5. Was man einstöpseln kann 5.1 Zentraleinheit 5.1.3 Speicher

5.1.3.1 Disketten und Festplatten

Im Kapitel 3.1 hatten wir uns Gedanken gemacht, wie man die Nullen und Einsen, von denen nun schon so oft die Rede war, im Computer darstellen kann und sind auf Lampen und Schalter gekommen. Die Lampe haben wir später wieder verworfen und sind schließlich bei den Millionen von Schaltern gelandet, aus denen der Prozessor und der Arbeitsspeicher nun bestehen. Wir suchen jetzt also eine weitere Möglichkeit, Nullen und Einsen darzustellen und zwar eine, die ohne Strom auskommt, oder die wenigstens ihre jeweilige Stellung (Null oder Eins) auch ohne Stromzufuhr behält. Natürlich wollen wir die Information in diesem Speicher auch wieder in elektrische Signale umwandeln können, damit wir unsere Schalter im Arbeitsspeicher wieder bewegen können!

Weißt du, wie elektrischer Strom erzeugt wird? Er kommt zum Beispiel aus Batterien, das sind chemische Prozesse; es gibt Solarzellen, die aus Licht Strom machen, okay, aber der weitaus größte Teil des Stromes, den wir jeden Tag benutzen, kommt doch aus der Steckdose! Die Steckdose hängt an einem Kabel, das durch die Wände deines Hauses läuft, und über einen Sicherungskasten, mehrere Umspannwerke und viele, viele Kilometer Hochspannungsleitung mit einem Kraftwerk verbunden ist. Dort wird der Strom erzeugt! Es gibt Kohle-, Gas-, Öl-, Atom- und Wasserkraftwerke. Und trotz der vielen unterschiedlichen Namen erzeugen sie den Strom letztlich auf die selbe Weise: Sie drehen einen Generator. Ein Generator arbeitet genauso wie der Dynamo an deinem Fahrrad: Es werden Drahtspulen durch das Feld eines Magneten bewegt. Dadurch wird in den Spulen ein Strom erzeugt (man sagt auch induziert)! Damit das kontinuierlich, also fortlaufend, passiert, macht man das ganze im Kreis. Man dreht also die Spulen (oder den Magneten).

Bei einem Elektromotor macht man übrigens genau das Umgekehrte: Man lässt Strom durch eine Drahtspule fließen, dadurch erzeugt diese ein Magnetfeld, das sich von einem anderen Magneten abstößt.

Also so viel zum Zusammenhang zwischen Strom und Magnetismus. Aber ein Magnet hat doch zwei unterschiedliche Seiten, zwei Pole! Man spricht von einem Nord- und einem Südpol, weil Magnete sich immer in Nord-Süd-Richtung ausrichten, wenn sie können. Die eine - und zwar immer die selbe - Seite zeigt nach Norden, die andere nach Süden: Das liegt daran, dass auch die Erde ein Magnet ist, und sich unterschiedliche Pole von Magneten gegenseitig anziehen und gleiche Pole voneinander abstoßen.

Da haben wir doch etwas, womit wir unsere Nullen und Einsen darstellen können! Wir nehmen für jedes Bit einen kleinen Magneten. Wenn er Null anzeigen soll, ist der Nordpol oben, wenn er Eins anzeigen soll, ist der Südpol oben.

Wenn wir lesen wollen, was unsere Magneten darstellen, bewegen wir eine Spule über sie hinweg und messen den Strom, der induziert wird. Wenn wir die Bits umschalten wollen, wenn wir also etwas in unseren Speicher hineinschreiben wollen, dann schicken wir einen Strom durch die Spule, der die Magnete umdreht! Dieser Vorgang entspricht dann dem Ein- oder Ausschalten eines Schalters in unseren Modellcomputern.

Abbildung 22 zeigt dir eine einfache Darstellung, wie wir mit Hilfe von Magneten unseren Speicher realisieren können:

Abbildung 22: Speicherung der Zahl 142 mit Hilfe von Magneten

Du siehst acht Magnete, die einzeln drehbar (der gelbe Pfeil links soll das andeuten) auf einer Achse (der blau gemalten Stange) angeordnet sind. Dadurch kann entweder der Nordpol oder der Südpol nach oben zeigen. Rechts im Bild siehst du eine kleine Drahtspule, die wir entlang der Reihe der Magnete bewegen können.
Wenn wir lesen wollen, wie die Magnete stehen, benutzen wir den Strom, der beim Vorbeifahren erzeugt wird, um unsere Schalter im Arbeitsspeicher entsprechend zu stellen.
Wenn wir die Magnete einstellen wollen, schicken wir einen Strom durch die Spule, jeweils wenn sie sich über dem Magneten für das betreffende Bit befindet. Je nachdem, wie herum der Magnet sich ausrichten soll - ob wir also eine Null oder eine Eins schreiben wollen - schicken wir den Strom entweder links herum oder rechts herum. Der Magnet wird sich dadurch auf der Achse so ausrichten, wie es unserem Bit entspricht.

Wenn wir keinen Strom mehr haben, können wir den Speicher zwar nicht lesen (weil wir die Spule nicht bewegen können), aber zumindest bleiben die Magnete stehen wie sie sind, und sobald wieder Strom da ist, können wir den alten Inhalt wieder lesen.

Von diesem Modell zur Wirklichkeit braucht es noch folgende Schritte: Vor allem müssen die Magnete winzig klein sein, weil wir ja möglichst viel Information auf möglichst wenig Raum unterbringen wollen. Um das zu lösen nimmt man keine Magnete, die sich auf einer Achse drehen, sondern man beschichtet einen Träger - ein Band oder eine Scheibe - mit Eisenpulver, das zuerst nicht magnetisch ist, sondern erst durch den Strom der durch die Spule fließt zum Magneten wird. Wenn der Magnet sich dann "umdrehen" soll, weil dieses Bit jetzt einen anderen Inhalt bekommen soll, wird das Eisen ummagnetisiert, das heißt es bewegt sich nichts, sondern man stellt quasi einen neuen, anders herum gepolten Magneten her.

Dann hat man sich noch überlegt, dass es ja viel einfacher ist, das Eisenpulver an der Spule vorbei zu bewegen als umgekehrt, denn an der Spule hängt ja ein Kabel!

Wenn du Musik- oder Hörspielkassetten hast, kennst du das ganze schon! Dort benutzt man das selbe Material, um die Töne zu speichern, allerdings nicht digital.

Früher hatte man wirklich Bänder aus ähnlichem Material wie Tonbänder, auf denen die Programme und Daten auf die beschriebene Weise gespeichert wurden! Fällt dir ein Unterschied zu unserem Arbeitsspeicher auf? Nimm an, das Band ist aufgewickelt und du willst das letzte darauf gespeicherte Byte lesen. Du musst erst das ganze Band abwickeln, bevor die richtige Stelle an deiner Spule vorbeikommt! Nichts mehr mit wahlfreiem Zugriff!

Deshalb ist man schon bald dazu übergegangen, Scheiben mit dem Eisenpulver zu beschichten. Diese Scheiben lässt man drehen und die Spule bewegt man in einer Richtung darüber, wie es Abbildung 23 zeigt:

Abbildung 23: Magnetspeicher in Scheibenform

Das braune sind mit Eisenpulver beschichtete Scheiben, die sich drehen. In der Vergrößerung sieht man die Spule, die mit Hilfe des Arms bewegt werden kann. Auf diese Weise kann jede Stelle der magnetisierbaren Fläche recht schnell erreicht werden. Allerdings können wir immer noch nicht unmittelbar ein bestimmtes Byte ansprechen; im schlimmsten Fall müssen wir eine komplette Bewegung der Spule plus eine Umdrehung der Scheibe warten, bis das Byte, das wir lesen wollen, vorbeikommt.

Das Bild zeigt gleich mehrere Scheiben übereinander, wie man es in Festplatten, die sich nicht herausnehmen lassen, macht, um den Speicherplatz zu vergrößern.

Scheiben zum Herausnehmen gibt es auch; die nennt man Diskette. Sie werden traditionell immer nach ihrem Durchmesser, gemessen in Zoll benannt. (Ein Zoll, geschrieben als 1" oder englisch inch (sprich: intsch, entspricht 2,54cm). Da die Scheiben aus einem flexiblen Material sind, werden sie auch manchmal als Floppy-Disk bezeichnet. Begonnen hat es mit 8,5"-Disketten, später waren 5,25"-Disketten gebräuchlich und heute noch übrig geblieben sind 3,5"-Disketten; sie können bis zu 1,44MB speichern (Megabyte). Sonderformen von Disketten, die sich wegen ihres Preises nicht durchgesetzt haben, kommen auf bis zu 120MB, wofür man aber auch spezielle Laufwerke braucht.

Laufwerk nennt man bei den herausnehmbaren Disketten, den Antrieb, den Lesekopf (die Spule) und all die anderen Dinge, die nicht mit herausgenommen werden. Solche Laufwerke sind in der Zentraleinheit eingebaut und haben einen Schlitz, in den man die Diskette hineinstecken kann, und einen Knopf, auf den man drücken kann, damit sie wieder herauskommt.

Festplatten sind auch in der Zentraleinheit eingebaut (siehe Abbildung 21!); man sieht sie in der Regel von außen nicht, weil man ja auch nichts daran machen muss. Meist gibt es nur ein Lämpchen, das immer dann leuchtet, wenn die Festplatte benutzt wird. Häufig kann man die Festplatte hören!

Das Drehen der Platte hört man nicht immer, weil vielleicht der Lüfter des Netzteils zu laut ist, aber man kann fast immer ein leises Klickern wahrnehmen, wenn von der Festplatte gelesen oder auf sie geschrieben wird, also immer dann, wenn das Festplattenlämpchen leuchtet. Was man hört ist der Spulenkopf, der sich hin und her bewegt.

Festplatten speichern in einer kleinen Kiste, halb so groß wie ein Taschenbuch zum Beispiel 120GB! (Gigabyte). Abbildung 24 zeigt dir eine geöffnete Festplatte. Normalerweise befinden sie sich in einem luftdichten Gehäuse, weil sie wegen des kurzen Abstandes zwischen der Spule und der Magnetplatte sehr staubempfindlich sind.
Links ist die Elektronik zu sehen, die z.B. die Spule steuert und im geschlossenen Zustand über der Platte sitzt.

Abbildung 24: Geöffnete Festplatte mit zugehöriger Elektronik