Hårddisken

1. Inledning

Hårddisken är den enhet i datorn som gör själva grovarbetet. Här kommer du att få läsa om vad det innebär, vad hårddisken gör och varför.

De första persondatorerna som kom saknade hårddisk. När de första hårddiskarna introducerades under mitten av 80-talet, behövdes bara 8-10 megabytes lagringsutrymme. Diskar på mer än 100 MB kan sägas höra 90-talet till. Då blev nämligen operativsystemen så stora och grafiken så avancerad, att större hårddiskar kom till användning.

Under slutet av 90-talet introducerades ännu större hårddiskar. Även bärbara datorer har numera diskar på över 10 gigabytes. För vanligt hemmabruk är mellan 10-20 GB standard, hösten 2000, och proffsen pratar om att de behöver hundratals GB.

Vad är det då som tar så mycket plats? Text och vanliga bilder är inte så utrymmeskrävande. Operativsystem och program är inte heller särskilt skrymmande. Nej, i stället är det kombinationen av många program och programmerarnas vetskap om att de inte behöver komprimera koden så mycket, eftersom hårddiskarna är så stora.

Dessutom sysslar många fler idag med digital fotografering och kanske t.o.m videoredigering. Då behövs mycket plats i datorn. En enda högupplöst JPEG-fil kan ta närmare 10 MB i utrymme och den som då har många sådana bilder märker hur snabbt de äter upp allt lagringsutrymme.

Med bredbandshastighet på uppkopplingen mot internet går det att ladda ner mycket som tar plats. Man brukar säga att 1 minuts musik i MP3-formatet, kräver 1 MB hårddiskutrymme. 1 minuts komprimerad video tar c:a 10 MB i anspråk.

I framtiden kommer vi att få större och större hårddiskar. Vi kommer också att kunna köpa lagringsutrymme på nätet. Apple, Microsoft och flera andra förbereder sig just nu för olika tekniker, som kommer att göra det möjligt att spara data på webbaserade hårddiskar på nätet.

Man behöver då inga särskilda program, utan lagringsplatsen dyker upp som en ikon på skrivbordet. Man sparar till den precis som på en vanlig hårddisk, men datan skickas via nätet.

Vem vet, i framtiden kanske vi åter kommer att få se hårddiskfria datorer?

2. Hårddiskens funktion

Hårddisken sitter antingen fastmonterad inne i systemenheten och kallas då intern, eller så har den en egen låda och sitter ansluten från utsidan. Då kallas den extern.

En hårddisk består av ett antal tunna skivor, som sitter fastsatta med ett visst mellanrum, på en centrumpelare.

Skivorna är 3-5 tum i diameter som standard, vilket är ungefär hälften jämfört med för 10-15 år sedan.

Skivorna består av ett hårt ämne, framförallt aluminium. Tidigare använde man gärna glas, men det visade sig vara för tungt och ömtåligt.

Skivorna är täckta med ett supertunt lager av ett magnetiskt material, t.ex järnoxid. Det är dessa järnpartiklar som kan ordnas i mönster och på det viset lagra data.

Skivorna snurrar kontinuerligt med flera tusen varv i minuten. 10.000 varv är idag inte ovanligt. Det betyder att skivorna roterar ungefär 170 varv i sekunden!

Ovanför ytan på varje skiva svävar en tunn arm, som i yttersta spetsen har ett läs- och skrivhuvud, som utgörs av elektromagneter. Armen flyttar sig med mikroskopisk precision över ytan och läser och skriver data.

Bilden visar hur tätt inpå ytan huvudet svävar.

Huvudet får aldrig vidröra ytan eftersom det då genast skulle uppstå repor och slitage, pga de mycket höga hastigheterna.

Det magnetiska materialet på skivorna är organiserat i spår och sektorer. Hur många sådana det finns beror på vilket filsystem man använder. Detta berättar jag mer om i nästa avsnitt.

Datan lagras inte som ettor och nollor, utan i mönster. Huvudet är nämligen bra på att upptäcka förändringar, men dåligt på att se ett visst värde. Använde man ettor och nollor, ungefär som på en CD-skiva, skulle huvudet kunna se att det finns ett mönster, men skulle inte kunna utläsa om det är en etta eller nolla som representeras.

I stället kodar man datan genom att ersätta rader av ettor och nollor till just olika mönster. Exakt hur man gör detta beror på vilket kodsystem man använder. Det finns många olika system, men det tar jag inte upp här, eftersom ämnet är alldeles för tekniskt komplicerat.

Huvudet kan skriva och läsa data var som helst på skivorna, något man kallar direktåtkomst. När man sparar på hårddisken lagras data på första bästa lediga plats. Räcker inte platsen till väljs nästa tomma utrymme.

Detta innebär att en fil, t.ex en GIF-bild eller textfil, mycket väl kan ligga utspridd på flera ställen på hårddisken. När inte alla filer ligger någorlunda samlade, säger man att hårddisken är fragmenterad. Detta innebär i praktiken att filerna tar längre tid att spara och öppna.

Man kan defragmentera sin hårddisk med ett särskilt program. Använder man sin dator väldigt mycket bör man investera i ett bra sådant program, gärna som inkluderar virusskydd, eftersom de program som följer med operativsystemet inte är tillräckligt bra.

Själv har jag använt Nortons produkter i 5-10 år och tycker att de fungerar klanderfritt. På Mac kan man köra direkt från CD-skivan, medan man på PC måste installera programmet först.

Det finns hårddiskar med inbyggd SMART-teknik. Förkortningen står för "Self-Monitoring and Reporting Technology". Det betyder att hårddisken känner av när något är fel och själv rapporterar detta till operativsystemet. Det är bl.a sådana meddelanden diskverktygsprogram, t.ex Skivkontroll, ScanDisc och nyss nämnda Norton, läser av.

3. Prestanda

Hårddiskens prestanda bestäms av några olika faktorer. Först och främst naturligtvis lagringskapaciteten i antalet bytes. Ju större hårddisk desto större blir ju lagringskapaciteten. Däremot tenderar stora diskar att bli lite långsammare.

En annan faktor som påverkar kapaciteten är söktiden, som är den tid det tar för huvudet att flytta sig från ett spår till nästa.

Söktiden skall inte blandas ihop med accesstiden, som är den tid det tar att hitta och läsa den data som efterfrågas från operativsystemet. Sök- och accesstiden brukar mätas i millisekunder (ms).

Det förekommer ibland andra benämningar på tiden. Latenstiden kallar man den tid det tar för hårddisken att flyttas från en sektor till en annan. Lästiden är den tid hårddisken behöver för att läsa data och skicka den vidare till styrkortets minne.

Sändningstiden är den tid det tar för detta minne att behandla datan och skicka den vidare till processorn. Medelaccesstiden kallar man söktiden, latenstiden, lästiden och sändningstiden sammanräknade.

En annan viktig faktor är överföringshastigheten, alltså den tid det tar för datan att skickas från huvudet till styrenheten på moderkortet. En intern hårddisk skickar normalt datan mycket snabbare än en extern.

Den nya standarden för överföring, FireWire, klarar dock mycket höga överföringshastigheter och är nästan lika snabba som dagens interna discar. Du kan läsa mer om FireWire på sidan om bussar.

Det finns även andra sätt att påverka hårddiskens prestanda. Samma data kan t.ex lagras på flera olika hårddiskar. Detta kallas för att man speglar hårddiskarna.

Man kan också låta hårddiskarna dela upp data mellan sig, så att de arbetar parallellt. Detta gör att en fil kan lagras eller hämtas mycket snabbare. Alla sådana tekniker styrs av en standard som kallas RAID, "Redundant Arrays of InDependent". (Tidigare sade man emellertid "Redundant Arrays of Inexpensive Discs".)

4. Filformat

En helt nytillverkad hårddisk måste förberedas för att kunna lagra data. Denna förberedelse innebär att skivorna formateras. Man brukar skilja mellan två olika typer av formatering:

Fysisk formatering kallas ibland även för "lågnivåformatering" och innebär att skivans yta delas in i sektorer och spår. Spåren går i cirkelform längs ytan och är uppdelade i tårtbitsformade sektorer. Sektorerna är olika stora beroende på vilket operativsystem man använder. Den fysiska formateringen brukar oftast göras i fabriken och är alltså inget man själv behöver göra.

Logisk formatering kallas också "högnivåformatering". Den innebär att information läggs på disken, som gör att datorn kan använda hårddisken. Först skrivs en s.k bootsektor (startsektor) in i den första sektorn på discen. Denna innehåller fakta om hur stor lagringskapacitet hårddisken har. Datatabellen för detta för en winteldator heter BPB (BIOS Parameter Block).

Därefter skapas en FAT (File Allocation Table) över en eller flera sektorer. FAT är det register datorn använder för att lagra information om vad som finns på hårddisken och var denna ligger. Varje sektor har t.ex en egen adress och det är informationen om varje sådan som ligger lagrad i FAT. Utrymmet som är kvar när bootsektorn och FAT har skapats kallas för "dataområdet".

Innan jag berättar mer om olika filsystem, behöver jag säga några ord om partitionering och kluster:

Partitionering är något man gör med en hårddisk för att dela in den i olika enheter. Normalt består en hårddisk av en enda partition, men genom att ha flera olika partitioner på samma hårddisk, kan man t.ex köra olika operativsystem på den.

Partitionering går att göra inifrån de flesta operativsystem, men det är oftast enklast att använda särskilda program. När man skapar nya partitioner på sin hårddisk, försvinner nämligen alla data från dessa områden. Därför bör man vara försiktig när man experimenterar med att ompartitionera hårddisken.

Kluster kallas även för "allokeringsenheter" och att allokera betyder att anvisa eller tilldela en plats. Det är nämligen så att hårddisken skriver minst en hel sektor i taget. Om sektorn är på 512 bytes och filen som skall lagras bara är på 12 bytes, kommer de återstående 500 byten att förbli tomma och outnyttjade.

I själva verket är en sektor alltså den minsta plats en fil kan uppta på disken. Ett kluster kan bestå av mellan 1-64 sådana sektorer, beroende på vilket filsystem som används, samt var på skivan det ligger.

Stora filer hanteras visserligen effektivare med stora kluster, men sparas stora filer i sådana kluster kommer en stor del av utrymmet på hårddisken inte att utnyttjas. Rent generellt gäller att ju mer lagringsplats en hårddisk eller partition har, desto större kluster måste den använda. Här är ett exempel:

Anledningen till att hårddiskens storlek blir så mycket större när lagringskapaciteten ökar, beror alltså på att klusterstorleken ökar i motsvarande grad och att mer utrymme på disken därför blir outnyttjat. Det är också därför man säger att en hårddisk är full då den utnyttjats till ungefär 60%.

I nyare operativsystem har man försökt komma tillrätta med problemet med för stora kluster. Det berättar jag mer om i nästa avsnitt.

5. Filsystem

FAT, filallokeringstabellen, som jag visade i förra avsnittet, skapas vid den logiska formateringen och uppdateras i takt med att nya filer läggs till och gamla tas bort.

FAT ligger i början på hårddisken och talar om hur de olika sektorerna används och vilken status de olika klustren har, dvs om de är lediga eller upptagna. Exakt hur detta går till är en hel vetenskap och jag går inte in på det närmare här.

Det finns idag (hösten 2000) tre olika varianter av FAT: FAT-12, FAT-16 och FAT-32. FAT-12 användes i persondatorns barndom, med hårddiskar på maximalt 2 MB. 12 bitar användes för att lagra adresser till kluster, vilket gav adresserna 0-4096, där noll, ett och några till var reserverade.

I praktiken hade FAT-12 4085 olika adresser. Den kunde hålla reda på 512 bytes (4096 delat med 8) per sektor och totalt 2 MB på hårddisken (4085 gånger 512).

När FAT-16 infördes 1977 klarade den en 16-bitars adressering och hårddiskar på 16 MB upp till 2 GB. I FAT-16 kan det finnas maximalt 65.536 kluster (2 upphöjt till 16). En disk på 16 MB har samma antal kluster som en på 2 GB. Det betyder att klustren blir större på den större disken, precis som vi konstaterade alldeles nyss.

FAT-16 stöder hårddiskar på upp till 2 GB. Med större hårddiskar än så blir man alltså tvungen att partitionera upp utrymmet i lagom stora delar. Ett annat problem med detta filsystem är att klusterstorleken på en disk på 2MB blir 32 kB, som alltså är det minsta utrymmet en fil kan ta i anspråk. Att lagra en GIF-bild på 2 kB tar alltså ändå 32 kB i utrymme.

FAT-16 var det gällande filsystemet i DOS och Windows 95. När det skapades ansågs 2 GB vara tillräckligt stort för en hårddisk. Men efter 20 år krävdes alltså ett nytt filsystem, som kunde klara av större partitioner.

I uppgraderingarna till Windows 95 och till Windows 98 och 2000, försökte man komma tillrätta med klusterproblemet, genom att införa ett nytt filsystem, kallat FAT-32. Detta klarar en 32-bitars adressering, vilket alltså gör det möjligt att öka antalet kluster.

Detta innebär att FAT-32 kan hantera större hårddiskar, faktiskt ända upp till 2.000 GB, vilket också brukar skrivas 2 TB (terabyte). Undrar hur länge denna begränsning kommer att kännas modern?

Nackdelarna med FAT-32 är dels att det inte passar för DOS och Windows 95 och dels att det blir väldigt många kluster, vilket i sin tur gör att hårddisken arbetar lite långsammare. Däremot utnyttjas ju hårddisken betydligt mer effektivt, eftersom fler kluster tillåts på samma utrymme.

Det finns också andra filsystem, ämnade att komma runt klusterproblemet. På grund av dessa filsystem använder man andra storlekar på sektorer och kluster. Därför är sådana system inte kompatibla med FAT-systemen. Därför kan man inte heller göra någon logisk formatering för att bli av med dem eller ändra till dem.

Så är t.ex fallet när man vill byta från Windows 95 eller 98 till Windows NT. Man måste då alltså göra en fysisk formatering. Detta kan i vissa fall vara ganska besvärligt och därför bör man ta reda på så mycket som möjligt hur man gör, innan man uppgraderar sitt operativsystem.

Microsoft kallar filsystemet till sina NT-datorer för NTFS (New Technology File System). Motsvarigheten hos Macintosh-datorerna heter HFS och HFS+. IBM har skapat ett filsystem som heter HPFS eller "High Performance File System" för sitt OS/2.