spule enthält ein Strom fließt. Dadurch entsteht ein Magnetfeld am unteren Ende des Kopfes, welches die Platte an der Stelle über der sich der Kopf befindet auch magnetisiert. Und je nachdem in welche Richtung der Strom fließt, wird der Bereich entweder ähnlich einem Nordpol oder einem Südpol eines Magneten geladen. Was wie eingangs erwähnt mit einer 1 oder 0 identifiziert werden kann.


Wie funktioniert nun das Lesen der Festplatte?

Zunächst wird wie beim Schreibvorgang der Arm mit Hilfe des Motors über den zu lesenden Bereich gefahren. Dadurch, dass die Platte an dieser Stelle bereits magnetisiert ist. Wird dieser Bereich die Spule im Kopf magnetisieren, wodurch eine kleine Spannung entsteht. Es wird also ein Strom fließen im Lesearm fließen. (Dieses Phänomen nennt man Induktion). Somit kann wie beim Schreibvorgang auch, je nach Richtung des Stroms entschieden werden, ob es sich um eine 0 oder eine 1 handelt.

Wie werden meine Daten aber gefunden?

Ein Problem gibt es nun noch, wenn du etwas Schreiben oder Lesen möchtest, woher weiß der Kopf denn wo er hin muss um den passenden Bereich zu lesen oder zu schreiben? Um dieses Problem zu beheben hat man die Festplatte in mehrere Bereiche eingeteilt.

Disk-structure2.svg
Dazu wurden zunächst Spuren (mit A im Bild gekennzeichnet) auf der Platte eingeführt, welche von außen nach innen gelesen werden. Da in einer Festplatte mehrere solcher Platten übereinander liegen, nennt man einen Bereich von Spuren mehrerer Platten Zylinder. Jede Spur wiederum besteht aus vielen kleinen Blöcken (im Bild C, rot-blau markiert). Die Blöcke aller Platten, die an gleicher Stelle sind nennt man Sektor (im Bild B und blau markiert).

Über diese zusätzlichen Informationen lassen sich einzelne Bereiche der Festplatte sehr schnell finden und damit beschreiben oder lesen.

Elektronische Speicherung

Die elektronische Speicherung ist eine Art der Speicherung wie sie auch in deinem USB-Stick, deiner SD-Karte, im RAM (Random-Access-Memory) und auch in deiner SSD (Solid-State-Disk) vorkommt.

Grundsätzlich kannst du dir diese Speicherung vorstellen, wie viele kleine Wassertürme, die entweder Wasser enthalten oder leer sind. Nur nennen wir diese Bauteile nun nicht Wassertürme, sondern Transistoren und diese können nun Ladung enthalten oder nicht. Somit können wir sozusagen eine 1 (geladen) oder eine 0 (nicht geladen) speichern.


Wie aber genau funktioniert so ein Transistor?

Hierzu betrachten wir einen Transistor wie er in Flash-Speichern vorkommen kann, also z.b. deinem USB-Stick. Um genau zu sein handelt es sich dabei um einen so genannten "Floating-Gate Transistor". Ein solcher Transistor besteht aus einem Floating-Gate, einem Control-Gate und aus jeweils einem Source und einem Drain. Dabei ist der Transistor nach folgendem Schema aufgebaut:

Schema eines Floating-Gate Transistor

Es gilt dabei zu beachten, dass die einzelnen Bauteile mit Hilfe eines isolierenden Materials voneinander getrennt werden. Die Ladung wird dabei auf dem Floating-Gate gespeichert.


Wie können nun Daten gelesen werden?

Hierbei wird eine relativ niedrige Spannung (in der Regel 3,3 V) an den Source und Drain Anschlüssen angelegt. Befinden sich auf dem Floating-Gate nun Ladungen kann ein Strom zwischen Source und Drain fließen, dies kann nun als 1 gelesen werden. Wenn das Floating-Gate jedoch keine Ladung enthielt fließt auch kein Strom zwischen Source und Drain und kann somit als 0 gelesen werden.


Wie werden darauf nun Daten gespeichert?

Die Aufgabe besteht nun also Ladungen auf das Floating-Gate zu bringen (=> geladen und somit eine logische 1) oder Ladungen zu entfernen (=> Daten löschen und somit eine logische 0). Wir wollen nun also zunächst etwas speichern. Dazu müssen wir also Ladung auf das Floating-Gate schaffen. Damit unsere Ladung also durch das isolierende Material auf das FLoating-Gate kommt, müssen wir eine relativ hohe Spannung zwischen Source und Control-Gate (10-18 V) anlegen. Dies ist nun so stark, dass die Ladungen die Barriere des isolierenden Materials überwinden können und somit zwischen Source und Control-Gate über das Floating-Gate fließen. Diesen Effekt nennt man in der Physik übrigens Tunneleffekt[1]. Wird nun die Spannung wieder weggenommen verbleibt Ladung auf dem FLoating-Gate.

Wie können wir nun unsere Daten wieder löschen, also die Ladung vom Floating-Gate entfernen? Dies geschieht, indem diesmal am Drain eine relativ hohe Spannung (10-18 V) angelegt wird. Auch hier ist die Spannung wieder so hoch, dass die Ladung auf dem Floating-Gate das isolierende Material überwindet und über den Drain abfließt. Bis unser Floating-Gate eben keine Ladung mehr enthält.

Vielleicht hilft dir zum besseren Merken des Konzepts auch die deutsche Übersetzung von Source und Drain weiter. Source heißt Quelle und Drain Abfluss. Womit wir auch wieder eine Analogie zu unserem Wasserturm finden, der über die Quelle gefüllt wird und über den Abfluss geleert.

Unser USB-Stick besteht nun also aus ganz vielen solcher Floating-Gate Transistoren. Mit ähnlichen Transistoren arbeiten aber auch die SSD und der RAM.

Optische Speicherung

Wenn du bereits verstanden hast, wie die mechanische Speicherung funktioniert. Dann wird es dir ein leichtes sein die optische Speicherung zu verstehen.

Du kennst sicherlich auch schon eine optische Speichermedien, wie die CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory) oder die DVD-ROM (Digital Versatile Disk - Read Only Memory).

Hierbei unterscheidet man im Wesentliche je nach Speichermedium zwischen -ROM, -R, -RW. Dies erkennst du eben an dem Zusatz z.b. bei CD-ROM oder CD-R oder CD-RW.

Doch was bedeutet das?

  1. -ROM: Dies steht wie oben schon erwähnt für Read Only Memory. Das heißt so viel wie, dass die CD einmal beschrieben werden kann und immer wieder gelesen werden kann.
  2. -R: Dies steht für Recordable. Dieser Typ kann auch nur einmal beschrieben werden, jedoch mit einem anderen Verfahren (dazu weiter unten mehr), und immer wieder gelesen werden.
  3. -RW: Dies steht für ReWriteable, also wiederbeschreibar. Hier können wiederholt Daten auf den Datenträger geschrieben werden und auch wiederholt ausgelesen werden.

Um zu verstehen wie optische Speichermedien funktionieren, solltest du zunächst verstehen wie sich Licht verhält, wenn es auf einen Gegenstand (Medium) trifft. Wir können hier der Einfachheit wegen annehmen, dass unser Medium kein Licht durchlässt uns es vollständig reflektiert.

Reflexion eines Lichstrahls
Auf diesem Bild siehst du wie ein Lichtstrahl reflektiert wird. Für diesen gilt eben, dass er unter einem bestimmten Winkel auf das Material auftrifft (im Bild 50°). Das schöne ist nun, dass der reflektierte Strahl unter dem gleichen Winkel (also auch 50°) reflektiert wird. Es gilt also unser Einfallswinkel ist gleich unserem Ausfallswinkel. Behalte dies im Hinterkopf um zu verstehen wie ein optisches Speichermedium funktioniert.
Eine schematische Darstellung einer CD-ROM
Eine CD lässt sich grob nach dem links gezeigten Schema darstellen. Sie besteht also, wenn du von oben (also der Seite die nicht spiegelt) auf die CD schaust, aus einer Schicht Schutzlack, einer reflektierenden Metallschicht, den Pits und Lands und einem Substrat. Die Pits und Lands sind einfach gesagt Erhabungen bzw. Senken im Material, ähnlich den Rillen bei der Schallplatte. Nun wird beim lesen der CD ausgenutzt, dass das Licht je nachdem, ob es sich an einem Pit oder Land befindet unterschiedlich reflektiert wird. Der reflektierte Strahl wird dabei von einem Sensor registriert, der eben unterscheiden kann (anhand des unterschiedlichen Winkels), ob es sich um ein Pit oder Land handelte. Dieser Sensor wandelt diese Information schließlich wieder in unsere nullen und einsen um. Im übrigens sind die Pits und Lands wie bei einer Schallplatte die Rille spiralförmig angeordnet.

Wie funktioniert nun das Schreiben auf eine CD?

Bei einer CD-ROM geschieht dies wir bei einer Schallplatte, die Pits und Lands werden auf den CD Rohling gepresst. Der CD-R Rohling hat die Besonderheit, dass sich zwischen dem Disc Substrat und der reflektierenden Metallschicht eine weitere, nämlich lichtempfindliche Schicht, befindet. Diese besteht nun zunächst lediglich aus Lands. Sie ist also Eben. Mit einem Laser kann nun auf die lichtempfindliche Schicht geschrieben werden. Denn diese Schicht reagiert auf die Hitze des Lasers so, dass die erhitzten Stellen sich dauerhaft so verändern, dass sie das Licht wie Pits reflektieren. Eine CD-RW ist ähnlich wie eine CD-R aufgebaut. Hier kann jedoch durch geeignete Wahl des Materials aus dem die reflektierende Schicht besteht durch Erhitzen die Pits in ihrend Ausgangszustand versetzt werden (also zu Lands).

Alles verstanden?

Du hast nun alle Sektionen erfolgreich durchgearbeitet. Um dein Wissen nun zu überprüfen solltest du diesen kleinen Lückentext ausfüllen. Solltest du Probleme an einer Stelle haben, geh am besten nochmal zurück in die passende Sektion und lies alles noch einmal genau durch.

Auf einer Festplatte, einer DVD-ROM, einem USB-Stick werden die Daten digital gespeichert. Im Gegensatz dazu werden Daten auf einer Schallplatte und einem Blatt Papier analog gespeichert.

Eine Schallplatte ist ein Besipiel für ein mechanisches Speichermedium. Sie besteht im Wesentlichen aus sehr vielen kleinen Rillen, die eine Abtastnadel in Vibration versetzen, wodurch ein Ton erzeugt wird. Eine DVD-ROM hingegen ist ein optisches Speichermedium und wird von einem Laserstrahl abgetastet. Dieser wird an den Pits anders reflektiert als an den Lands. Damit kann ein Sensor entscheiden, ob es sich um eine 0 oder 1 handelt. Eine SSD (Solid-State-Disk) ist ein elektronisches Speichermedium. Sie besteht aus ganz vielen kleinen Transistoren, die Daten, ähnlich wie ein Wasserturm das Wasser, speichert.

Eine Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium. Bei ihr werden die Daten auf Platten gespeichert, die durch einen Schreib-/Lesearm magnetisiert werden.

Quellenangaben

http://de.wikipedia.org/wiki/Reflexion_%28Physik%29 zuletzt abgefragt am: 14.05.2014 um 15:24 Uhr

http://www.elektronikinfo.de/audio/cd.htm zuletzt abgefragt am: 14.05.2014 um 15:24 Uhr

http://de.wikipedia.org/wiki/CD-ROM zuletzt abgefragt am: 14.05.2014 um 15:24 Uhr

https://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0610291.html zuletzt abgefragt am: 14.05.2014 um 15:24 Uhr

http://de.wikipedia.org/wiki/Festplatte zuletzt abgefragt am: 14.05.2014 um 15:24 Uhr

http://de.wikipedia.org/wiki/Speichermedien zuletzt abgefragt am: 14.05.2014 um 15:24 Uhr

http://de.wikipedia.org/wiki/Schallplatte zuletzt abgefragt am: 14.05.2014 um 15:24 Uhr

Vorlesung "Einführung in die Technische Informatik" im Wintersemester 2013/2014 von Prof. Dr. U. Brüning an der Universität Heidelberg und das dazugehörige Skript

Einzelnachweise

  1. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Langspielplatte.jpg