Harde schijf

hard-disk

Een harde schijf, van het Engelse hard disk drive of HDD, is een vorm van extern geheugen, een elektromechanisch computeronderdeel waarop gegevens bewaard kunnen worden. Met de aanduiding harde schijf kan men de eigenlijke schijf bedoelen waarop in de vorm van magnetische polarisatie de gegevens zijn geschreven, maar meestal bedoelt men het hele apparaat met schijven, lees- en schrijfkoppen en besturingselektronica, samen in een behuizing. In IT-documentatie wordt de term vaste schijf gebruikt, omdat de schijf vast in de computer gemonteerd wordt. De gegevens zijn permanent, in tegenstelling tot het vluchtig Random-access memory (RAM) en blijven ook bewaard als de computer uit staat. Een harde schijf is tegenwoordig altijd voorzien van een besturingseenheid, de controller. Dit is een elektronische schakeling die de toegang tot de data op de schijf regelt.

 

Geschiedenis

Aanvankelijk werden magnetische tapes gebruikt als permanent opslagmedium voor data. Op 13 september 1956 introduceerde IBM de eerste harde schijf: Random Access Method of Accounting and Control. De RAMAC bestond uit 50 gestapelde magnetische schijven met een diameter van 61 cm (24 inch). Er waren twee speelkoppen. De totale capaciteit van deze schijf was 5 MB.

Sinds de introductie van de RAMAC groeide elk jaar de opslagcapaciteit van harde schijven, terwijl de omvang steeds kleiner werd.

 

Toepassingen

Meestal worden op de harde schijf van een computer het besturingssysteem, de programma’s en de gegevens van de gebruiker bewaard. Daarnaast kan een computer de harde schijf tijdelijk als geheugen gebruiken wanneer er geen RAM meer over is. Linux doet dit door middel van een speciale swap-partitie, terwijl Windows de “pagefile” op de systeemschijf zet (of op een door de gebruiker gedefinieerde partitie).

 

Constructie en interface

De harde schijf heet hard omdat hij bestaat uit één of meer niet-flexibele ronde platen, in tegenstelling tot de flexibele floppy’s die bij de oudste minicomputers het enige opslagmedium waren. De platen zijn gecoat met een microndunne magnetiseerbare laag. Deze platen worden platters genoemd. Op een beweegbare arm (actuator) zitten de lees- en schrijfkoppen. Die arm heeft een spoel die beweegt tussen sterke magneten. Door de spoel van meer en minder spanning (Positief – Negatief) te voorzien kan de arm zeer precies worden gestuurd. De informatie wordt dus met koppen op de schijf gezet en weer teruggelezen. Omdat hiervoor de kop moet worden verplaatst en soms moet worden gewacht tot het juiste gedeelte van de schijf onder de kop doordraait is de harde schijf een aantal ordes van grootte trager dan geheugen in geïntegreerde schakelingen. De opslagcapaciteit van harde schijven is de laatste decennia enorm toegenomen.

 

Aansluitmethoden:

sata-kabel ide-kabel

In de meeste moderne computers is een harde schijf vast ingebouwd. Deze kan op verschillende manieren worden aangesloten.

De meest gebruikte manieren om een harde schijf in een computer aan te sluiten zijn:

  • Integrated Drive Electronics (IDE). Dit is een verouderde standaard die tot 2004 werd gebruikt.
  • “Parallel ATA” (PATA), een alternatieve aanduiding voor IDE
  • Serial ATA (SATA). Vanaf 2004 wordt voornamelijk SATA gebruikt.
  • SCSI. Dit is een verouderde standaard voor servers.
  • Serial Attached SCSI (SAS). Dit wordt vanaf 2006 gebruikt in servers en is een verbeterde SCSI.

 

Harde schijven kunnen ook extern op de computer worden aangesloten. De gebruikte verbindingen zijn:

  • Universal Serial Bus (USB).
  • FireWire-poort (ook wel IEEE 1394 genoemd).
  • iLink. Dit is een propriëtaire interface van Sony en lijkt op Firewire maar is niet compatibel.
  • eSATA (external Serial ATA). Dit is officieel niet precies hetzelfde als de gewone SATA, maar vaak wordt een gewone interne SATA-poort ook als externe SATA-poort gebruikt. Bij korte kabels geeft dat geen problemen.
  • Network-attached storage (NAS). Een harde schijf (of ook vaak meerdere) in een netwerk. Dat kan ook draadloze NAS zijn, waarbij de harde schijf via wifi benaderd wordt.
  • Storage area network (SAN) wordt bij grotere systemen toegepast.

 

Solid state drives (SSD) kunnen ook SATA- en SAS-aansluitingen hebben, maar in 2009 worden voor SSD’s steeds meer andere aansluitingen ontwikkeld.

 

Geschiedenis van aansluitmethoden

De oorspronkelijke pc had geen aansluitingen voor harde schijven. Een ISA-insteekkaart werd gebruikt, met daarop de elektronica om de harde schijf te besturen. Die insteekkaart of controller hoort bij een bepaald type harde schijf zoals bijvoorbeeld ST506 of ESDI. Hierbij worden twee flatkabels gebruikt; een brede voor de besturing van de harddisk en een smalle voor de data-overdracht.

Korte tijd bestonden er ISA-insteekkaarten met daarop een kleine harde schijf gemonteerd. De zogenoemde harde kaart.

Als vervolg op de ST506 kwam de IDE-aansluiting. De IDE-aansluiting maakt een einde aan de onduidelijkheden en was lange tijd de standaard. Een enkele flatcable werd gebruikt voor de gegevensoverdracht, en een stekker met +5 V en +12 V zorgde voor de stroom. Bij een IDE-aansluiting wordt aan einde van de brede kabel vanaf het moederbord de schijf met het besturingsprogramma aangesloten als Master, halverwege de kabel zit dan vaak een andere harddisk die als Slave is geschakeld. Jumpers zijn kleine doorverbinders aan de achterzijde van de harddisk. Zo kan onder andere worden aangegeven via de jumpers alleen Master, Master met slave present, Single of Master en Cable select.

Omdat de IDE-verbinding voor servers traag was, werd in servers vaak SCSI gebruikt als verbinding.

Om de snelheid van data-overdracht te vergroten, werd SATA ontwikkeld. Bij de SATA-aansluiting hoeft geen Master of Slave ingesteld te worden. Toch kan in de BIOS een harde schijf soms nog steeds als Master of Slave gezet worden, om compatibel te zijn met de software. Sommige desktop-computers hebben een slede voor een harde schijf. De verbinding is dan vaak een SATA verbinding. Het voordeel daarvan is, dat gebruikers gemakkelijk van harde schijf kunnen wisselen zonder de computerkast te hoeven openen.

In servers werd niet overgestapt naar SATA, maar werd de oude SCSI verbeterd en ook serieel gemaakt. Zo ontstond SAS. Er zijn wel uitzonderingen: Dell heeft servers die wel SATA ondersteund. Hierbij is bijvoorbeeld te denken aan de Dell PowerEdge-servers (zoals de R200-serie).

Voor servers bestaan er verschillende systemen om meerdere harde schijven in rekken te plaatsen.

In 2009 zijn er al harde schijven met een optische interface via een glasvezel, maar het is niet duidelijk of dat een standaard zal worden.

 

Memory in Chip

Fabrikanten van harde schijven slaan vaak gegevens over mechanische problemen van de harde schijf op in een Electronically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM) in de controller. Om dergelijke gegevens op te vragen is een standaard ontwikkeld die S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) heet. Als gegevens nog leesbaar zijn, maar minder betrouwbaar, dan kan via S.M.A.R.T. een waarschuwing gegeven worden dat de harde schijf binnenkort stuk zou kunnen gaan.

Ook kunnen gegevens zijn opgeslagen zoals de maximale temperatuur die de schijf ooit heeft gehad.

 

Indeling op harddisk

Een harde schijf is in de fabriek geformatteerd (het zogenoemde low-level format) en is verdeeld in cilinders of tracks en sectoren. De gebruikersgegevens worden opgeslagen als een lange rij bits. De mappenstructuur van de schijf wordt bepaald door het bestandssysteem dat de conversie tussen mappen en bestanden enerzijds en bits anderzijds verzorgt.

De formattering op laag niveau verdeelt de schijf in sectoren, de kleinste eenheid die in één bewerking door een lees/schrijfkop kan verwerkt worden. Elke sector krijgt een uniek nummer zodat de diskcontroller (het stuurorgaan van de harde schijf) straks weet hoe de koppen moeten worden gepositioneerd.

Recentere schijven hebben echter een complexe structuur, waarbij de buitenste sporen meer sectoren hebben dan de binnenste sporen. Bij deze schijven kan de low-levelformattering uitsluitend door de fabrikant worden uitgevoerd.

De low-levelformattering wordt gewoonlijk door de producent gedaan met formatteringsroutines die specifiek voor de betrokken harde schijf geschreven zijn. Indien je andere routines gebruikt, bijvoorbeeld Calibrate of Spinrite die op BIOS-niveau werken, kan de schijf hierdoor definitief onbruikbaar worden.

Het kan zijn dat er tijdens het formatteren slechte plekken op de schijf of diskette worden gevonden. Dit noemt men beschadigde sectoren (bad blocks of bad sectors).

Veel moderne harddisks constateren de slechte blokken automatisch en proberen ze door een speciaal gereserveerd blok te herstellen. Voor het besturingssysteem is dit niet zichtbaar.

 

Maatvoeringen

De oorspronkelijke afmetingen van harde schijven was gerelateerd aan de maten van Floppy Disk Drives (FDD). Lengte en breedte kwamen overeen, de hoogte werd gevarieerd. De namen waaronder deze bekendstaan (de “form factor”), zoals 3,5 inch en 2,5 inch, komen slechts bij benadering overeen met de werkelijke maten. De echte maten worden hieronder genoemd.

  • “5¼ inch”: 146,1 mm × 41,4 mm × 203 mm. Deze maat, voor het eerst gebruikt door Seagate in 1980. Dit is bijna twee keer zo hoog als tegenwoordig wordt gebruikt voor cd- en dvd-drives: 41,4 mm (“halve hoogte”) en al snel hadden ook harde schijven dit formaat.
  • “3½ inch”: 101,6 mm × 25,4 mm × 146 mm. Deze kleinere maat was oorspronkelijk 4,14 cm hoog maar is tegenwoordig vervangen door de variant van 2,54 cm en wordt gebruikt in de huidige desktopcomputers.
  • “2½ inch”: 69,85 mm × 9,5 mm × 100 mm. Deze kleinere maat is geïntroduceerd door PrairieTek in 1988; er is geen corresponderende FDD. Het is de meest gebruikte maat in mobiele apparaten, met name laptops. Ook wordt dit formaat steeds meer in (rack-mounted) servers gebruikt. In een 1u-server passen meestal maar twee 3,5″-schijven, tegenover vier 2,5″-schijven. Vandaag de dag is de meest voorkomende hoogte 9,5 mm, maar er bestaan ook varianten van 19 mm, 17 mm en 12,5 mm.
  • “1,8 inch”: 54 mm × 8 mm × 71 mm. Deze maat is oorspronkelijk geïntroduceerd door Integral Peripherals in 1993. Hij wordt gebruikt in digitale audiospelers en subnotebooks. Dit formaat is populair in iPods en andere mp3-spelers met een harde schijf.
  • “1 inch”: 42,8 mm × 5 mm × 36,4 mm. Deze maat is geïntroduceerd in 1999 als IBM’s Microdrive en past in een CF Type II slot. Samsung noemt dezelfde maat “1,3 inch” in hun productliteratuur.
  • “0,85 inch”: 24 mm × 5 mm × 32 mm. Toshiba kondigde deze formfactor aan in januari 2004 voor gebruik in mobiele telefoons en soortgelijke apparaten, inclusief met SD/MMC-slot compatibele HDD’s geoptimaliseerd voor video-opslag op 4G-apparaten. Toshiba verkocht versies van 4 GB (MK4001MTD) en 8 GB (MK8003MTD) en heeft het Guinness World Record voor de kleinste harde schijf.

 

De kleinere maten 1″ en 0,85″ zijn bezig te verdwijnen vanwege de komst van solid-state disks (flash-disks).


Partitioneren

Harddisks kunnen worden opgedeeld in meerdere partities. Daarvoor kunnen diverse redenen zijn:

  • Gegevens zoals documenten kunnen zo worden gescheiden van het besturingssysteem, zodat het besturingssysteem makkelijker te vervangen is zonder gegevensverlies;
  • Partities zijn meestal nodig om meerdere besturingssystemen op één harddisk te installeren;
  • Partities zijn nodig als men meerdere bestandssystemen, zoals FAT en NTFS, naast elkaar wil gebruiken.
  • Sommige fabrikanten gebruiken een herstelpartitie, zodat het apparaat terug te brengen is zoals het apparaat werd gekocht.

 

Er zijn diverse programma’s om harddisks te partitioneren. Bij het partitioneren kunnen de gegevens op de harddisk verloren gaan. Het is daarom zeer raadzaam om voor het partitioneren eerst een backup te maken.

 

Fragmentatie

Omdat bestanden meestal groter zijn dan een sector en de vrije sectoren in de loop van de gebruikstijd verspreid over de schijf komen te liggen, zal fragmentatie optreden. Bij fragmentatie zal een bestand niet in aaneengesloten sectoren worden opgeslagen, maar het bestand zal worden verdeeld over de vrije ruimtes. Dit heeft tot gevolg dat de leeskop vaker naar een track en/of sector moet zoeken en de benodigde tijd voor lezen en schrijven toeneemt. Verschillende bestandssystemen zijn meer of minder gevoelig voor fragmentatie.

Sommige database-systemen maken geen gebruik van een bestandssysteem en schrijven de data als bits weg op de juiste plaats op de harde schijf. Dit verbetert de prestaties die met een RAID-configuratie nog verhogen.

In 1999 werd door IBM de Microdrive op de markt gebracht, een zeer kleine (42 x 36 mm) en platte (5 mm) harde schijf van 170 en 340 megabyte, die als CompactFlash-kaart in een laptop, pda of digitale camera gestoken konden worden. Deze harde schijven zijn net als de andere schijfformaten gestaag in capaciteit gegroeid, 4 en 6 gigabyte-varianten worden (in 2005) gebruikt in mp3-spelers, zoals de iPod.

 

Adressering

Een computerprogramma dat een schijf leest of beschrijft, zal meestal werken met bestanden. Het besturingssysteem bepaalt waar het bestand zich bevindt. Uiteindelijk wordt er een sector van de schijf gelezen of beschreven.

Het BIOS bevat routines om een sector van de schijf te lezen of te beschrijven. Ze kunnen worden aangeroepen met INT 0x13.

 

Cilinder, kop, sector

De oudste schijven kunnen geadresseerd worden met drie bytes, namelijk voor cilinder, kop en sector.

Dit biedt ruimte voor een schijf met 256 koppen (wat erg veel is) en 256 cilinders (wat spoedig erg weinig bleek te zijn). Daarom werd besloten bits van het cilindernummer bij de kop en de sector op te nemen.

 

LBA

Ook dit was spoedig onvoldoende. De volgende generatie schijven werd uitgerust met LBA (logical block addressing). De schijf presenteert zich als een schijf met 1024 cilinders, 32 koppen en 63 sectoren en de controller van de schijf rekent deze waarden om naar de werkelijke waarden: meer cilinders en minder koppen. Bovendien heeft de schijf wellicht meer sectoren langs de rand van de schijf, zodat er geen vast aantal sectoren meer is. De controller zorgt daarvoor. De adressering biedt ruimte voor maximaal 2 GiB.

 

Doorlopend volgnummer

Moderne schijven zijn veel groter. Om eens en voor altijd een oplossing te geven, werd besloten de sectoren sequentieel te nummeren. De programmering wordt daardoor vereenvoudigd: men hoeft niet meer een volgnummer op te delen in cilinder, kop en sector. De sectoren kregen een volgnummer van 64 bits.

Aan de functies wordt een volgnummer van 64 bits meegegeven, wat ruimte biedt voor schijven die bijna tien miljard keer zo groot zijn als de huidige schijven van 1 TiB.

Een probleem is echter nog de standaard in de partitietabellen waarin schijven van maximaal 4 TiB worden ondersteund.

 

Betrouwbaarheid

Gegevens die op de harde schijf zijn opgeslagen, blijven over het algemeen minstens 10 jaar intact.

De betrouwbaarheid wordt voor een deel bepaald door het merk en de serie. Sommige series harde schijven blijken in de praktijk veel meer uit te vallen dan andere. Dit heeft in het verleden geleid tot de ondergang van enkele merken van harde schijven.

Vroeger had de temperatuur van de harde schijf grote invloed op de levensduur. Toen gold de vuistregel dat de levensduur zou halveren bij iedere 10 graden meer. Tegenwoordig zijn harde schijven voor desktop-computers echter geoptimaliseerd om te werken tussen 30 en 40 graden. Harde schijven voor in een laptop zijn soms geschikt tot 60 graden, en kunnen jarenlang op 50 graden blijven werken.
Om harde schijven in een desktop-computer niet te warm laten worden zijn er speciale behuizingen en ventilatoren om harde schijven te koelen. Voor laptops zijn er koelers met ventilatoren die onder de laptop geplaatst worden.

De mechanische constructie is tegenwoordig ook veel beter dan bij harde schijven van voor 1995. Maar vooral mechanische schokken tijdens gebruik kunnen nadelig zijn.

Om gegevensverlies bij een falende schijf te beperken kunnen meerdere schijven in een redundant array of independent disks (RAID) configuratie gebruikt worden.

 

De harde schijf afdanken of repareren

Bij meerdere onderzoeken bleek in 2005 dat harde schijven die tweedehands worden aangeboden in meer dan de helft van de gevallen nog persoonlijke gegevens bevatten. Dat kan gaan om e-mailgegevens, maar ook om creditcardnummers of andere vertrouwelijke gegevens.

Het wordt dan ook dringend aangeraden gegevens grondig te verwijderen voordat men een schijf afdankt. Zonder meer verwijderen van bestanden is onvoldoende, want daarmee worden alleen de indexen (of zelfs alleen de partitietabel) verwijderd zodat veel gegevens nog teruggehaald kunnen worden. Volledig wissen (alle sectoren wissen) is veiliger, maar volgens sommigen zijn ook dan de gegevens met gespecialiseerde apparatuur nog te herstellen.

 

Andere opslagmedia met roterende schijven

Naast de harde schijf bestaan er ook andere ronddraaiende opslagmedia waarop informatie kan worden gelezen en/of geschreven: bijvoorbeeld diskettes, cd-roms, dvd’s, zipdisks, jazdisks, floppydrives, bernouillidrives, hd dvd’s blu-raydisks enzovoort. De prijs per gigabyte kan erg verschillen doordat sommige zojuist genoemde producten nieuw/nieuwer zijn dan de andere producten.