Hoe werkt een harde schijf ?

Voor de meesten is een harde schijf een metalen kistje dat je aansluit, vervolgens hoort draaien en uit de kabel komt je data.

Maar hoe werkt dit nu precies ?

We offeren in dit artikel een harde schijf op om in te gaan op de werking van een harde schijf.
Doe dit niet met je eigen harde schijf, want zodra je het deksel van de schijf demonteert, komt er stof binnen en is je schijf onbruikbaar geworden !

Hoe ziet een harde schijf er uit ?
Onderstaand is een harde schijf. Een metalen kastje met een deksel en een sticker.
Op de sticker staat informatie over de harde schijf, de grootte, fabrikant etc.
1-harde-schijf

Laten we eens verder kijken…wat zit er aan de onderkant ?
6-harde-schijf-controller-board

Ah, dat wordt al interessanter. Wat we hier zien is het controllerboard van de harde schijf. Deze bestuurd de motor en koppen en zorgt dat de data op de schijf gelezen en geschreven kan worden op een manier die de computer dan kan snappen en interpreteren.
Maar de data moet toch ergens uit komen ? Dat zien we in de volgende foto :
7-harde-schijf-sata-connector

Wat we hier zien is de connector van de harde schijf. De grote, rechter connector is voor de voeding. De kleinere linker connector is de data connector waarmee de harde schijf “praat” met de computer.

OK, Dat was de buitenkant, we gaan nu naar de binnenkant !
Hiervoor moeten we een aantal schroeven losdraaien en 1 schroef die onder het etiket zit.
Niet onbelangrijk : Als je het etiket beschadigd (dat kan in sommige gevallen al door de schijf in de kast te monteren), kan de fabrikant moeilijk gaan doen over eventuele garantie wanneer de schijf kapot is tijdens de garantie periode !
2-harddisk-deksel-los-geschroefd

Als de schroeven losgedraaid zijn, kunnen we het deksel gaan lichten en krijgen we zicht op de binnenkant.
Aan de binnenkant zien we meteen de schijven (platters) en de lees/schrijf koppen.
De platters draaien, afhankelijk van het model, 5400 of 7200 toeren per minuut. Maar er zijn ook schijven (vooral de enterprise (duurdere) schijven) die op 10.000 of 15.000 toeren per minuut draaien. Wat de invloed van de rotatiesnelheid is, komen we zo op terug. De koppen die we hieronder zien bewegen heen en weer.
3-binnenkant-harde-schijf

En hier een detailfoto van de platters en koppen :
5-harde-schijf-kop-en-platter-detail1

Goed, we weten nu dat in de harde schijf platters en koppen zitten die draaien en bewegen.
Maar hoe gaat dit nu precies ?

Lezen en schrijven van data

De platters zijn metalen schijven met aan beide kanten hele dunne magnetische laagjes en om het begrijpelijk te houden moet je je voorstellen dat dit magnetische laagje uit miljoenen en miljoenen piepkleine magneetjes bestaat.
Een magneet heeft een Noord en Zuid pool en de kop van de schijf kan een magneetje “richten”.
Een magneetje kan dus Noord-Zuid staan maar ook Zuid-Noord. Nu zul je denken “Hoe kun je met 2 mogelijkheden dan tekst, cijfers, plaatjes, brieven etc. maken ?”
Dat doet het binaire stelsel ! Zoals we misschien wel weten bestaat de “taal” van computers uit enen en nullen.
1 bit kan dus 0 of 1 zijn, een byte is een combinatie van 8 bits en ga zo maar door. Die combinaties zorgen er voor dat we kunnen typen, foto’s maken, internetten, eigenlijk alles wat mogelijk is met een computer bestaat in essentie uit eentjes en nulletjes.

Een grafische weergave van hoe het lezen en schrijven werkt :
magnetische_opname_harde_schijf

We zien hierboven dat de schrijfkop (blauw) de magneetjes positioneert en de leeskop kijkt hoe de magneetjes gericht staan en weet daardoor of het een 1 of en 0 betreft.
De achterkant van de kop zit tussen 2 enorm sterke magneten en de kop zelf wordt bestuurd door een elektromagneet welke stapsgewijs aan of uitgezet kan worden om zich tussen de magneten te manoeuvreren en kan op deze manier over de platters bewegen.
De koppen raken de platters echter niet, de afstand tussen kop en platter is slechts enkele nanometers. En dat maakt ook meteen waarom een harde schijf gevoelig is voor schokken door een val terwijl de schijf in bedrijf is. De koppen raken dan het oppervlak van de platter en zorgt voor krassen op de platter waardoor de magnetische laag beschadigd en sommige delen dus onleesbaar worden.

De capaciteit van een harde schijf (Het aantal GigaBytes of TerraBytes) is afhankelijk van het aantal platters en de dichtheid van de magneetjes (dus hoe dicht de magneetjes op elkaar zitten)
Elke platter heeft 2 koppen, boven en onderkant. Maar de fabrikanten willen het aantal platters zo veel mogelijk beperken want hoe meer platters hoe meer energieverbruik en warmte zich in de schijf ontwikkeld.

Toerental van de harddisk

En nu komen we bij het punt om te bekijken hoe belangrijk het aantal toeren per minuut is.
De goedkopere harde schijven hebben meestal een toerental van 5400 rpm. Deze schijven zijn dus trager met lezen en schrijven omdat de magneetjes minder snel de kop passeren dan een schijf van 7200, 10.000 of 15.000 rpm. Naar mate het toerental hoger wordt, worden de harde schijven uiteraard ook duurder, want deze zijn sneller.

Hoe wordt data opgezocht ?

Nu weten we hoe de harde schijf zijn gegevens kan lezen en schrijven, maar hoe weet een harde schijf nu waar een bestand staat uit al die miljoenen magneetjes ?
Op de harde schijf platters is een speciaal stukje gereserveerd voor de MFT (Master File Table)
Dit kun je zien als een soort inhoudsopgave van een boek. Hier staat exact de positie op de platters waar een bestand staat waardoor het bestand snel geladen kan worden en wijzigingen worden ook meteen in de MFT geschreven.

De positie van de magneetjes die door de koppen worden gelezen, worden door het controllerboard vertaald naar eentjes en nulletjes en deze zullen dan de harde schijf via de data connector verlaten naar de computer die op zijn beurt weer zijn werk kan doen zodat jij Windows kan starten, documenten kan maken, spelletjes kan spelen, foto’s bewerken en internetten !

Cluster of Block grootte

Bij het formatteren van een harde schijf, kun je opgeven hoe groot je Cluster of Blocks moeten worden.
Clusters/Blocks verdelen de capaciteit in stukjes zodat daar data in geschreven kan worden.
Welke grootte je moet kiezen is afhankelijk van de doeleinden van je harde schijf. Bij normaal gebruik is de standaard voorgestelde grootte een prima keuze, maar welke invloed heeft dit nu ?
Wanneer je voornamelijk kleine bestanden van een paar KB opslaat, dan is het aan te raden om een kleinere Block grootte in te stellen bij het formatteren.
Kleinere blocks hebben wel als nadeel dat de performance achteruit gaat, maar qua rendement van je capaciteit is dit weer beter.
Indien je voornamelijk grote bestanden opslaat, kun je beter kiezen voor de grootst mogelijke block grootte.

Wat is de impact van een grote of kleine block grootte ?
Stel je formatteert een schijf met een block grootte van 8 MB.
Wanneer je een bestandje van 1 MB op slaat zal daarvoor 1 block gebruikt worden. 1 MB wordt in een block geschreven en de overige 7 MB wordt volgeschreven met nullen.
Je bent dus 8 MB van je schijfcapaciteit kwijt wanneer je een bestand van 1 MB opslaat. Doe dat met 1000 van die bestanden en je bent 7000 MB capaciteit kwijt waarin helemaal niets staat.
Grote Blocks performen wel veel sneller, maar dat is dan ook het enige voordeel.

Met blocks van bijvoorbeeld 4 kilobyte zal een bestand van 1 MB 256 blocks in gebruik nemen, maar dit wordt allemaal effectief benut. Hier wordt dus geen capaciteit weggegooid.
Echter zal het totale aantal aanwezige blocks op een schijf zo ontzettend veel zijn, en die moeten allemaal geadresseerd worden, dat het opzoeken meer tijd in beslag neemt waardoor de performance achteruit gaat.

Mocht je, en dat zal in het geval van servers, storage etc. zijn, een harde schijf moeten formatteren en je wilt een balans creëren tussen capaciteit benutting en performance, bedenk dan van tevoren wat de doeleinden worden van die schijf, dus veel kleine bestandjes, veel grote bestanden of een mix.

Conclusie

Je ziet nu hoe dit metalen kistje van wezenlijk belang is voor je computer !
Ook weet je nu hoe gevoelig de schijf is voor beschadigingen en hoe belangrijk een data backup is !

Hier een filmpje over hoe harde schijven worden gefabriceerd :

Mocht je nog vragen of opmerkingen over dit artikel hebben, kun je die op onze Facebook pagina kwijt, we zullen je zo snel mogelijk antwoorden.

 

Reageer !

reacties