Hårddisken i närbild

Innan vi går in på detaljerna måste vi avhandla den förvirring som råder kring lagringskapacitet. Tyvärr används SI-prefixen något felaktigt i datavärlden. SI-prefixen kilo, mega, giga, tera och peta motsvarar egentligen jämna tusenmultiplar. Ett kilogram motsvarar exakt tusen gram och en kilometer motsvarar exakt tusen meter. Det innebär att förhållandet mellan kilobyte, megabyte, gigabyte och terabyte ser ut på följande sätt:

1 kB (kilobyte) = 1000 B
1 MB (megabyte) = 1000 kB
1 GB (gigabyte) = 1000 MB
1 TB (terabyte) = 1000 GB

Det är på ovanstående sätt som hårddisk- och minneskorttillverkarna räknar när de skriver ut storleken på sina lagringsenheter. Likaså gör Apple i macOS.

Microsoft räknar dock på ett annat sätt i Windows. De räknar på ett sätt som stämmer bättre med talbasen två, vilken är den som datorn alltid använder.

1 ”kB” (”kilobyte”) = 1024 B = 210B
1 ”MB” (”megabyte”) = 1024 kB = 220B
1 ”GB” (”gigabyte”) = 1024 MB = 230B
1 ”TB” (”terabyte”) = 1024 GB = 240B

Skillnaden i räknesätt gör tyvärr att kapaciteten som står tryckt på hårddisken är större än den som Windows visar. En hårddisk som rymmer 2 TB enligt hårddisk­tillverkaren rymmer endast 1,8 TB enligt Windows.

Det har tagits fram en ny uppsättning prefix som är lämpligare att använda i data­världen. De passar bättre in på datorns sätt att räkna (talbasen två i stället för talbasen tio) och de hamnar inte i konflikt med de etablerade SI-prefixen. Än så länge brukar de endast användas när det finns behov av att tydliggöra vilket av räknesätten som ­används, men förhoppningsvis blir de branschstandard inom kort.

Ju större hårddiskens totala kapacitet är, desto fler gigabyte är det som skiljer mellan de två sätten att räkna. På grund av detta är det många som idag uppmärksammar den ”missvisande” kapacitetsangivelsen när de köper en ny större hårddisk. Att det ”saknades” någon enstaka gigabyte på den gamla hårddisken märktes knappt, men när det ”saknas” nästan 200 GB på en ny 2 TB-hårddisk verkar det lite konstigt. I själva verket saknas det inga gigabyte. Windows skulle kunna skriva att hårddisken rymmer 1,8 TiB och inte 1,8 TB (eller räkna som hårddisktillverkarna och Apple gör).

En hårddisk kan lagra stora mängder data och för att hålla ordning på den används ett filsystem. Ett filsystem kan jämföras med hur bibliotek sorterar sina böcker. För att enkelt hitta rätt bok används ett system för att ordna böckerna, till exempel ordnas böckerna i bokstavsordning eller efter genre. Filsystemet ordnar filerna så att det blir enkelt för operativsystemet att nå filerna när de behövs.

Precis som att det finns olika system för att sortera böcker finns det olika filsystem. Vilket filsystem som används beror bland annat på datorns operativsystem. Du kan se vilket filsystem som till exempel hårddisken i din Windows-dator har genom att öppna Den här datorn, högerklicka på hårddisken och välja Egenskaper.

Egenskapsrutan visar att systemhårddisken har filsystemet NTFS.

 

I macOS kan du se vilket filsystem som hårddisken har genom att högerklicka på den aktuella hårddisken i Finder och välja Visa info.

Visa info-rutan visar att systemhårddisken har filsystemet APFS.

Här följer några exempel på vanliga filsystem.

Fat32

Fat32 (File Allocation Table 32) användes som standardfilsystem i tidiga versioner av Windows. Där har det numera blivit ersatt av NTFS. Fat32 lever dock kvar som ett populärt filsystem för USB-minnen. Fat32 har nämligen fördelen att det fungerar i nästan alla operativsystem, inte bara Windows och macOS utan även Linux och massvis av inbyggda operativsystem i mediaspelare, bilstereoapparater och dylikt. 

De flesta USB-minnen är förformaterade i Fat32.

 

Ett Fat32-USB-minne kan alltså användas för att överföra filer mellan en Windows-dator och en Mac. Det kan också en Fat32-formaterad hårddisk användas till, men på hårddiskar brukar andra filsystem föredras. Gamla Fat32 kan nämligen inte lagra filer som är större än 4 GB. Fat32 kan hantera många 3,9 GB stora filer, men inte en enda 4,3 GB stor fil.

De flesta USB-minnen är förformaterade i Fat32.

Det är enkelt att byta filsystem på en hårddisk eller annan lagringsenhet. Detta behöver ofta göras för att få en Windows-hårddisk (NTFS) att fungera i macOS (APFS eller HFS+). Ett annat exempel på när filsystemsbyte behövs är när stora filer ska lagras på USB-minnen. USB-minnen levereras generellt förformaterade med filsystemet Fat32. Därmed går det inte att lagra filer som är större än 4 GB på dem. Genom att formatera om USB-minnena till Exfat går det att lagra större filer på dem.

Vid formatering raderas eventuellt befintligt filsystem och ett nytt filsystem skapas. Det resulterar i att alla filer försvinner och de går inte att återskapa på något enkelt vis.

Om vi vill byta filsystem på till exempel ett USB-minne i Windows 10 börjar vi med flytta över befintligt innehåll till en annan lagringsenhet. Sedan högerklickar vi på USB-minnet i Utforskaren och väljer Formatera. Där kan vi välja vilket filsystem vi vill ha (till exempel Exfat).

I macOS kan vi göra samma sak genom att öppna Skivverktyg (ligger i mappen Verktygsprogram). Där markerar vi USB-minnet i listan till vänster, klickar på Radera och väljer filsystem.

En och samma hårddisk kan ha flera så kallade partitioner där varje partition har ett eget filsystem. När hårddisken partitioneras delas den upp i flera delar där användaren upplever varje del som om det vore en separat hårddisk. Varje partition dyker upp som en ny hårddisk i Utforskaren i Windows eller i Finder i macOS. Partitionen får även en egen enhetsbokstav i Windows (som D:\, E:\ eller F:\).

Det finns flera anledningar till att dela upp en hårddisk i flera partitioner. Nya bärbara datorer levereras sällan med en installationsskiva. I stället brukar det finnas en dold partition där hela grundkonfigurationen som datorn levererades med ligger lagrad. Om datorn behöver ominstalleras kan användaren genom ett återställningsprogram återskapa den ursprungliga installationen med hjälp av innehållet på den gömda partitionen. Flera partitioner är också användbart för dem som vill ha två operativsystem installerade på samma hårddisk. I följande exempel har en SSD-disk delats upp i en partition för macOS (kallad OS) och en partition för Windows (kallad Bootcamp).

Hårddisken består i huvudsak av en eller flera roterande magnetiska skivor som ligger ovanpå varandra. Varje sida av skivan har sitt eget skrivhuvud som läser från eller skriver till skivan. Det finns alltså vissa likheter med en gammal vinylspelare. Skivan roterar under skrivhuvudet, vilket i sin tur kan flytta sig fram och tillbaka över skivan för att komma åt olika delar.

De enskilda skivorna delas upp i flera så kallade sektorer. Sektorn är den minsta delen av en hårddisk som går att adressera och det är i de olika sektorerna som all data lagras. Fram till för några år sedan var sektorerna alltid 512 B stora (något de hade varit sedan 1980-talet). Tekniken hade inte uppdaterats eftersom tillverkarna ville behålla den närmast perfekta kompatibilitet som rått.

De senaste årens hårddiskar har den så kallade Advanced Format-tekniken. På dem är sektorerna åtta gånger större (4 kB). Detta sparar fysisk plats eftersom det måste finnas ett litet mellanrum mellan varje sektor. Varje sektor måste också både inledas och avslutas med information som beskriver datan i sektorn i stället för att innehålla faktisk data. Det är bland annat felkorrigeringsdata som lagras där. Genom att göra sektorerna större minskas det totala outnyttjade utrymmet eftersom både avstånden mellan ­sektorerna blir färre och den beskrivande sektorinformationen minskar3. Det gör att tillverkarna kan producera hårddiskar med ännu högre kapacitet. Observera att det inte betyder att en 2 TB-hårddisk med Advanced Format-teknik rymmer mer än en vanlig 2 TB-hårddisk. Det innebär bara att den bygger på framtidens teknik.

Dagens Advanced Format-hårddiskar är visserligen inga ”riktiga” 4 kB-sektordiskar och kallas egentligen 512e-hårddiskar (512 emulation). De lagrar datan i 4 kB-sektorer, men i kommunikationen med operativsystemen låtsas de använda 512 B-sektorer. Windows 7 har nämligen inte stöd för annat än 512 B-sektorer.

En av nyheterna i Windows 8 var ett riktigt stöd för 4 kB-sektorer. Det kommer ­att behövas för framtidens hårddiskar som både använder 4 kB-sektorer och rapporterar 4 kB-­sektorer till operativsystemet. Sådana hårddiskar har alltså inget emuleringslager, vilket ger högre skrivprestanda men bryter samtidigt kompatibiliteten med äldre operativ­system. Anledningen till att emuleringslagret sänker skrivprestandan är att operativsystemet genom det kan be hårddisken att byta ut data i en 512 B-sektor, vilket inte är möjligt eftersom det endast finns 4 kB-sektorer i verkligheten. När operativsystemet vill skriva över en 512 B-sektor måste hårddisken därför läsa in hela den berörda 4 kB-sektorn till cache-minnet, byta ut 512 B av 4 kB-sektorn och sedan skriva tillbaka den (i stället för att bara skriva över den).

Hårddiskar som både lagrar data i 4 kB-sektorer och visar 4 kB-sektorer för operativsystemet kallas 4KN-hårddiskar (4 kB native). De fungerar i Windows 8, Windows 10 och alla aktuella versioner av macOS. 

När en fil sparas till hårddisken lagras den uppdelad i flera lediga sektorer. De olika delarna av filen hamnar inte alltid snyggt uppradade efter varandra, utan kan ligga utspridda över hårddisken. För att öka datorns prestanda är det bra att ibland defragmentera hårddisken. Det betyder att alla fragment kopplas ihop och läggs i följd efter varandra. Programmet Diskdefragmenteraren kan användas för att göra just detta. I Windows 7 är det lättast att bara skriva program­namnet i sök­rutan så dyker programmet upp. Det är rekommenderat att defrag­mentera hård­disken med jämna mellanrum för att inte förlora prestanda. Därför finns det i Windows 7 ett ­inbyggt schemaläggningsverktyg för detta. Observera att SSD-diskar inte bör defragmenteras.

I Windows 10 och Windows 8 har Diskdefragmenteraren ersatts av programmet ­Defragmentera och optimera enheter. Det känner av om lagringsenheten är en mekanisk disk eller en SSD-disk. Om det är en mekanisk disk utför programmet vid behov en defragmentering. Om det är en SSD-disk utför programmet bara lätta optimeringar (se Trim längre fram i detta kapitel).

I macOS behöver användaren normalt inte defragmentera hårddisken. Filsystemet hanterar filerna på ett sätt som gör att fragmenteringen inte blir lika allvarlig4. 

Trim är en välbehövlig funktion för dagens SSD-diskar. När data tas bort från en lagringsenhet raderas den egentligen inte utan sektorerna markeras bara som lediga. Det är detta fenomen som dataåterskapningsprogram använder när de plockar fram information som är raderad.

När en mekanisk hårddisk ska återanvända en ledig sektor kan den helt enkelt skriva över den gamla datan som låg där. Det kan inte en SSD-disk göra. SSD-disken måste först tömma sektorn och därefter skriva ny data till den. Det sänker prestandan i och med att det krävs två steg. För att lösa problemet finns Trim. Trim gör att lediga sektorer töms i förväg, vilket upprätthåller SSD-diskens prestanda över tid.

För att Trim ska fungera måste både operativsystemet och SSD-disken ha stöd för det. Windows har haft stöd för Trim sedan Windows 7. macOS har visserligen också haft stödet länge, men det har varit begränsat till Apples förmonterade SSD-enheter. I macOS 10.11 (El Capitan) tillkom möjligheten att forcera aktivering av Trim på SSD-enheter som installerats på egen hand. Det görs genom att skriva följande kommando i terminalen och ange administratörslösenordet.

sudo trimforce enable.

Obs! Kom ihåg att säkerhetskopiera alla filer regelbundet. macOS har inget officiellt stöd för Trim på tredjepartsenheter. Forcering av Trim-stöd kan leda till dataförlust och i värsta fall till att SSD-enheten slutar fungera. Aktivering sker på egen risk. 

Det går att se om en SSD-enhet i macOS har Trim-stödet aktiverat genom att generera en systemrapport. Det görs genom att klicka på äpplet, välja Om den här datorn och klicka på Systemrapport.

Cylinder, skrivhuvud och sektor

På hårddisken finns det tre begrepp som är bra att känna till. Dessa är cylinder, huvud och sektor. Här följer en förklaring av dem i tur och ordning.

Spår på en skiva (ej skalenligt)

 

Likt vinylskivan finns det flera spår på hårddiskens skiva. När skrivhuvudet har letat sig fram till rätt spår kan det stå still där och läsa eller skriva data, under tiden skivan roterar under.

Hårddisken på bilden består av fyra skivor.

Hårddiskarna kan som nämnts bestå av flera skivor. De spår som ligger på samma ställe på varje skiva kallas tillsammans en cylinder. Tänk exempelvis spåret näst längst ut på samtliga fyra skivor. De utgör tillsammans en cylinder.

De enskilda skivorna delas även upp i flera så kallade sektorer. Sektorn är den minsta delen av en hårddisk som går att adressera. Varje sektor är normalt 512 B stor, men det håller faktiskt på att ändras. Eftersom det inte ryms speciellt mycket i en sektor läggs ofta flera sektorer samman till ett större kluster.

När hårddisken ska hitta en bestämd sektor måste den få reda på följande:

• Vilken cylinder datan ligger på. På så sätt bestäms vilken placering som skriv­huvudena ska ha. Sedan kan de läsa in data från spåret utan att flytta sig.
• Vilket skrivhuvud som ska användas. Eftersom hårddisken består av flera skriv­huvuden måste hårddisken få reda på vilket skrivhuvud som ska användas.
• Vilken sektor som datan ligger i.

Vid läsning eller skrivning ställer rätt skrivhuvud in sig på rätt cylinder och väntar sedan tills rätt sektor har snurrat fram.

Denna teknik kallas egentligen CHS-adressering (cylinder, head, sector), men den är föråldrad. Datorn beskriver inte längre dessa punkter var för sig. Grundprincipen finns fortfarande kvar men nu har blocken istället numrerats efter ordningen de ligger i. Den nya tekniken kallas LBA (Logical Block Addressing). Första sektorn får helt enkelt nummer 0, nästa sektor nummer 1 och så vidare.