Root » Servers » » Harde schijf » » Historiek
Historiek van de harde schijf
Historiek
De eerste echte harde schijf was de RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), door IBM in 1956 op de markt gebracht. Het toestel was groter dan een amerikaanse koelkast en had een verbruik van ongeveer 2000W.

Geschiedenis


De eerste gestandardiseerde controllers
(hier van Shugart, later Seagate)


... en een bijhorende harde schijf, de befaamde ST-506


Het inwendige van een ST-506


Het systeem om de koppen te bewegen is afgeleid van die van floppy drives


Kop van een oude harde schijf.

Historisch

De eerste harde schijven in de jaren '50 hadden een capaciteit van een paar MB en waren groter dan een amerikaanse frigo. De harde schijf werd gebruikt voor de opslag van berekeningen. Klassieke gegevens zoals namen en adressen werden op band opgeslagen: de kostprijs van een byte op harde schijf was onbetaalbaar. Bij een typische toepassing (bijvoorbeeld afdrukken van fakturen) werd de tape afgespeeld, de vaste gegevens zoals naam en adres van de tape gehaald, en de variabele gegevens zoals openstaande saldo van de schijf.


Eerste foto: de eerste harde schijf had twee koppen en 50 plateau's.
De toegang tot data dat op een ander plateau gelegen was, was bijzonder traag.


Bijwerken van de vaste gegevens (adres van de klant) werd door middel van een mutatiebatch uitgevoerd: de mutatieponskaarten werden gesorteerd en dan samen met de band verwerkt: de eerste ponskaart werd gelezen, de tape werd vooruitgespoeld tot de overeenstemmende record, de data werd gelezen, de tape een record teruggespoeld, de data verwerkt en teruggeschreven. Het vooraf sorteren van de ponskaarten had tot gevolg dat de tape slechts relatief kleine stappen vooruit moest maken. Bij het tussenvoegen van records had men twee bandeenheden nodig. Ook mutaties gingen vlotter indien men over twee bandeenheden kon beschikken, omdat de band niet gestopt en teruggespoeld moest worden.

De data-indeling op de schijf werd dus bepaald door hoe de numerieke getallen door de computer verwerkt werden. Er werd gewerkt met woorden van 6 bits (in plaats van 8 bits tegenwoordig) en deze 6 bits werden aangevuld met één pariteitsbit. Een getalwaarde bestond uit een aantal woorden, dit was afhankelijk van het systeem. De programeertalen uit die tijd waren heel rudimentair en konden niet met tekst werken (de eerste FORTRAN versies bijvoorbeeld)

Pas later, toen er ook niet-numerieke data op schijf opgeslagen werd, voldeed deze indeling niet meer. Men ging werken met sectoren, eerst van 128 bytes, later van 512 bytes. Een record (bijvoorbeeld de klanteninformatie) bestond uit een of meerdere sectoren. Wat er in een sector geschreven werd, werd bepaald door het operating system: data (zowel getallen als tekst) of bestandsindeling (bijvoorbeeld een directory). Het werken met blokken met een vaste lengte is nu nog altijd een standaard.

Low level Format

De eerste harde schijven voor home-computers hadden een externe controller. Deze schijven moesten low level geformateerd worden vòòr ze gebruikt konden worden, gebruikmakend van de externe controller die later gebruikt zou worden. In 1987 leverde Western Digital een utility om deze schijven te formateren (llformat). Het low level formateren moest gebeuren met de uiteindelijke controller en met de drive gemonteerd in de computer en de computer in de juiste werkstand.

De harde schijf was met de controller verbonden door middel van twee kabels. Op de harde schijf zelf zat er geen intelligentie. Er was wel enorm veel electronica aanwezig op de print van de schijf, maar dat waren gewoon registers, versterkers en passieve componenten.

Het systeem om de koppen naar het juiste spoor te brengen was afgeleid van die van floppy drives. De commando's waren trouwens identiek, wat de invoering van de harde schijf in de eerste home computers versnelde. Dit was de tijd van de stepper motor. Een stappenmotor kan enkel werken met discrete stappen. Door toleranties en slijtage kan het gebeuren dat de koppen niet meer terechtkomen over de sporen. De informatie kan niet meer gelezen worden. De enige mogelijkheid om de drive (maar niet de data!) te redden was een low level format uitvoeren, waarbij nieuwe sporen geschreven werden. Tot in de jaren '90 konden harde schijven door de gebruiker low level geformateerd worden.

Dat was ook de tijd van de interleave: hoewel de schijven van toen aan 3600 toeren draaiden, was de electronika verderop niet in staat de gelezen data snel genoeg te verwerken (datasnelheid van de harde schijf: 5Mbit/sec). Dat was voor de tijd van DMA (direct memory access) en de hoofdprocessor moest de data byte per byte van de controller naar het geheugen verplaatsen. De vorige blok (512 bytes) was nog niet verwerkt, of de nieuwe blok kwam al onder de leeskop, en de controller had maar een geheugen van 512 bytes! Lezen van meerdere blokken achter elkaar was niet echt snel, want de schijf moest dan een volledige omwenteling doen, vooralleer de te lezen blok opnieuw onder de kop kwam. Een bestand van 5000 bytes (10 opeenvolgende blokken) lezen duurde meer dan 200ms.

Door een interleave waarde aan te geven bij de low level format, verschoven de opeenvolgende blokken op, zodat de computer de tijd had om de data te verwerken. Met een interleave faktor = 2 zag de struktuur op de schijf er zo uit:
1 - 9 - 2 - 10 - 3 - 11 - 4 - 12 - 5 - 13 - 6 - 14 - 7 - 15 - 8 - 16
(uitgaande van 16 sectoren per track).
Bij een interleave faktor van 3 was de layout van de blokken de volgende:
1 - 6 - 11 - 2 - 7 - 12 - 3 - 8 - 13 - 4 - 9 - 14 - 5 - 10 - 15
Na twee blokken was de computer opnieuw klaar om een blok te verwerken. Interleave 3 werd het vaakst gebruikt bij de "snellere" computers uit die tijd. llformat kon automatisch de beste interleave factor berekenen. Hoe sneller de computer de gegevens kon verwerken, hoe lager de interleave gekozen kon worden. Tegenwoordig wordt een interleave nooit meer gebruikt.


De stepper motor om de kop naar het juiste spoor te bewegen
De harde schijf die hier rechts afgebeeld staat is een relatief oud model, eveneens met een stappenmotor om de koppen van spoor te doen veranderen. De kop is op een thermisch gecompenseerde arm geplaatst. Het keramisch plaatje is een milimeter groot en wordt met een verend plaatje tegen de schijf gedrukt. De echte kop is aan de onderkant gemonteerd (je ziet enkel de wikkeling en een ijzeren plaatje). Als de harde schijf draait, dan zweeft het plaatje een μmeter boven de schijf. Zou de kop niet zweven, dan zou de magnetische laag snel verslijten, aangezien de schijf aan 5400 toeren per seconde draait! (goedkooste schijven, in 2010 is de basissnelheid 7200 toeren). High-performance schijven draaien zelfs aan 15.000 toeren per seconde.


Floppy disk drive, stepper motor rechts in beeld


Zicht op de twee koppen


De kop is verend gemonteerd

Voorbeeld: floppy

Bij de low level format wordt de onderverdeling van de schijf geschreven. De aantallen tussen haakjes zijn van toepassing op floppies
  • Op iedere cylinder worden er een aantal sectoren geschreven (bijvoorbeeld 18)
  • Per plateau zijn er gewoonlijk twee koppen (heads)
  • Na het schrijven en lezen van een volledige cylinder (twee omwentelingen) schuift de kop naar een volgende cylinder en kan de operatie herbeginnen, totdat alle cylinders geschreven zijn. Er zijn bijvoorbeeld 80 cylinders
Iedere sector is de kleinst mogelijke adresseerbare data-eenheid en bestaat uit controle-informatie en 512 bytes aan data. Bij het formateren wordt de data op nul gezet. Tussen iedere sector is er een onbeschreven gap. Deze gap is nodig om toleranties op te vangen bij het achteraf schrijven van een sector.

De capaciteit van de floppy hierboven is 18 sectoren × 2 koppen × 80 cylinders × 512 bytes = 1.474.560 bytes = 1.4MB. Ongeformateerd heeft dezelfde floppy een capaciteit van 2MB: dit zou het geval zijn indien men de sectoren tegen elkaar zou schrijven (zonder gap) en zonder controle-informatie.

Distribution Media Format

Bij de “Distribution Media Format” van Microsoft gebruikt men inderdaad geen gap maar plaatst men de sectoren tegen elkaar. Dergelijke floppies kunnen enkel gelezen worden (het ontbreken van de gap maakt het schrijven van een individuele sector problematisch), maar dit is geen probleem omdat ze enkel gebruikt worden voor het verdelen van de software. Het schrijven gebeurt cylinder per cylinder, en niet sector per sector. Een pluspunt (voor Microsoft) is dat deze floppies niet gecopieerd konden worden naar een tweede floppy, maar de bestanden konden wel gecopieerd worden naar harde schijf of naar ZIP.


Dankzij het gebruik van een spreekspoel en tracking-signalen moet een schijf nooit meer gecalibreerd worden.

Spreekspoel in plaats van stappenmotor:
geen low level format meer

Van zodra men een voice coil (spreekspoel) en tracking signalen ging gebruiken voor de spoorvolging verviel de noodzaak om opnieuw de sporen te schrijven. De spreekspoel maakt een continue positionering mogelijk. De tracking signalen zijn relatief laag frekwente signalen die samen met de sporen opgenomen worden. Door overspraak van de naburige spoor kan de controller weten of de kop de spoor wel aan het volgen is en kan indien nodig een correctie doorvoeren. De tracking informatie en blanke sectoren werden éénmaal in de fabriek geschreven.

Enkel de floppy drive gebruikt nog een stappenmotor om van track te wisselen. Deze is goed zichtbaar op de foto rechts. Met een wormwheel worden de koppen naar het juiste spoor (cylinder) gebracht.

Met de tijd is de capaciteit opgevoerd. De eerste harde schijven voor huishoudelijk gebruik hadden een capaciteit van 5MB, nu kan je zelfs geen harde schijf meer kopen met een duizendvoudige capaciteit (de minimale capaciteit van een nieuwe harde schijf in 2006 is 40GB!)

Een ander verschil is de overgang van een landingszone naar een load/unload systeem.


Een oude computer met “Multi IO kaart” en VGA kaart.

Interfaces: IDE en SATA

Met de computer heeft men eveneens een hele evolutie meegamaakt. Vroeger zat er op het moederbord enkel een processor, geheugenlatjes, een BIOS ROM om op te starten, een keyboard controller en een DMA controller. De enige aansluiting op het moederbord was die voor het toetsenbord.

De computer werd uitgerust met "uitbreidingskaarten": een video-kaart met monochroom of VGA uitgang, een communicatiepoort (serieele en parallele interface) en natuurlijk een interface kaart voor de harde schijf, floppies en CD-ROM speler. De klok (RTC) zat vroeger zelfs op één van de kaarten!

De zogenaamde “multi IO kaart” combineerde meerdere funkties: printer- en modempoort en connectors voor de interface kabel naar floppy en harde schijf.

Nu probeert men zoveel mogelijk op het moederbord te zetten. Parallele en serieele interfaces bestaan niet meer, en ook de keyboard-en muis aansluitingen (PS-2) verdwijnen.

Harde schijven bestaan nu bijna uitsluitend nog in SATA interface. Dit is een snelle verbinding van 150MB/sec. SATA II gaat tot 300MB/sec en SATA III tot 600MB. Deze hoge doorvoersnelheid is nodig bij de huidige hoge capaciteit harde schijven. Ten gevolge van de hogere capaciteit zit de data dichter bij elkaar opeengepakt. De doorvoersnelheid is daardoor hoger geworden zonder dat de rotatiesnelheid daarvoor opgevoerd moest worden. De originele SATA interface werd uiteindelijk de beperkende factor.


De IDE-interface waarop twee apparaten aangesloten konden worden.
De vorige interface was de IDE interface (later PATA hernoemd om het verschil met SATA te beklemtonen). De doorvoersnelheid was 100MB/sec. Een eigenschap van deze verbinding is dat er twee apparaten op één kabel aangesloten kunnen worden (wat niet mogelijk is bij SATA). Een van de schijven is de MASTER, de andere is de SLAVE.

Bij een IDE interface kan slechts één van de twee schijven data versturen: bestanden overzetten van één schijf naar de andere via dezelfde kabel is dus niet zo snel. Indien de computer met twee schijven uitgerust is is het beter iedere schijf als master op iedere interface aan te sluiten (oudere computers die nog met de IDE interface werken hebben meestal twee aansluitingen op het moederbord). De CD of DVD ROM die in het algemeen minder gebruikt wordt, wordt dan aangesloten op de SLAVE interface van de drive die het minst gebruikt wordt (dus niet de opstartschijf).

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's