Harde schijf

Harde schijf van 512 MB van Quantum

Een harde schijf 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, 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 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.

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 schrijf koppen. 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 zijn varianten van Integrated Drive Electronics (IDE), Serial ATA en SCSI. Er zijn ook verplaatsbare harde schijven die worden aangesloten op de Universal Serial Bus (USB) of op de Firewire-poort (ook wel iLINK of IEEE 1394 genoemd). In de toekomst zal misschien een optische verbinding via een glasvezel gebruikt gaan worden. Ook Serial ATA heeft een mogelijkheid om schijven extern aan te sluiten.

Bij een IDE-aansluiting wordt aan einde van de brede kabel vanaf het moederbord de schijf met het besturingsprogramma aangesloten als Master, halfweg 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. De laatste jaren zijn behuizingen op de markt gekomen, waarin naar wens een harddisk van zo'n 40 gigabyte tot 1 terabyte past (1000 gigabyte). Ook zijn behuizingen compleet met harddisk naar wens te koop. Er bestaan ook sleden die een lade bevatten waarin een harddisk wordt gemonteerd. Voordeel daarvan is, dat gebruikers makkelijk van harde schijf kunnen wisselen zonder de computerkast te hoeven openen.

Verouderde aansluitmethoden

De oorspronkelijke PC heeft geen aansluitingen voor harde schijven; hiervoor moet een (ISA) insteekkaart worden 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.

Een andere oplossing is de harde kaart. Dit is een ISA-insteekkaart waarop een harde schijf is gemonteerd.

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.

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.

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 bekend staan (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 x 41,4 mm x 203 mm. Deze maat, voor het eerst gebruikt door Seagate in 1980, was oorspronkelijk even hoog als een volledige hoogte van een toenmalige 5¼-inch diameter FDD, namelijk 82,55 mm. Dit is bijna twee keer zo hoog als tegenwoordig wordt gebruikt voor cd- en dvd-drives: 41,4 mm (“halve hoogte”) maar HDD hebben deze halve hoogte nooit gebruikt. De Quantum Bigfoot HDD was de laatste met deze lengte en breedte maar dan met “low-profile” (~25 mm) en “ultra-low-profile” (~20 mm) hoge versies.
• "3½ inch": 101,6 mm x 25,4 mm x 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 x 9,5 mm x 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. Vandaag de dag is de meest voorkomende hoogte 9,5 mm, maar er hebben ook varianten van 19 mm, 17 mm en 12,5 mm bestaan.
• "1,8 inch": 54 mm × 8 mm × 71 mm. Deze maat is oorspronkelijk geïntroduceerd door Integral Peripherals in 1993. Hij wordt gebruikt in digitale audio spelers en subnotebooks. Dit formaat is populair in i-pods 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 SD/MMC slot compatibele HDDs 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 inch 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.

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 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. In INT 0x13 (functie 0x02 en 0x03) geeft men dan op:

Register	waarde
DL	schijf (harde schijven hebben nummers 0x80, 0x81, enz.)
CH	cilinder, genummerd vanaf 0
DH	kop, genummerd vanaf 0
CL	sector, genummerd vanaf 1

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:

Register	waarde
DL	schijf
CH	bits 7-0 van cilinder, genummerd vanaf 0
CL, bits 7-6	bits 9-8 van cilinder
DH, bits 7-6	bits 11-10 van cilinder
DH, bits 5-0	kop, genummerd vanaf 0
CL, bits 5-0	sector, genummerd vanaf 1

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.

Doorlopend volgnummer

De adressering van de vorige paragraaf biedt ruimte voor maximaal 2 GiB. 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.

Er waren nu nieuwe functies (0x42 en 0x43) nodig in INT 0x13. De functies 0x02 en 0x03 zijn dus verouderd. Aan de functies wordt een volgnummer van 64 bits meegegeen, 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 (zie Master boot record) 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 levensduur van een harde schijf hangt voornamelijk af van twee dingen: de temperatuur en mechanische schokken. Bij de desktopcomputer die stil staat hoeft alleen op de temperatuur gelet te worden. Een vuistregel is dat bij iedere 10 graden hogere temperatuur de levensduur halveert. Er zijn dan ook speciale behuizingen en ventilatoren om harde schijven te koelen. 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:

• 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 een gat dwars doorheen te boren of een paar klappen met een grote hamer op te geven.

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.

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 dat zelfde jaar 3,5" harde schijven 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.

Vanaf begin februari 2009 zijn er ook de eerste 2TB (2000GB) schijven verkrijgbaar die bestaan uit 4 platters van 500GB

Digitale opslagmedia