Harde schijven : Keuze en beheer

Harde schijven : Keuze en beheer
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 ITdocumentatie 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, een elektronische schakeling die de toegang
tot de data op de schijf regelt.
Geschiedenis:
Tot 1956 werden magnetische tapes gebruikt als 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. Sinds de introductie van de RAMAC groeide elk jaar de
opslagcapaciteit van harde schijven, terwijl de omvang steeds kleiner werd.
Toepassing:
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:
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. Tot
2004 werd dit gebruikt.

PATA. Hiermee wordt "Parallel ATA" bedoeld, en men bedoelt dan meestal
IDE, of soms SCSI.
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).
Connector
(Diagram)
Type
Maximum
Delivers
Connector (Actual) Theoretical
Commonly Used With
Power?
Speed
Firewire
400 (4Pin)
400 Mbps*
IEEE-1394 4-pin
(male)
Firewire
400 (6Pin)
No
Older Sony
camcorders/digital
cameras (as i.Link),
many PC laptops
early/middle 2000's
IEEE-1394 4-pin (male)
Older Apple PCs,
400 Mbps* Yes** External Hard Drives and
Optical Drives
IEEE-1394 6-pin
(male)
IEEE-1394 6-pin (male)
Firewire
800
IEEE-1394 9-pin
(male)
800 Mbps
Modern Apple laptops
and desktops, modern
Yes** non-Apple PCs, External
Hard Drives, Digital
Video Camcorders
IEEE-1394 9-pin
(male)


iLink. Proprietary interface van Sony. Lijkt op Firewire maar 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 in een netwerk. Dat
kan ook draadloze NAS zijn, waarbij de harde schijf via Wi-Fi benaderd
wordt.
De Solid state drive (SSD) schijven kunnen ook SATA en SAS aansluitingen
hebben, maar in 2009 worden voor SSD schijven 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 zogenaamde 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 +5V en
+12V 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 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 compatible 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. 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. heet, wat staat voor "Self Monitoring
Analysis and Reporting Technology". Als gegevens nog wel 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 z.g. 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-level formattering uitsluitend door de fabrikant worden uitgevoerd.
De low-level formattering 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, die beschadigde sectoren (bad blocks of bad sectors)
worden genoemd.
Veel moderne harddisks constateren de slechte blokken automatisch, en
proberen ze door een speciaal gereserveerd, goed blok te herstellen. Voor het
besturingssysteem is dit niet zichtbaar.
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: een bestand wordt niet in aaneengesloten sectoren
opgeslagen, maar 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 heeft
enkele performance-voordelen die met een RAID-configuratie nog beter uit te
buiten is.
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 mp3spelers, 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.
LBA
Ook dit was spoedig onvoldoende. De volgende generatie schijven werd uitgerust
met 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.
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.
Geluid
Een harde schijf produceert de volgende geluiden



[1]
:
Een laagfrequente trilling door het ronddraaien van de schijven. Deze is
meestal niet hoorbaar, maar wel te voelen als een aangesloten harde schijf
los in de hand wordt gehouden.
Geruis door het ronddraaien van de schijven. Dit geluid is vooral bij oude
harde schijven goed hoorbaar, maar is meestal niet hinderlijk. Sinds 2002
hebben vrijwel alle harde schijven vloeistoflagers, waardoor dit geluid
sterk is verminderd.
Een hoge toon door het ronddraaien van de schijven en door de trilling die
de motor veroorzaakt. Deze hoge toon wordt meestal luider als er
onbalans is, bijvoorbeeld wanneer de harde schijf gevallen is. Ook wordt
deze toon luider in de loop van de jaren. Wanneer deze toon plotseling
toeneemt en in de loop van weken of maanden nog sterker wordt, kan dit
duiden op onbalans van de schijven en kan de harde schijf minder
betrouwbaar worden. De kast van de computer kan dit geluid versterken.

Een grommend/reutelend geluid van de arm waarop de lees/schrijf-kop
zich bevindt. Dit is alleen te horen als de harde schijf gegevens moet
verwerken. Dit geluid kan soms versterkt worden door de computerkast,
vooral als die van dun metaal gemaakt is. Sinds 2000 hebben de meeste
harde schijven mogelijkheden om dit geluid te verminderen. De arm met
de lees/schrijf-kop wordt dan minder snel heen en weer bewogen. Het
nadeel hiervan is dat de data minder snel opgevraagd kunnen worden. Dit
komt simpelweg omdat de arm met de lees/schrijf-kop minder snel bij de
plaats van bestemming is.
Er bestaan verschillende manieren om de geluiden te verminderen, bijvoorbeeld
door de harde schijf niet tegen het metaal van de computer aan te schroeven,
maar dat via rubbertjes te doen.
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.
Het kan een probleem zijn als een schijf voor reparatie ingestuurd moet worden,
aangezien een defecte schijf niet zelf gewist kan worden. Erger: vaak wordt de
schijf niet direct gerepareerd maar omgeruild, en na reparatie wordt de schijf
(als 'refurbished') aan een andere klant gegeven. Nu valt te verwachten dat een
fabrikant wel iets beters te doen heeft dan een ingestuurde schijf te
onderzoeken op achtergebleven gegevens, en bovendien zal een scrupuleuze
fabrikant de schijf grondig wissen voordat hij opnieuw in omloop wordt gebracht.
Bevat een schijf echter zeer vertrouwelijke gegevens, dan kan men beter van
reparatie afzien.
Gegevens wissen van de harde schijf
Op een FAT-schijf onder DOS en versies van Microsoft Windows tot en met 3.11
wordt als 'verwijderd'-markering de eerste letter van de naam van het bestand
vervangen door een teken (hexadecimaal E5), en de gegevensblokken die het
bestand bezette worden als "vrij" gemarkeerd. De gegevens van het bestand
staan echter nog steeds op de harde schijf en zijn met speciale (data recovery)programma's terug te vinden, zolang ze maar niet overschreven worden.
Wanneer de gegevens wel overschreven worden, zijn ze met speciale methoden
nog terug te halen. Een harde schijf bevat in tegenstelling tot een bandrecorder
geen wiskop. De oude magnetische gegevens worden dus niet eerst gewist, maar
de nieuwe informatie wordt er overheen geschreven. Daardoor wordt de nieuwe
magnetische informatie nog enigszins beïnvloed door de vorige informatie. Dit is
normaal gesproken geen enkel probleem, omdat de elektronica van de harde
schijf het altijd naar de correcte bit (een "1" of een "0") vertaalt. Fabrikanten
van harde schijven, geheime diensten en data-recovery-bedrijven kunnen de
magnetische informatie echter analoog lezen en zo nog een deel van de oude
gegevens terugvinden. Het is echter onbekend in hoeverre dat in de praktijk
goede gegevens oplevert. Om te voorkomen dat oude informatie te lezen is, zijn
er speciale wismethodes waarbij de te wissen gegevens vele malen met
willekeurige bitpatronen worden overschreven.
Deze "veilige wismethodes" duren erg lang. Als men een harde schijf afdankt en
men wil dat hij niet meer leesbaar is, is het beter de schijf mechanisch te
vernietigen, bijvoorbeeld door er met een boormachine meerdere gaten
doorheen te boren of een paar harde klappen met grote hamer op te geven. Er
zijn ook gespecialiseerde bedrijven die tegen betaling de harde schijf
versnipperen door deze door een zogeheten shredder te halen.
Toekomst
Sinds 2009 is het mogelijk om de harde schijf te vervangen door een Solid state
drive (SSD). Een SSD heeft echter een hogere prijs per [Gigabyte] dan de
conventionele hardeschijf. Zo hebben bijvoorbeeld de kleine netbooks geen
harde schijf meer, maar een vorm van flashgeheugen. Het flashgeheugen kan in
de vorm van een SSD zijn, maar het geheugen kan ook direct in de netbook
gesoldeerd zijn.
Voor grote hoeveelheden gegevensopslag is de harde schijf nog onmisbaar.
Omdat er nog steeds nieuwe technieken worden uitgevonden om nog meer
gegevens op te kunnen slaan, is nog niet bekend of en hoe lang de harde schijf
zal blijven bestaan.
Trivia



Op 13 september 2006 bestond de harddisk vijftig jaar. De eerste schijf
van dit type (de RAMAC van IBM) had een capaciteit van 5 MB en woog
ongeveer 1000 kg. Omgerekend betekent dit een gemiddelde
volumetoename van ongeveer 47 procent per jaar.
In augustus 2006 kondigde Hitachi aan datzelfde jaar harde schijven van
3,5" met een capaciteit van 1 terabyte te gaan produceren.
Begin april 2007 werd de eerste harde schijf met een capaciteit van 1
terabyte gespot in een winkel in Japan. De schijf bestaat uit vijf platters
van 200GB, opereert op een rotatiesnelheid van 7200 toeren per minuut
en heeft 32MB cache-geheugen aan boord. Medio 2007 zijn schijven van 1
terabyte verkrijgbaar in de computerwinkels. Sinds begin februari 2009
zijn er ook de eerste schijven van 2TB (2000GB) verkrijgbaar die bestaan
uit 4 platters van 500GB.
De raptor
Voor wie geen genoegen neemt met de standaard 7200rpm harde schijven, maar
ook geen zin heeft om veel geld uit te geven aan een SCSI of SAS schijf was er
altijd een gouden middenweg met de Raptor serie van Western Digital. Deze is
vandaag de dag beschikbaar in 36, 74 en 150GB (ook 160GB voor OEM's) en is
uitgerust met 16MB cachegeheugen. Hoewel deze 10.000rpm SATA schijven het
qua sequentiele lees- en schrijfsnelheid moeten afleggen tegen de 7200rpm
tegenhangers met 750 en 1000GB, hebben door hun hogere toerental een lagere
toegangstijd wat ze in veel applicaties toch de snelste maakt.