Het is geen stille, maar wel een uiterst noeste werker. Onvermoeibaar draait de harde schijf z'n rondjes in het binnenste van onze pc. En dan te beseffen dat het ondanks alle verfijningen en capaciteitsuitbreidingen in wezen om een concept uit de jaren 70 gaat.
De harde schijf is al jaren een onmisbaar onderdeel van de pc. De geschiedenis ervan gaat zelfs terug naar de periode vóór de introductie van de IBM PC, de oer-pc. Basis is de Winchester-drive van IBM uit de jaren '70.
Lijkt het basisontwerp nog steeds op dat van die eerste harde schijf, er heeft zich in de loop der jaren een spectaculaire ontwikkeling voorgedaan, vergelijkbaar met de ontwikkeling van de microprocessor: elk jaar neemt de capaciteit van harde schijven flink toe, terwijl de prijs gestadig daalt. Hadden harddisks in de oertijd van de pc, rond 1980, nog een capaciteit van 5 a 10 MB, tegenwoordig kijken we van 40 GB al niet meer op. Ook in snelheid is een dergelijke vooruitgang gemaakt. Hadden de eerste modellen een doorvoersnelheid die nauwelijks groter was dan die van de huidige floppydrive, tegenwoordig zijn er modellen die een theoretisch maximum van 100 MB per seconde halen.
Ondanks deze grote vooruitgang in prestaties zijn er nauwelijks grote veranderingen in de technische opzicht geweest. Het principe bleef hetzelfde, het is dan ook de uitvoering die sterk is verbeterd.
De harde schijf ontleent zijn naam aan de roterende schijven in zijn binnenste, die in tegenstelling tot die van de good old diskette niet slap en flexibel zijn. Aan deze mechanische eigenschap dankt de harde schijf ook zijn veel grotere snelheid, want door deze stevige uitvoering kunnen de schijven sneller draaien, en kan er dus meer data verwerkt worden en sneller opgezocht worden.
De schijven zijn van aluminium, en voorzien van een dunne opgedampte laag magnetisch materiaal, de informatiedrager. De schijven zijn net als de ouderwetse langspeelplaat aan beide kanten voorzien van een informatielaag, zodat een harde schijf met vijf schijven (platters) in totaal tien zijden (sides) heeft.
Uiteraard worden deze schijven, die samen op een as bevestigd zijn, aangedreven door een elektromotor. Zolang de harde schijf in werking is, draait het pakketje schijven op een vast toerental. Dat toerental is afhankelijk van de uitvoering van de harde schijf. Tegenwoordig is 5400 tpm normaal, terwijl een snelle harde schijf op 7200 of zelfs 10.000 tpm (toeren oftewel omwentelingen per minuut) draait. Alleen als we in het energiebeheer een time-out hebben ingesteld, zal de harde schijf na een bepaalde periode stilvallen, en dan merk je goed dat de harde schijf pas werkt als hij weer op snelheid gekomen is.
Om data te lezen en schrijven is de harde schijf uitgerust met gecombineerde lees/schrijfkoppen, en wel voor elke zijde een. Deze koppen zijn allen met elkaar verbonden en bewegen dus tegelijkertijd. De koppen moeten zeer nauwkeurig gepositioneerd kunnen worden om een bepaald deel van de schijf te benaderen, en worden aangestuurd door een servomotor. Met deze koppen is net als bij een bandrecorder een magnetische registratie van de data op de schijf mogelijk, en kan er ook weer van gelezen worden.
In tegenstelling tot de meeste andere magnetische registratiemethoden is er geen direct contact tussen de kop en het schijfoppervlak. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een natuurkundige eigenschap van de lucht in de hardeschijfbehuizing: cohesie. De snel draaiende oppervlakken van de schijven bewegen zich door lucht, en als gevolg van de aantrekkingskracht tussen het schijfoppervlak en de luchtmoleculen wordt een dun laagje lucht meegetrokken met de draaiende schijf. De kop is zodanig geconstrueerd dat deze gaat zweven op dat dunne laagje bewegende lucht, en zolang de schijf draait zal de kop nooit het oppervlak van de schijf kunnen raken. De afstand van de kop tot het oppervlak van de schijf is slechts een tiende deel van de dikte van een haar, dus het luistert vrij nauw. Uiteraard kunnen invloeden van buitenaf dit effect beïnvloeden, en daarom mag je een werkende harde schijf ook nooit blootstellen aan harde schokken.
Een harde schijf in ruste positioneert de koppen naar een plaats waar eventueel contact geen kwaad kan, de zogenoemde landingzone, zodat bij transport eigenlijk niets kan gebeuren. Wordt het oppervlak van een werkende schijf geraakt door de kop, dan kan er schade ontstaan aan de kop of het schijfoppervlak. Het resultaat is in het gunstigste geval een onbruikbaar deel (bad sectors), maar als je pech hebt is de complete harde schijf onbruikbaar.
De indeling van de data op de harde schijf is vrij ingewikkeld en wijkt sterk af vergeleken met bijvoorbeeld een cd-rom of dvd. Hebben die laatste twee een spiraalvormig dataspoor dat vanuit het centrum naar de buitenkant van de schijf toeloopt, de harde schijf kent een meer flexibele indeling. Hierbij is een indeling gemaakt in cilinders, tracks en sector, waarbij een cilinder een denkbeeldige cilinder is die de hele harde schijf doorsnijdt (alle sides), een track een enkele cirkel op een side is, en een sector een deel van de track. Op de afbeelding is dit duidelijk te zien.
Echter, in werkelijkheid is het nog iets flexibeler. Omdat de tracks op de buitenkant van de schijf een veel langere lengte hebben dan die op de binnenkant van de schijf (nabij het centrum), passen er ook meer sectors in zo'n buitenste track. Daarom is de indeling van een track in sectors tegenwoordig variabel, er zijn telkens groepjes van tracks met een gelijk aantal sectors per track, afnemend naar het centrum van de schijf.
Maar, zult u nu denken, in het Bios van de computer kunnen we deze (vaste) waarden ook instellen, hoe zit dat dan? Omdat vroeger deze indeling wel vast was, en de huidige computers nog steeds backward compatibel zijn, neemt de besturing van de harde schijf de vertaalslag waar, en bepaalt zelf welke fysieke locaties bij een door de computer opgegeven locatie behoren.
De tracks zijn genummerd van buiten naar binnen, dus track O is de eerste track op de buitenste rand van de schijf. De eerste sector van deze buitenste track wordt door het besturingssysteem gebruikt om op te kunnen starten, en bevat de partitietabel. In deze partitietabel staan gegevens over hoe de schijf is ingedeeld. De rest van de inhoudsopgave van de harde schijf staat in de File Allocation Table (FAT). Hierin staat beschreven welke bestanden en directory's op de schijf staan, en van elk is ook precies omschreven op welke locatie ze zich bevinden. Omdat zonder deze inhoudsopgave de data op de schijf onbruikbaar is, is deze FAT veiligheidshalve dubbel uitgevoerd.
De daadwerkelijke registratie van data in de vorm van magnetische signalen is ook net iets anders dan je zou verwachten. Uiteindelijk komt het er op neer dat er nullen en enen geschreven moeten worden, die duidelijk van elkaar te onderscheiden zijn. De harde schijf doet dat door de oriëntatie van de magnetische polen in het magnetische materiaal van de schijf in een bepaalde richting te dwingen.De magnetische laag op de schijf bestaat namelijk uit minuscule magnetische deeltjes, en zoals we nog van vroeger weten heeft een magneet, hoe klein ook, altijd een noorden een zuidpool. Je zou nu verwachten dat de harde schijf een nul altijd herkend aan de oriëntatie van deze polen, maar dat is niet zo. Om efficiënter te kunnen schrijven zorgt de harde schijf - voordat het schrijven plaatsvindt - dat de magnetische deeltjes allemaal dezelfde kant op liggen. Vervolgens verandert hij bij het schrijven telkens de magnetische richting van de deeltjes als er gewisseld wordt van nul naar een, of andersom.
We weten nu op welke manier de data vastgelegd wordt, en hoe de computer en de schijf de data weer terug kunnen vinden. Maar iedereen die wel eens een nieuwe harde schijf heeft gekocht, weet dat je er niet direct mee aan de slag kan: voordat de harde schijf in gebruik genomen kan worden, moet deze eerst op een bepaalde manier geprepareerd worden zodat het besturingssysteem ermee overweg kan.
Als eerste moeten we de schijf partitioneren. Deze term stamt van het woord 'partitie', ofwel een onderverdeling van de schijf. Met een speciaal programma, FDISK, dienen we aan te geven of we de schijf als één geheel willen gebruiken, of dat we deze in meerdere delen willen opsplitsen, die vervolgens door het besturingssysteem gezien worden als separate harde schijven. We kunnen een schijf van bijvoorbeeld 15 GB dus als een 15-GB grote harde schijf gebruiken, of bijvoorbeeld onderverdelen in drie schijven van 5 GB elk. Kiezen we voor het laatste, dan zal het besturingssysteem de drie delen als afzonderlijke harde schijven zien, die elk hun eigen letter krijgen. Bijkomend detail in dit geval is dat het besturingssysteem maar van een van de drie partities kan opstarten.
Als we de indeling gemaakt hebben, moeten we alle delen apart formatteren. Dit is nodig omdat het besturingssysteem voor de beheersbaarheid nog een extra indeling maakt op harde schijf: de zogeheten clusters. Omdat het aantal sectoren op de schijf dermate groot is dat deze niet afzonderlijk benaderbaar zijn, worden er groepjes van sectoren aangemaakt en deze noemt men clusters. Het aantal sectoren dat in een cluster wordt gestopt, hangt weer af van de grootte van de partitie op de harde schijf, en het toegepaste indelingsprincipe.
Verschillende besturingssystemen hebben elk hun eigen manier van een harde schijf formatteren, met elk hun eigen beperkingen. Zo maken Windows 95 en 98 gebruik van FAT 16- of FAT 32-indelingen, terwijl Windows NT alleen NTFS kan gebruiken. Windows 2000 daarentegen kan zowel NTFS als FAT 32 gebruiken. Pas als een harde schijf geformatteerd is, kan het besturingssysteem er gebruik van maken en kan er data opgezet worden.
Er zijn twee typen aansluitingen van harde schijven, ide en scsi. Het grootste verschil tussen beide is dat bij ide de interface in de harde schijf geïntegreerd is, terwijl bij scsi de interface los van de harde schijf staat. Vandaar ook dat op de scsi-aansluiting allerlei apparatuur aangesloten kan worden, terwijl ide alleen geschikt is voor harde schijven, cd-romspelers en dvd-spelers. Van beide typen aansluitingen zijn weer allerlei varianten ontwikkeld, maar dat houdt u tegoed voor een latere aflevering van 'Zo werkt het'.
Hoe kunnen we nu de ene harde schijf vergelijken met de andere, als het om prestaties gaat? Er is een aantal eigenschappen dat iets zegt over de snelheid van een harde schijf, waarvan we er een aantal kort zullen uitleggen.
Ten eerste is de gemiddelde toegangstijd van belang. Vele testprogramma's kunnen dit meten aan de hand van een groot aantal bewegingen van een willekeurig spoor naar een ander willekeurig spoor. De harde schijf krijgt daarbij de opdracht telkens van spoor x naar spoor y te bewegen, waarbij de benodigde tijd gemeten wordt. De resulterende gemiddelde toegangstijd zal tegenwoordig tussen de 6 en 15 milliseconde liggen, en zegt dus iets over de tijd die verstrijkt vanaf het begin van een leesopdracht tot het daadwerkelijke lezen begint.
Een tweede belangrijke factor is de transfer rate, ofwel de overdrachtsnelheid. Men bedoelt hiermee de snelheid waarmee gelezen en geschreven kan worden, in MB per seconde. Uiteraard is deze transfer rate afhankelijk van de rotatiesnelheid van de schijven, want hoe sneller deze draaien, hoe meer data je kan lezen of schijven. Daarnaast speelt de dichtheid van de gegevens op het magnetische materiaal een grote rol, want hoe meer gegevens per cm, hoe meer er per seconde gelezen kan worden.
De laatste tijd speelt de snelheid van de computer een minder grote rol, maar wel de snelheid van de interface (ide, scsi). Gemiddeld verwerkt een moderne harde schijf tussen de 5 en 25 MB per seconde, maar als de schijf gebruik maakt van een buffer kan het kortstondig nog veel hoger zijn en kan de interface een belangrijke bottleneck zijn.
Uit: PCM - mei 2001, p. 133-135
Auteur: Anne Flapper
Illustraties: Erwin Swaal