Computersystemen/Opslagmedia

Doelstellingen

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. De grijze doelstellingen komen hier niet aan bod. Dat zijn bv. praktijkoefeningen die aansluiten bij deze theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden. Of bv. theorie die in een ander hoofdstuk wordt behandeld.

Uit het leerplan van Applicatie- en Databeheer, een deel van leerplandoel 23:

• LPD 23: De leerlingen lichten de opbouw en werking van een computersysteem met zijn basiscomponenten en optionele componenten toe.
  • Aansluitingen en connectoren
  • Functie van controller en driver
• Lexicon. De basiscomponenten van een computersysteem zijn: moederbord, processor,intern geheugen (werkgeheugen, cache geheugen, systeemgeheugen, CMOS), koeling, voeding, grafische kaart, klok.
• Lexicon. De optionele componenten van een computersysteem zijn hardwarecomponenten die dienen voor invoer, uitvoer of opslag
• Wenk. Enkel de gangbare actuele basiscomponenten en optionele componenten van een computersysteem worden besproken. Je kan ook sensoren als mogelijk invoerapparaat voor een smartphone behandelen.

Uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting Informaticabeheer:

• 1.3.6 De functie, belangrijke eigenschappen, voordelen en nadelen van actuele opslagmedia toelichten.
• 1.3.5 Belangrijke eenheden voor technische specificaties van optionele componenten toelichten, bijvoorbeeld bit, byte, rpm, inch, dpi, ppm, ppi, Hz, bps, ANSI lumen ...
• 1.4.6 Aan de hand van technische specificaties diverse uitvoeringen van optionele componenten vergelijken.

Algemene specificaties

• 
  Evolutie data-opslag
• 
  Evolutie data-opslag
• 
  Opslagmedia
• 
  Dataopslag

Specificaties zijn belangrijk om opslagmedia met elkaar te kunnen vergelijken. Hét beste opslagmedium bestaat niet. Je moet steeds bepaalde voor- en nadelen in acht nemen, afhankelijk van de toepassing die je voor ogen hebt.

• Capaciteit. Het is belangrijk dat je rekening houdt met de 'schaalbaarheid' van je project, zodat je geen capaciteit tekort komt. Bij sommige keuzes kan je achteraf nog capaciteit toevoegen, bij andere niet. Denk bv. aan een smartphone zonder mogelijkheid van het toevoegen van een SD-kaart.
• Snelheid. Dit zijn theoretische snelheden, waarbij er een verschil kan zijn tussen de lees- en de schrijfsnelheid. Hiervoor kan ook benchmarking gebruikt worden.
• Verbruik. Vaak zijn dit verschillende waarden, omdat een opslagmedium die leest of schrijf meer zal verbruiken dan eentje die in stand-by staat. Dit is vooral belangrijk bij mobiele toepassingen, maar sowieso: een kWh die je niet verbruikt, moet je niet betalen. Een groter verbruik wijst vaak ook op meer (rest)warmte, waardoor mogelijks extra gekoeld moet worden.
• Kostprijs per gigabyte. Als het een project is waar snelheid heel erg belangrijk is, maar niet zozeer een grote capaciteit, dan mag de kostprijs per gigabyte wat hoger uitvallen, zolang de totale kostprijs maar niet te hoog ligt.
• Geluid, uitgedrukt in dB. Dit zal voor een server in een serverroom niet zo belangrijk zijn, maar wel voor een Home Theater PC.
• Veiligheid: via bovenliggende software kan je encryptie toepassen, maar sommige opslagmedia hebben dit ook out-of-the-box (alhoewel het vaak nog expliciet moet geactiveerd worden).
• Betrouwbaarheid. Hoe robuust is het medium bv. m.b.t. mogelijks vallen (hoe meer bewegende onderdelen, hoe gevoeliger). Wat is het aantal keer dat je het betrouwbaar kan lezen of schrijven? Met S.M.A.R.T. (zie Gegevensherstel) kan je de betrouwbaarheid opvolgen. Aanbieders van gegevensopslag (bv. Amazon's S3, Backblaze) hebben heel wat statistieken over welke modellen goed scoren op betrouwbaarheid.

Er zijn ook nog andere kenmerken die hieronder worden uitgelegd.

Cache

Als je een opslagmedium hebt dat een stuk trager is dan het RAM-geheugen, dan kan beslist zijn om cachegeheugen op dit opslagmedium te voorzien (bv. een stukje RAM op je HDD). De reden is dezelfde zoals bij de browser- of processorcache: snelheidswinst.

Interface

De opslagmedia moet je kunnen aansluiten aan bv. het moederbord. Hiervoor zijn heel wat interfaces mogelijk: PATA, SATA, eSATA, USB, FireWire, PCI Express,... Deze zijn al aan bod gekomen bij het hoofdstuk van computerbussen. Belangrijk is vooral dat je goed onthoudt dat als je een snel opslagmedium aansluit op een trage poort via een oude kabel, je uiteraard niet het onderste uit de kan haalt! Er wordt gesproken over DAS-opslagmedia (direct-attached storage) als deze direct aangesloten is op een computersysteem en die gegevens vasthouden als de computer niet aan staat.

Met de breedbandverbindingen is het interessant om data via een netwerk opgeslagen: dat kan heel dichtbij zijn, maar evengoed kilometers verder. Je kan deze setup volledig in eigen beheer doen en zelf configureren (bv. met ftp, Samba, OpenMediaVault, ownCloud/Nextcloud, Resilio Sync) of je kan gebruikmaken van externe diensten (bv. Dropbox, Microsoft OneDrive of Google Drive). Als je als gebruiker zelf niet goed weet waar je data opgeslagen wordt, spreekt men vaak over cloudopslag. Merk op dat data die via het netwerk wordt opgeslagen aan de andere kant van de lijn deze data op een DAS-opslagmedium zal bewaren.

Bouwvorm

Bij HDDs en SSDs zijn er twee standaardformaten, zodat die gemakkelijk in een computerkast of laptopbehuizing kunnen geplaatst worden: 3,5 inch of 2,5 inch.

Als de eigenlijke elektronica kleiner is (bv. een 2,5 inch SSD) wordt dit vaak toch in een standaardbehuizing (mounting frame) geplaatst (die dan een stuk 'leeg' is), zodat dit makkelijk monteert.

• 
  Grootte
• 
  Connectors
• 
  Mounting frame

HDD

De HDD (hard disk drive) blijft een heel populair medium voor het opslaan van data, omdat de kostprijs per gigabyte behoorlijk laag ligt. Een HDD wordt dan ook gebruikt als veel data moet worden opgeslagen, die toch relatief snel te benaderen moet zijn.

In de HDD-behuizing zit minstens één schijf (de platter), die heel snel ronddraait. Een kenmerkende eigenschap is dan ook hoe snel deze ronddraait, nl. het toerental, uitgedrukt in revolutions of rounds per minute. Typische waarden zijn 7 200 rpm bij een desktop, 5 400 rpm bij een laptop en 10 000 tot 15 000 rpm bij servers. Uiteraard heeft dit toerental invloed op de lees- en schrijfsnelheid. De data wordt bewaart door de magnetische eigenschappen van de platter(s).

• 
  Formaten
• 
  Binnenkant
• 
  Onderdelen
• Werking

Flashgeheugen

Onder flashgeheugen (flash memory) verstaat men een niet-vluchtige vorm van geheugen op basis van de EEPROM-techniek. De naam ‘flash’ is ontstaan, omdat dit type EEPROM in één keer (in een flits) volledig of gedeeltelijk gewist kan worden, om er vervolgens iets anders in te schrijven.

Flashgeheugen wordt onder andere gebruikt als BIOS-ROM in pc's, USB-sticks en solid state drives. Het wordt ook gebruikt in geheugenkaarten voor digitale camera's, tablets en mobiele telefoons.

• 
  Flashgeheugen
• 
  Flashchip
• 
  SSD (SATA)
• 
  SSD (PCIe x4)

Flashgeheugen kan verschillend uitgewerkt zijn en zijn vooral bekend als geheugenkaarten (elk met hun voor- en nadelen). Enkele voorbeelden:

• SSD, zie verder.
• SD (Secure Digital), bv. als miniSD- of microSDkaarten.
• eMMC: tot ongeveer 2016 gebruikten bijna alle mobiele telefoons en tablets dit als hoofdopslagmedium.
• UFS (Universal Flash Storage): bestaat al een tijdje als het interne geheugen van smartphones, maar is ook op weg om de microSD-kaart van de troon te stoten.

Kenmerken

• Robuustheid: door het ontbreken van mechanische onderdelen (zoals die aanwezig zijn in een harde schijf), is flashgeheugen robuuster en daardoor te verkiezen bij ontwerpen die niet vast gemonteerd zijn.
• Snelheid: de snelheid van het lezen zal een stuk hoger liggen dan deze van het schrijven. Uiteraard kunnen er onderling ook grote verschillen zijn (bv. SSD t.o.v. SD-kaart).
• Wear leveling. Er moet vermeden worden dat de ene individuele geheugencel veel meer wordt herschreven dan andere, want als die ene individuele geheugencel niet meer werkt, is het flash opslagmedium niet meer betrouwbaar.
  • Een 'wear leveling' oplossing kan door er een kleine processor in te bouwen die ervoor zorgt dat de individuele cellen gelijkmatig gebruikt worden. De totale levensduur wordt hiermee verveelvoudigd.
  • Sommige bestandssystemen (bv. FAT) zorgen voor relatief veel schrijfbewegingen, wat de levensduur van het flashgeheugen niet ten goede komt. Men heeft nagedacht over specifieke flash file systems, die hiermee rekening kunnen houden. Het besturingsysteem moet hiervoor ondersteuning bieden: bij Windows is dit vaak niet het geval, maar wel bij Linux.

SSD

Een SSD (solid state drive) is een medium waarop digitaal gegevens bewaard kunnen worden met behulp van niet-vluchtig (zoals flash) of vluchtig geheugen (bijvoorbeeld SDRAM).

De voordelen t.o.v. de HDD:

• Snelheid: een SSD heeft een zeer korte toegangstijd en zeer hoge lees- en schrijfsnelheid.
• Geluid: doordat een SSD geen bewegende onderdelen bevat (solid state), produceert een SSD geen geluid.
• Gewicht: een SSD is vele malen lichter dan een harde schijf.
• Zuiniger: een SSD heeft minder vermogen nodig om te werken dan een harde schijf.
• Koeler: geen bewegende onderdelen dus minder warmteproductie.

Het grootste nadeel is de prijs. Een SSD is (gerekend in prijs per gigabyte) nog steeds duurder dan een harde schijf. Vandaar wordt een SSD vaak ingezet wanneer snelheid heel belangrijk is (bv. het besturingssysteem of de programma's) en wordt voor de rest van de opslag (de gewone data) een HDD gebruikt.

Wanneer SSD's veel gebruikt worden, worden ze trager. Bij het schrijven in eerder gebruikte ruimte moet dit gebied eerst gewist worden, en deze handeling kost extra tijd. Daarom heeft men een nieuwe technologie ontwikkeld die dit tegengaat, namelijk TRIM. Zowel de SSD, als het besturingsssyteem moet uitgerust zijn met deze techniek. Merk op dat een SSD en SD-kaart beide voorbeelden zijn van flashgeheugen, maar dat een SSD (bv. door TRIM) beter presteert.

SSDs zijn onder te verdelen in types. Bij SLC heeft 1 cel een bitruimte van 1 en kan dus twee waarden bewaren (0 of 1). Bij MLC heeft 1 cel een bitruimte van 2 en kan dus vier waarden bewaren (00 01 10 11). Stel dat je de inhoud van een cel beschouwd als de inhoud van een maatbeker van 1 liter. Bij SLC zou je kunnen zeggen: als ik minder dan 500 ml meet, dan is het een 0 en meer dan 500 ml, dan is het een 1. Bij MLC moet je al vier niveaus voorzien. Je voelt aan de water kan weglekken en dat de kans dat de inhoud veranderd groter is bij MLC, dan bij SLC. Hierdoor is een SSD op basis van SLC betrouwbaarder, duurzamer en sneller. Helaas zijn ze duurder, omdat je meer cellen nodig hebt voor eenzelfde opslagcapaciteit als bij MLC. Een gelijkaardig verhaal heb je met TLC- en QLC-cellen.

ODD

Optical disk drives maken gebruik van optische schijven om data op te slaan en werken dus op basis van licht. Voorbeelden zijn de CD, DVD en Blu-Ray schijven. Deze hebben vaak een grootte van 120 mm en een opening in het midden van 15 mm. Dit zorgt voor standaardisering van de ODD. Daarnaast bestaan er ook mini-varianten, met een grootte van 80 mm.

Van deze optische schijven bestaan vaak vele varianten (bv. ROM versus te beschrijven). Ook bij de hardware kan één optisch apparaat meerdere formaten ondersteunen. Lees altijd goed de specificaties, zodat je schijf ook werkt met jouw lezer/schrijver. Ter info geven we de specificaties mee van een Samsung SH-224DB/BEBE:

De SH-224DB/BEBE van Samsung is een DVD-brander, welke via 7 Pin Serial ATA wordt aangesloten. De SH-224DB/BEBE kan DVD±R op 24x, DVD±R DL op 8x, DVD+RW op 8x, DVD-RW op 6x, DVD-RAM op 12x, CD-R op 48x, CD-RW op 4x speed kan schrijven en DVD's op 16x, DVD-RAM op 12x, en CD's op 48x speed kan lezen. 

• 
  Evolutie ODD
• 
  CD-lens
• 
  Onderkant CD
• 
  DVD: 12 vs 8 cm

De populariteit van deze optische schijven is de laatste jaren minder geworden, maar wordt nog steeds vaak gebruikt in de entertainment industrie (films, games,…). Dat merk je ook aan de DRM-mogelijkheden van Blu-Ray. Met deze Digital Rights Management (gekscherend soms Digital Restrictions Management) probeert men piraterij en ander oneigenlijk gebruik tegen te gaan. Bv. met watermerken, of een beveiligingssysteem, zodat enkel geschikte hardware toelaat dat de data toegankelijk wordt.

Capaciteit

Ter info een opsomming voor een optische schijf van 120 mm.

Media	Capaciteit (GB)
CD	0,734
DVD single sided, single layer	4,76
DVD single sided, double layer	8,5
DVD double sided, single layer	9,4
DVD double sided, double layer	17
Blu-Ray single layer	25
Blu-Ray dual layer	50,1
Blu-Ray XL 3 layer	100,1
Blu-Ray XL 4 layer	128

Snelheid

De oorspronkelijke CD-ROM drives konden hun data aan 150 kiBps lezen. Maar door verbeterde technologie konden de fabrikanten de snelheid behoorlijk opdrijven. Ze gebruikten hiervoor de notatie nX, waarbij n het veelvoud is t.o.v. de oorspronkelijke snelheid. Zo zal het schrijven van een CD aan 8X tweemaal zo snel zijn in vergelijking met schrijven aan 4x. Ter info enkele schrijfsnelheden van optische schijven:

Media	1X speed (kBps)
CD	153,6
DVD	1385,0
Blu-ray	4500,0

Merk dus op dat als de media allemaal aan 1X snelheid werkt, een Blu-ray sneller is dan een DVD, die op zijn beurt sneller is dan een CD.

Tape

Een tape of magneetband is een opslagmedium voor gegevens in de vorm van een band van kunststof waarop een dunne laag magnetiseerbaar materiaal is aangebracht, waarvan de magnetische deeltjes met een magneet (de schrijfkop) in een bepaalde richting gemagnetiseerd kunnen worden.

• 
  Tapes
• 
  Recorder
• 
  VHS
• 
  Archief

In de begindagen betekende dit een revolutie op vlak van het opslaan van audio en video. Bij deze tape is geen random toegang mogelijk, daar dit een sequentieel medium is. Het enige wat je kan is achteruit en vooruit spoelen. Door dit sequentiële is het niet (meer) populair voor de “gewone” dataopslag: in een thuissituatie zal je geen tape tegenkomen.

Voor het opslaan van grote hoeveelheden data (bij bv. back-ups en archieven) kan magnetic tape data storage toch interessant blijken voor bedrijven. Dit door de lage kost per bit en de lange levensduur van de data die erop staat. De oppervlaktedichtheid is weliswaar lager t.o.v. de harde schijf, maar de beschikbare oppervlakte is een stuk groter. Ter info geven we nog volgende weetjes mee:

• In 2013 kan de hoogste tape cartridge ongeveer 8,5 TB aan niet-gecomprimeerde data opslaan.
• In 2014 liet Sony weten een tape met 23 Gb/cm² ontwikkeld te hebben, wat een tape capaciteit zou betekenen van 185 TB.
• IBM en Sony hebben in 2017 een tape waarop 31 Gb/cm² past, wat een tape van 330 TB betekent.