Зазвичай користувачі мають на своєму комп'ютері один вбудований накопичувач. При першому встановленні операційної системи проводиться розбивка його на певну кількість розділів. Кожен логічний том відповідає за збереження певної інформації. Крім цього він може бути форматований у різні файлові системита в одну із двох структур. Далі ми хотіли б максимально детально описати програмну структуру жорсткого диска.

Щодо фізичних параметрів — HDD складається з кількох частин, об'єднаних в одну систему. Якщо ви хочете отримати розгорнуту інформацію з цієї теми, рекомендуємо звернутися до окремого нашого матеріалу за наступним посиланням, а ми переходимо до розбору програмної складової.

Під час розбивки жорсткого диска на стандартні розділи для системного тома встановлюється буква C, а для другого - D. Літери Aі Bпропускаються, оскільки так позначаються дискети різних форматів. За відсутності другого тома жорсткого диска буквою Dбуде позначатись DVD-привід.

Користувач сам розбиває HDD на розділи, надаючи їм будь-які доступні літери. Про те, як створити таку розбивку вручну, читайте в іншій статті за наступним посиланням.

Структури MBR та GPT

З томами та розділами все дуже просто, але є ще й структури. Старішим логічним зразком називається MBR (Master Boot Record), а йому на заміну прийшов удосконалений GPT (GUID Partition Table). Давайте зупинимося на кожній структурі та розглянемо їх детально.

Диски зі структурою MBR поступово витісняються GPT, але все ще популярні та використовуються на багатьох комп'ютерах. Справа в тому, що Master Boot Record - це перший сектор HDD об'ємом 512 байт, він зарезервований і ніколи не перезаписується. Відповідає ця ділянка за запуск ОС. Зручна така структура тим, що дозволяє без проблем розділяти фізичний накопичувач на частини. Принцип запуску диска з MBR відбувається так:

Тепер, коли відбулося звернення до розділів диска, потрібно визначити активну ділянку, з якої буде завантажуватися ОС. Перший байт у цьому зразку прочитування визначає потрібний розділ для старту. Наступні вибирають номер головки для початку завантаження, номер циліндра та сектора, а також кількість секторів у томі. Порядок зчитування показано на наступному малюнку.

За координати розташування крайнього запису розділу даної технології відповідає технологія CHS (Cylinder Head Sector). Вона зчитує номер циліндра, головки та сектори. Нумерація згаданих частин починається з 0 , а сектори з 1 . Саме шляхом зчитування всіх цих координат визначається логічний розділ жорсткого диска.

Нестача такої системи полягає в обмеженості адресації обсягу даних. Тобто під час першої версії CHS розділ міг мати максимум 8 ГБ пам'яті, чого незабаром, звичайно, перестало вистачати. На заміну прийшла адресація LBA (Logical Block Addressing), у якій було перероблено систему нумерації. Тепер підтримуються диски до 2 ТБ. LBA була ще доопрацьована, але зміни торкнулися лише GPT.

З першим та наступними секторами ми успішно розібралися. Щодо останнього, то він також зарезервований, називається AA55 і відповідає за перевірку MBR на цілісність та наявність необхідної інформації.

Технологія MBR мала ряд недоліків та обмежень, які не могли забезпечити роботу з великою кількістю даних. Виправляти її або змінювати було безглуздо, тому разом із виходом UEFI користувачі дізналися про нову структуру GPT. Вона була створена з урахуванням постійного збільшення обсягу накопичувачів та змін у роботі ПК, тому на поточний час це саме передове рішення. Відрізняється від MBR вона такими параметрами:

• Відсутність координат CHS, підтримується робота лише з доопрацьованою версією LBA;
• GPT зберігає на накопичувачі дві свої копії - одна на початку диска, а друга в кінці. Таке рішення дозволить реанімувати сектор через копію, що зберігається у разі пошкодження;
• Перероблено влаштування структури, про що ми поговоримо далі;
• Перевірка коректності заголовка відбувається за допомогою UEFI з використанням контрольної суми.

Тепер хотілося б детальніше розповісти про принцип роботи цієї структури. Як було зазначено вище, використовується тут технологія LBA, що дозволить без проблем працювати з дисками будь-яких обсягів, а майбутньому розширити діапазон дії, якщо потрібно.

Варто відзначити, що сектор MBR у GPT теж присутній, він є першим і має розмір в один біт. Необхідний для коректної роботи HDD зі старими комплектуючими, а також не дозволяє програмам, яким невідомий GPT, зруйнувати структуру. Тому цей сектор називається захисним. Далі розташовується сектор розміром 32, 48 або 64 біта, що відповідає за розмітку на розділи, називається він первинним GPT-заголовком. Після цих двох секторів йде зчитування вмісту, друга схема томів, а замикає це копія GPT. Повна структура представлена ​​на скріншоті нижче.

На цьому Загальна інформація, яка може бути цікавою для звичайного користувача, закінчується. Далі - це тонкощі роботи кожного сектора, і ці дані вже не стосуються рядового користувача. Щодо вибору GPT або MBR — ви можете ознайомитися з іншою нашою статтею, де обговорюється вибір структури під Windows 7.

Ще хочеться додати, що GPT — досконаліший варіант, і в майбутньому в будь-якому разі доведеться переходити на роботу з носіями такої структури.

Файлові системи та форматування

Говорячи про логічну структуру HDD, не можна не згадати про доступні файлові системи. Звичайно, їх існує багато, але зупинитися ми хотіли б на різновидах для двох ОС, з яким найчастіше працюють звичайні користувачі. Якщо комп'ютер не може визначити файлову систему, то жорсткий дискнабуває формат RAWі саме у ньому відображається в ОС. Доступне ручне виправлення цієї проблеми. Ми пропонуємо ознайомитися з деталями виконання цього завдання.

1. FAT32. Компанія Microsoft розпочала випуск файлових систем з FAT, у майбутньому ця технологія зазнала безліч змін, і останньою версією на даний момент є FAT32. Її особливість полягає в тому, що вона не призначена для обробки та зберігання великих файлів, а також на неї досить проблематично встановити важкі програми. Однак FAT32 універсальна, і при створенні зовнішнього жорсткогодиска вона використовується для того, щоб збережені файли можна було рахувати з будь-якого телевізора чи програвача.
2. NTFS. Майкрософт представила NTFS, щоб повністю замінити FAT32. Зараз ця файлова система підтримується усіма версіями Windows, починаючи від XP, також добре працює на Linux, проте на Mac OS можна тільки рахувати інформацію, записати нічого не вийде. Виділяється NTFS тим, що не має обмежень на розмір файлів, що записуються, володіє розширеною підтримкою різних форматів, можливістю стиснення логічних розділів і легко відновлюється при різних пошкодженнях. Всі інші файлові системи більшою мірою підходять для невеликих. знімних носіїві досить рідко застосовуються в жорстких дисках, тому ми не розглядатимемо їх у рамках цієї статті.

Із файловими системами Windows ми розібралися. Хотілося б звернути увагу ще на типи, що підтримуються в ОС Linux, оскільки вона також є популярною серед користувачів. Лінукс підтримує роботу з усіма файловими системами Віндовс, Однак саму операційну систему рекомендується встановлювати на спеціально розроблену для цього ФС. Відзначити варто такі різновиди:

1. Extfsстала найпершою файловою системою для Linux. Вона має свої обмеження, наприклад, максимальний розмір файлу не може перевищувати 2 ГБ, яке ім'я має знаходитися в діапазоні від 1 до 255 символів.
2. Ext3і Ext4. Ми пропустили попередні дві версії Ext, оскільки зараз вони є зовсім неактуальними. Розповімо лише про більш-менш сучасні версії. Особливість цієї ФС полягає в підтримці об'єктів розміром до одного терабайта, хоча при роботі на старому ядрі Ext3 не підтримувала елементи розміром більше 2 ГБ. Ще однією особливістю можна назвати підтримку прочитування програмного забезпечення, написаного під Windows. Потім вийшла нова ФС Ext4, яка дозволила зберігати файли обсягом до 16 ТБ.
3. Головним конкурентом Ext4 вважається XFS. Її перевага полягає в особливому алгоритмі запису, він називається "Відкладене виділення місця". Коли дані відправляються на запис, вони спочатку поміщаються в оперативну пам'ять і чекають на черги на збереження в дисковому просторі. Переміщення на HDD здійснюється лише тоді, коли ОЗУ закінчується чи займається іншими процесами. Така послідовність дозволяє згрупувати дрібні завдання у великі та зменшити фрагментацію носія.

Що ж до вибору файлової системи під установку ОС, звичайному користувачеві краще вибрати рекомендований варіант при інсталяції. Зазвичай це Etx4 чи XFS. Просунуті користувачі вже залучають ФС під свої потреби, використовуючи її різні типидо виконання поставлених завдань.

Змінюється файлова система після форматування накопичувача, тому це досить важливий процес, що дозволяє не тільки видалити файли, але й виправити неполадки із сумісністю або читанням. Ми пропонуємо вам прочитати спеціальний матеріал, у якому максимально детально розписано правильну процедуру форматування HDD.

Крім цього файлова система об'єднує групи секторів у кластери. Кожен тип робить це по-різному та вміє працювати тільки з певною кількістю одиниць інформації. Кластери відрізняються за розміром, маленькі підходять для роботи з легкими файлами, а великі мають перевагу - менш схильні до фрагментації.

Фрагментація з'являється через постійне перезаписування даних. З часом розбиті на блоки файли зберігаються в різні частини диска і потрібно проводити ручну дефрагментацію, щоб виконати перерозподіл їх розташування і підвищити швидкість роботи HDD.

Інформації з приводу логічної структури обладнання, що розглядається, присутня ще чимала кількість, взяти ті ж формати файлів і процес їх запису в сектори. Однак сьогодні ми постаралися максимально просто розповісти про найважливіші речі, які буде корисно знати будь-якому користувачеві ПК, який бажає вивчити світ комплектуючих.

Початковий сектор диска має головний кореневий запис, який завантажується в пам'ять і виконується. Остання частина сектора має таблицю розділів — 4 елементну таблицю з 16-байтовими елементами. Такою таблицею керує програма FDISK. При завантаженні ROM-BIOS завантажує цей сектор із записом таблиці. Це робиться для того, щоб визначити активний розділ. Потім зчитується коректний кореневий сектор на згадку і виконується.
Таблиця 1 — Структура головного кореневого запису та таблиці розділів

Таблиця 2 - Структура описувача розділу

Код розділу призначений для визначення та положення на диску розширеного та основного розділів. Після виявлення розділу його розмір та координати можна прочитати з певних полів. Якщо в полі коду розділу 0 , Описувач можна вважати порожнім, і буде виразно, що на диску немає ніякого розділу.
Таблиця 3 - Коди розділів ОС Microsoft

Код	Вид розділу	Розмір	Тип FAT	ОС
01h	Основний	0-15 Мбайт	FAT12	MS-DOS 2.0
04h	Основний	16-32 Мбайт	FAT16	MS-DOS 3.0
05h	Розширений	0-2 Гбайт	—	MS-DOS 3.3
06h	Основний	32 Мбайт - 2 Гбайт	FAT16	MS-DOS 4.0
0Bh	Основний	512 Мбайт - 2 Гбайт	FAT32	OSR2
0Ch	Розширений	512 Мбайт - 2 Гбайт	FAT32	OSR2
0Eh	Основний	32 Мбайт - 2 Гбайт	FAT16	Windows 95
0Fh	Розширений	0 - 2 Гбайт	—	Windows 95

За ОС інших фірм зарезервовані такі коди:

• 02h - розділ СР/М
• 03h - розділ Xenis
• 07h - розділ OS/2 (HPFS)

Номери циліндра та сектора займають 10 та 6 біт:

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
c	c	c	c	c	c	c	c	c	c	s	s	s	s	s	s

Вони запаковані так, що коли завантажується СХ 16-бітовим значенням, воно готове для виклику переривання INT 13h для читання певної порції диска. Після прочитання головного запису завантаження в область пам'яті sect_bufфункція:

CMP byte ptr sect_buf , 80h

перевірить, чи активний перший розділ. А наступний алгоритм завантажить СХ для виклику INT 13h читання кореневого сектора розділу №1.

MOV CX, sect_buf

Параметри відносного секторапо зсуву 08h у кожному розділі дорівнює голівці, сектору та циліндру початкової адреси розділу. Відносний номер сектора приростає спочатку по кожному сектору на головці, потім по кожній головці і нарешті по кожному циліндру. Формула:

отн_сек = (#Ціл * сек_на_ціл * головок) + (#Гол * сек_на_ціл) + (#Сік -1)

Розділи стартують з парного номера циліндра, крім першого розділу.

Структура кореневого сектора

Формат кореневого сектора дискети або розділу жорсткого диска показано на рис.1.

Малюнок 1

Таблиця параметрів жорсткого диска

Така 16-байтова структура розташовується за адресою вектора переривання INT 41h (4-байтова адреса о 0:0104). Характеристики для другого жорсткогодиски (якщо існує) розташовуються за адресою вектора INT 46h.
Таблиця 5 - Формат таблиці жорсткого диска

Зміщення	Довжина	Вміст
00h	2	Число циліндрів
02h	1	Число головок
03h	2	Не використовується (завжди 0)
05h	2	Номер початкового циліндра передкомпенсації
07h	1	Максимальна довжина блоку корекції помилок ECC
08h	1	айт контролю: біти 0-2 - не використовуються (завжди 0); біт 3 - встановлений, якщо число головок більше 8; біт 4 - не використовується (завжди 0); біт 5 - встановлений, якщо виробник розмістив карту дефектів на циліндрі з номером "максимальний робочий циліндр + 1"; біт 6 - заборона повторного контролю ECC; біт 7 - заборона контролю ECC
09h	1	Не використовується (завжди 0)
0Ah	1	Не використовується (завжди 0)
0Bh	1	Не використовується (завжди 0)
0Ch	2	Номер циліндра зони паркування
0Eh	1	Число секторів на доріжці
0Fh	1	Резерв

Таблиця розподілу файлів (FAT)

Розмір файлу може змінюватися з часом. Якщо припустити зберігання файлу лише у суміжних секторах, то зі збільшенням розміру файла ОС має повністю переписати їх у інше місце диска. Для спрощення завдання, в сучасних ОС реалізовані таблиці розподілу файлів (File Allocation Table - FAT), які дозволяють зберігати файл у вигляді кількох окремих ділянок.

У FAT область даних логічного диска поділена на ділянки однакового розміру. . Число секторів у кластері кратне 2 N і може приймати значення від 1 до 64. У каталозі файлів для кожного файлу є номер початкового елемента в таблиці FAT, що дорівнює першому кластеру в ланцюжку файлу. Приклад показано на рис.2. З малюнка видно:

• MYFILE.TXT займає 10 кластерів. Перший кластер це – 08, а останній 1Вh. Ланцюжок кластерів - 08h, 09h, 0Ah, 0Bh, 15h, 16h, 17h, 19h, 1Ah, 1Bh. Кожен компонент ланцюжка вказує на наступний компонент ланцюжка, показано в табл.6.
• Кластер 18h позначений як дефектний, і не входить до ланцюжка
• Кластери 06h, 07h, 0Ch-14h та 1Ch-1Fh порожні та доступні для інших ланцюжків

Таблиця 6 - Значення елементів FAT

FAT починається з логічного сектора 1 у розділі DOS. У принципі потрібно прочитати кореневий сектор DX = 0, і взяти зсув 0Eh. Там вже дізнаємось кількість кореневих та резервних секторів, які стоять перед FAT. Щоб прочитати будь-який компонент FAT ланцюжком, потрібно прочитати всю FAT і отримати з змісту початковий номер кластера, і у випадку FAT12:

• помножити номер кластера на 3
• розділити результат на 2
• прочитати з FAT 16-розрядне слово, використовуючи як адресу результат попереднього кола
• Якщо номер елемента є парним, але потрібно виконати AND над словом і маскою 0FFFh. Якщо ж непарний, то зрушити значення праворуч на 4 біти.

Кожен із нас щодня стикається з різними комп'ютерними термінами, знання про які є поверхневими, а деякі терміни нам взагалі не знайомі. Та й навіщо щось знати про те, що нас не стосується чи не турбує. Чи не так? Відома істина: поки якесь обладнання (в т.ч. і жорсткий диск) нормально і безпроблемно функціонує, то ніхто і ніколи не забиватиме свою голову тонкощами його роботи, та це й до чого.

Але, в моменти, коли в процесі роботи будь-якого пристрою системного блоку починаються збої, або просто раптово знадобилася допомога з комп'ютером, дуже багато користувачів відразу беруть викрутку і книгу «ази комп'ютерної грамотності, або як реанімувати комп'ютер в домашніх умовах». І намагаються самостійно вирішити проблему, не вдаючись при цьому до допомоги спеціаліста. І найчастіше це закінчується дуже плачевно для їхнього комп'ютера.

• Поняття "жорсткий диск" або "вінчестер" та їх виникнення

Визначення та виникнення поняття "вінчестер"

Отже, темою нашої чергової статті цього разу буде така запчастина системного блоку, як жорсткий диск. Ми з вами докладно розглянемо саме значення цього поняття, коротко згадаємо історію його розвитку, і докладніше зупинимося на внутрішній будові, розберемо його основні типи, інтерфейси та подробиці його підключення. Окрім цього трохи зазирнемо в майбутнє, а може, навіть уже майже й у сьогодення, і розповімо, що поступово приходить на зміну старим добрим гвинтам. Забігаючи вперед, скажемо, що це твердотільні накопичувачі, що працюють за принципом USB-флешок – SSD-пристрої.

Найперший у світі жорсткий диск, такого типу, як ми звикли бачити його зараз і яким звикли користуватися, винайшов співробітник IBM Кеннет Хотон у 1973 році. Ця модель називалася загадковим поєднанням цифр: 30-30, так само, як калібр у всьому відомої гвинтівки Winchester, Не важко здогадатися, що звідси й пішла одна з назв - вінчестер, яка популярна в середовищі айтішників досі. А можливо, хтось його зараз прочитав взагалі вперше.

Перейдемо до визначення: жорсткий диск (а, якщо вам зручно, то хард, вінчестер, HDD або гвинт) – це пристрій комп'ютера (або ноутбука), на який за допомогою спеціальних головок читання/запису інформація записується, зберігається і видаляється при необхідності .

"А чим же все це відрізняється від простих дискет або CD-DVD?" – просіть ви. А вся справа в тому, що на відміну від гнучких або оптичних носіїв, тут дані записуються на жорсткі (звідси і назва, хоча хтось може вже й здогадався сам) алюмінієві або скляні пластини, на які нанесений тонкий шар феромагнітного матеріалу, найчастіше для цього використовується хром діоксид.

Вся поверхня таких магнітних пластин, що обертаються, розділена на доріжки і сектори по 512 байт кожен. У деяких накопичувачах є лише один такий диск. Інші містять одинадцять і більше пластин, причому інформація записується на обидві сторони кожної з них.

Внутрішня будова

Сама конструкція жорсткого диска складається не тільки з безпосередніх накопичувачів інформації, але й механізму, який зчитує ці дані. Все разом це і є головною відмінністю хардів від дискет та оптичних накопичувачів. А на відміну від оперативної пам'яті(ОЗУ), якій необхідне постійне живлення, вінчестер є незалежним пристроєм. Його можна сміливо відключати від харчування та брати із собою куди завгодно. Дані у ньому зберігаються. Це стає особливо важливо, коли потрібно відновити інформацію.

Тепер трохи розповімо безпосередньо про внутрішню будову жорсткого диска. Сам вінчестер складається із герметичного блоку, заповненого звичайним знеспиленим повітрям під атмосферним тиском. Розкривати їх у домашніх умовах ми рекомендуємо, т.к. це може призвести до поломки пристрою. Яким би чистюлею ви не були, але пил у кімнаті знайдеться завжди і він може потрапити всередину корпусу. У професійних сервісах, що спеціалізуються на відновленні даних, є спеціально обладнана «чиста кімната», всередині якої й розтин вінчестера.

Також до складу пристрою входить плата з електронною схемоюуправління. Усередині блоку знаходяться механічні частини накопичувача. На шпинделі двигуна приводу обертання дисків закріплено один або кілька магнітних пластин.

У корпусі також розташований підсилювач-комутатор магнітних головок. Сама ж магнітна головка здійснює читання або запис інформації з поверхні однієї зі сторін магнітного диска. Швидкість обертання якого сягає 15 тис. оборотів за хвилину - це щодо сучасних моделей.

При включенні живлення процесор жорсткого диска починає з того, що тестує електроніку. Якщо все гаразд, вмикається шпиндельний двигун. Після того, як досягнута певна критична швидкість обертання, щільність прошарку повітря, що набігає між поверхнею диска та головкою, стає достатньою, щоб подолати силу притиску головки до поверхні.

В результаті, головка читання/запису "зависає" над пластиною на крихітній відстані всього 5-10 нм. Робота голівки читання/запису схожа з принципом дії голки в грамофоні, тільки з однією відмінністю - у неї не відбувається фізичного контакту з пластиною, тоді як у грамофоні голівка голки стикається з платівкою.

У моменти, коли живлення комп'ютера вимикається та диски зупиняються, головка опускається на неробочу зону поверхні пластини, так звану зону паркування. Тому не рекомендується завершувати роботу комп'ютера аварійно - просто натискаючи кнопку вимкнення або висмикуючи кабель живлення з розетки. Це може призвести до виходу з експлуатації всього HDD. Ранні моделі мали спеціальне програмне забезпечення, яке ініціювало операцію паркування головок.

У сучасних же HDD виведення головки в зону паркування відбувається автоматично, коли знижується швидкість обертання нижче за номінальну або коли подається команда на відключення живлення. Назад у робочу зону головки виводяться лише тоді, коли буде досягнуто номінальної швидкості обертання двигуна.

Напевно, у вашому допитливому розумі вже дозріло питання - наскільки герметичний сам блок дисків і яка ймовірність того, що туди може просочитися пил або інші дрібні частинки? Як ми вже писали вище, вони можуть призвести до збою в роботі харда або взагалі до його поломки та втрати важливої ​​інформації.

Але не варто хвилюватись. Виробники все давно передбачили. Блок дисків з двигуном та головки знаходяться у спеціальному герметичному корпусі – гермоблоці (камері). Однак його вміст не повністю ізольований від навколишнього середовища, обов'язково необхідно переміщення повітря з камери назовні та навпаки.

Це потрібно, щоб вирівняти тиск усередині блоку із зовнішнім, щоб запобігти деформації корпусу. Ця рівновага досягається за допомогою спеціального пристрою, який називається барометричний фільтр. Він розміщений усередині гермоблоку.

Фільтр вміє вловлювати найдрібніші частинки, величина яких перевищує відстань між головкою читання/запису та феромагнітною поверхнею диска. Крім вищезгаданого фільтра є ще один – фільтр рециркуляції. Він уловлює частинки, які є у повітряному потоці всередині самого блоку. Вони можуть там з'являтися від обсипання магнітного запилення дисків (напевно, ви чули коли-небудь фразу, що «хард посипався»). Крім того, цей фільтр вловлює ті частинки, які "пропустив" його барометричний "колега".

Інтерфейси підключення HDD

На сьогоднішній день, щоб підключити жорсткий диск до комп'ютера, ви можете використовувати один з трьох інтерфейсів: IDE, SCSI і SATA.

Спочатку в 1986 інтерфейс IDE розроблявся тільки для підключення HDD. Потім його модифікували розширений інтерфейс ATA. В результаті до нього можна підключати не лише вінчестери, а й CD/DVD-приводи.

Інтерфейс SATA - більш швидкий, сучасний і продуктивний, ніж ATA.

У свою чергу, SCSI – високопродуктивний інтерфейс, який здатний підключати різноманітні пристрої. Сюди входять як накопичувачі інформації, а й різна периферія. Наприклад, швидші SCSI-сканери. Однак, коли з'явилася USB-шина, необхідність підключення периферії за допомогою SCSI відпала. Тож якщо вам пощастить його десь побачити, то вважайте, що вам пощастило.

Зараз давайте трохи розповімо про підключення до інтерфейсу IDE. У системі може бути два контролери (первинний і вторинний), до кожного з яких можна підключити два пристрої. Відповідно отримуємо максимум 4: первинний майстер, первинний підлеглий та вторинний майстер, вторинний підлеглий.

Після підключення пристрою до контролера слід вибрати режим його роботи. Він вибирається за допомогою установки спеціальної перемички (вона називається джампер) у певне місце у роз'ємі (поряд із роз'ємом для підключення шлейфу IDE).

При цьому слід пам'ятати, що швидше обладнання до контролера підключається першим і називається master. Друге називається slave (підпорядковане). Остання маніпуляція буде підключити живлення, для цього нам потрібно вибрати один з кабелів блоку живлення. Ця інформація стане вам у нагоді, якщо у вас дуже-дуже старий комп'ютер. Бо в сучасних потреба у подібних маніпуляціях відпала.

Через SATA підключити набагато простіше. Кабель для нього має однакові роз'єми на обох кінцях. SATA диск не має перемичок, тому у вас немає необхідності вибирати режим роботи пристроїв - впорається навіть дитина. Живлення підключається за допомогою спеціального кабелю (3,3). Однак існує можливість підключитись через перехідник до звичайного кабелю живлення.

Дамо одну корисну пораду: якщо до вас часто приходять друзі зі своїми вінчестерами переписати нових фільмів або музики (так-так, друзі у вас настільки суворі, що носять із собою не зовнішній HDD, а звичайний внутрішній), і ви вже втомилися весь час розкручувати системний блок, рекомендуємо придбати спеціальну кишеню для жорсткого диска (він називається Mobile Rack). Вони є і з IDE, і із SATA-інтерфейсами. Щоб підключити до вашого комп'ютера ще один додатковий хард, просто вставляємо його в таку кишеню та готове.

SSD диски – новий етап у розвитку

Вже сьогодні (а можливо вже й учора) розпочався наступний етап у розвитку пристроїв-накопичувачів інформації. На зміну жорстким дискам приходить новий тип – SSD. Далі розповімо про нього детальніше.

Отже, SSD (Solid State Disk) – твердотільний накопичувач, який працює за принципом флеш-пам'яті USB. Одна з найважливіших його відмінних рисвід звичайних вінчестерів та оптичних накопичувачів – у його пристрій не входить жодних рухомих деталей та механічних компонентів.

Накопичувачі даного типу, як це часто буває, спочатку розроблялися виключно для військових цілей, а також для високошвидкісних серверів, оскільки старі добрі харди для таких потреб були недостатньо швидкими і надійними.

Перерахуємо найважливіші переваги SSD:

• По-перше, запис інформації на SSD та читання з нього відбувається набагато швидше (десятки разів), ніж з HDD. Роботу звичайного вінчестера дуже гальмує рух головки читання/запису. А т.к. у SSD її немає, то й проблеми немає.
• По-друге, завдяки одночасному використанню всіх модулів пам'яті, встановлених у SSD-накопичувач, швидкість передачі даних значно вища.
• По-третє, не такі сприйнятливі до ударів. У той час як жорсткі накопичувачі можуть втратити при ударі частину даних або взагалі вийти з ладу, що і трапляється найчастіше - будьте обережні!
• По-четверте, споживають менше енергії, що робить їх зручними у використанні у пристроях, що працюють від акумуляторів – ноутбуках, нетбуках, ультрабуках.
• По-п'яте, даний тип накопичувачів при роботі практично не робить жодного шуму, тоді як при роботі хардів ми чуємо обертання дисків та рух головки. А коли вони виходять з ладу, то і взагалі сильний тріск або стукіт головок.

Але не приховуватимемо: мабуть, є два недоліки SSD - 1) за його певну ємність ви заплатите значно дорожче, ніж за жорсткий диск ідентичного обсягу пам'яті (різниця буде в кілька разів, хоча з кожним роком стає все менше і менше); 2) SSD мають відносно невелику обмежену кількість циклів читання/запису (тобто спочатку обмежений термін служби).

Отже, ми з вами познайомилися з поняттям "жорсткий диск", розглянули його будову, принцип роботи та особливості різних інтерфейсів підключення. Сподіваємося, запропонована інформація виявилася нескладною для сприйняття, а головне корисною.

Якщо у вас виникли труднощі з вибором, якщо не можете визначити, який тип жорстких дисків підтримує ваша материнська плата, який інтерфейс підходить або який обсяг HDD більше відповідатиме вашим потребам, то ви завжди можете звернутися за допомогою до комп'ютерного сервісу Комполайф на всій території нашого обслуговування.

Наші фахівці допоможуть вам із вибором та заміною жорсткого диска. Крім цього, у нас ви можете замовити встановлення нового пристрою у ваш системний блок або ноутбук.

Викликати майстра

Жорсткі диски, або, як їх ще називають, вінчестери є однією з найголовніших складових комп'ютерної системи. Про це знають усі. Але далеко не кожен сучасний користувач навіть у принципі здогадується про те, як функціонує жорсткий диск. Принцип роботи загалом для базового розуміння досить нескладний, проте тут є свої нюанси, про які далі й йтиметься.

Питання призначення та класифікації жорстких дисків?

Питання призначення, звісно, ​​риторичне. Будь-який користувач, нехай навіть самого початкового рівня, відразу відповість, що вінчестер (він же жорсткий диск, він Hard Drive або HDD) відразу відповість, що він служить для зберігання інформації.

Загалом і загалом вірно. Не варто забувати, що на жорсткому диску, крім операційної системи та файлів користувача, є створені ОС завантажувальні сектори, завдяки яким вона і стартує, а також деякі мітки, за якими на диску можна швидко знайти потрібну інформацію.

Сучасні моделі досить різноманітні: звичайні HDD, зовнішні жорсткі диски, високошвидкісні твердотілі накопичувачі SSDхоча їх саме до жорстких дисків відносити і не прийнято. Далі пропонується розглянути пристрій та принцип роботи жорсткогодиска, якщо не в повному обсязі, то принаймні в такому, щоб вистачило для розуміння основних термінів та процесів.

Зверніть увагу, що існує спеціальна класифікація сучасних HDD за деякими основними критеріями, серед яких можна виділити такі:

• спосіб зберігання інформації;
• тип носія;
• метод організації доступу до інформації.

Чому жорсткий диск називають вінчестер?

Сьогодні багато користувачів замислюються над тим, чому називають вінчестерами, що належать до стрілецької зброї. Здавалося б, що може бути спільного між цими двома пристроями?

Сам термін з'явився ще далекому 1973 року, коли ринку з'явився перший у світі HDD, конструкція якого складалася з двох окремих відсіків в одному герметичному контейнері. Ємність кожного відсіку становила 30 Мб, через що інженери дали диску кодову назву «30-30», що було повною мірою співзвучно з маркою популярної на той час рушниці «30-30 Winchester». Щоправда, на початку 90-х в Америці та Європі ця назва практично вийшла з вживання, проте досі залишається популярною на пострадянському просторі.

Пристрій та принцип роботи жорсткого диска

Але ми відволіклися. Принцип роботи жорсткого диска можна коротко описати як процеси зчитування або запису інформації. Але як це відбувається? Щоб зрозуміти принцип роботи магнітного жорсткого диска, в першу чергу необхідно вивчити, як він влаштований.

Сам жорсткий диск є набором пластин, кількість яких може коливатися від чотирьох до дев'яти, з'єднаних між собою валом (віссю), званим шпинделем. Пластини розташовуються одна над одною. Найчастіше матеріалом для їх виготовлення є алюміній, латунь, кераміка, скло і т. д. Самі ж пластини мають спеціальне магнітне покриття у вигляді матеріалу, званого платтером, на основі гамма-ферит-оксиду, окису хрому, фериту барію тощо. Кожна така пластина за товщиною становить близько 2 мм.

За запис та читання інформації відповідають радіальні головки (по одній на кожну пластину), а пластинах використовуються обидві поверхні. За якого може становити від 3600 до 7200 об/хв, і переміщення головок відповідають два електричні двигуни.

При цьому основний принцип роботи жорсткого диска комп'ютера полягає в тому, що інформація записується не абияк, а в строго певні локації, звані секторами, які розташовані на концентричних доріжках або треках. Щоб не було плутанини, застосовуються єдині правила. Мається на увазі, що принципи роботи накопичувачів на жорстких дисках, з погляду їхньої логічної структури, є універсальними. Так, наприклад, розмір одного сектора, прийнятий за єдиний стандарт у всьому світі, становить 512 байт. У свою чергу сектори діляться на кластери, що є послідовністю поруч секторів, що знаходяться. І особливості принципу роботи жорсткого диска у цьому відношенні полягають у тому, що обмін інформацією якраз і виробляється цілими кластерами (цілим числом ланцюжків секторів).

Але як відбувається зчитування інформації? Принципи роботи накопичувача на жорстких магнітних дисках виглядають наступним чином: за допомогою спеціального кронштейна зчитуюча голівка в радіальному (спіралеподібному) напрямку переміщається на потрібну доріжку і при повороті позиціонується над заданим сектором, причому всі головки можуть переміщатися одночасно, зчитуючи однакову інформацію не тільки з різних доріг , але й із різних дисків (пластин). Усі доріжки з однаковими порядковими номерами називають циліндрами.

При цьому можна виділити ще один принцип роботи жорсткого диска: чим ближче головка, що зчитує, до магнітної поверхні (але не стосується її), тим вище щільність запису.

Як здійснюється запис та читання інформації?

Жорсткі диски, або вінчестери, тому і були названі магнітними, що у них використовуються закони фізики магнетизму, сформульовані ще Фарадеєм та Максвеллом.

Як мовилося раніше, на пластини з немагниточувствительного матеріалу наноситься магнітне покриття, товщина якого становить лише кілька мікрометрів. У процесі роботи виникає магнітне поле, що має так звану доменну структуру.

Магнітний домен є строго обмеженою межами намагніченої області феросплаву. Далі принцип роботи жорсткого диска коротко можна описати так: при виникненні впливу зовнішнього магнітного поля, власне поле диска починає орієнтуватися строго вздовж магнітних ліній, а при припиненні на дисках з'являються зони залишкової намагніченості, в якій і зберігається інформація, яка раніше містилася в основному полі .

За створення зовнішнього поля при записі відповідає зчитуюча голівка, а при читанні зона залишкової намагніченості, опинившись навпроти голівки, створює електрорушійну силу або ЕРС. Далі все просто: зміна ЕРС відповідає одиниці у двійковому коді, а його відсутність чи припинення – нулю. Час зміни ЕРС прийнято називати бітовим елементом.

Крім того, магнітну поверхню суто з міркувань інформатики можна асоціювати як певну точкову послідовність бітів інформації. Але оскільки розташування таких точок абсолютно точно обчислити неможливо, на диску потрібно встановити якісь заздалегідь передбачені мітки, які допомогли визначити потрібну локацію. Створення таких міток називається форматуванням (в принципі, розбивка диска на доріжки та сектори, об'єднані в кластери).

Логічна структура та принцип роботи жорсткого диска з точки зору форматування

Що стосується логічної організації HDD, тут на перше місце виходить саме форматування, в якому розрізняють два основні типи: низькорівневий (фізичний) і високорівневий (логічне). Без цих етапів ні про яке приведення жорсткого диска в робочий стан годі й говорити. Про те, як ініціалізувати новий вінчестер, буде сказано окремо.

Низькорівневе форматування передбачає фізичну дію на поверхню HDD, у якому створюються сектори, розташовані вздовж доріжок. Цікаво, що принцип роботи жорсткого диска такий, що кожен створений сектор має свою унікальну адресу, що включає номер самого сектора, номер доріжки, на якій він розташовується, і номер сторони пластини. Таким чином, при організації прямого доступу та ж оперативна пам'ять звертається безпосередньо за заданою адресою, а не шукає потрібну інформацію по всій поверхні, за рахунок чого досягається швидкодія (хоча це й не найголовніше). Зауважте, що при виконанні низькорівневого форматування стирається абсолютно вся інформація, і відновленню вона в більшості випадків не підлягає.

Інша справа – логічне форматування (у Windows-системах це швидке форматування або Quick format). Крім того, ці процеси застосовні і до створення логічних розділів, що становлять певну область основного жорсткого диска, що працює за тими ж принципами.

Логічне форматування, перш за все, зачіпає системну область, яка складається із завантажувального сектора та таблиць розділів (завантажувальний запис Boot record), таблиці розміщення файлів (FAT, NTFS тощо) та кореневого каталогу (Root Directory).

Запис інформації у сектори проводиться через кластер декількома частинами, причому у одному кластері неспроможна міститися два однакових об'єкта (файла). Власне, створення логічного розділу, як би відокремлює його від основного системного розділу, внаслідок чого інформація, на ньому зберігається, при появі помилок і збоїв змін або видалення не схильна.

Основні характеристики HDD

Здається, загалом принцип роботи жорсткого диска трохи зрозумілий. Тепер перейдемо до основних характеристик, які дають повне уявлення про всі можливості (або недоліки) сучасних вінчестерів.

Принцип роботи жорсткого диска та основні характеристики можуть бути різними. Щоб зрозуміти, про що йдеться, виділимо основні параметри, якими характеризуються всі відомі на сьогодні накопичувачі інформації:

• ємність (об'єм);
• швидкодія (швидкість доступу до даних, читання та запис інформації);
• інтерфейс (спосіб підключення, тип контролера).

Ємність є загальною кількістю інформації, яка може бути записана та збережена на вінчестері. Індустрія з виробництва HDD розвивається так швидко, що сьогодні узвичаїлися вже жорсткі диски з обсягами близько 2 Тб і вище. І, як вважається, це ще межа.

Інтерфейс - найважливіша характеристика. Вона визначає, яким саме способом пристрій підключається до материнської плати, який саме контролер використовується, як здійснюється читання та запис і т. д. Основними та найпоширенішими інтерфейсами вважаються IDE, SATA та SCSI.

Диски з IDE-інтерфейсом відрізняються невисокою вартістю, однак серед головних недоліків можна виділити обмежену кількість пристроїв, що одночасно підключаються (максимум чотири) і невисоку швидкість передачі даних (причому навіть за умови підтримки прямого доступу до пам'яті Ultra DMA або протоколів Ultra ATA (Mode 2 і Mode) 4) Хоча, як вважається, їх застосування дозволяє підвищити швидкість читання/запису до рівня 16 Мб/с, але насправді швидкість набагато нижча. комплекті з материнською платою.

Говорячи про те, що є принципом роботи жорсткого диска і характеристики, не можна обминути стороною і який є спадкоємцем версії IDE ATA. Перевага даної технології полягає в тому, що швидкість читання/запису можна підвищити до 100 Мб/с за рахунок використання високошвидкісної шини Fireware IEEE-1394.

Нарешті, інтерфейс SCSI в порівнянні з двома попередніми є найбільш гнучким і найшвидшим (швидкість запису/читання досягає 160 Мб/с і вище). Але й стоять такі вінчестери практично вдвічі дорожчі. Зате кількість пристроїв зберігання інформації, що одночасно підключаються, становить від семи до п'ятнадцяти, підключення можна здійснювати без знеструмлення комп'ютера, а довжина кабелю може становити близько 15-30 метрів. Власне, цей тип HDD здебільшого застосовується не в ПК, а на серверах.

Швидкодія, що характеризує швидкість передачі і пропускну здатність введення/виводу, зазвичай виражається часом передачі та обсягом переданих розташованих послідовно даних і виражається в Мб/с.

Деякі додаткові параметри

Говорячи про те, що є принципом роботи жорсткого диска і які параметри впливають на його функціонування, не можна обминути стороною і деякі додаткові характеристики, від яких може залежати швидкодія або навіть термін експлуатації пристрою.

Тут першому місці виявляється швидкість обертання, яка безпосередньо впливає час пошуку і ініціалізації (розпізнавання) потрібного сектора. Це так званий прихований час пошуку - інтервал, протягом якого необхідний сектор повертається до головки, що зчитує. Сьогодні прийнято кілька стандартів для швидкості обертання шпинделя, вираженої в обертах за хвилину з часом затримки в мілісекундах:

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

Неважко помітити, що чим вища швидкість, тим менший час витрачається на пошук секторів, а у фізичному плані – на оборот диска до установки для голівки потрібної точки позиціонування пластини.

Ще один параметр – внутрішня швидкість передачі. На зовнішніх доріжках вона мінімальна, але збільшується за поступового переходу на внутрішні доріжки. Таким чином, той же процес дефрагментації, що є переміщення часто використовуваних даних у найшвидші області диска, - не що інше, як перенесення їх на внутрішню доріжку з більшою швидкістю читання. Зовнішня швидкість має фіксовані значення і залежить від використовуваного інтерфейсу.

Нарешті, один з важливих моментів пов'язаний з наявністю жорсткого диска власної кеш-пам'яті або буфера. По суті, принцип роботи жорсткого диска щодо використання буфера в чомусь схожий на оперативну або віртуальну пам'ять. Чим більший обсяг кеш-пам'яті (128-256 Кб), тим швидше буде працювати жорсткий диск.

Головні вимоги до HDD

Основних вимог, які здебільшого пред'являються жорстким дискам, негаразд і багато. Головне - тривалий термін служби та надійність.

Основним стандартом для більшості HDD вважається термін служби близько 5-7 років з часом напрацювання не менше ніж п'ятсот тисяч годин, але для вінчестерів високого класу цей показник становить не менше мільйона годин.

Що стосується надійності, це відповідає функція самотестування S.M.A.R.T., яка стежить за станом окремих елементів жорсткого диска, здійснюючи постійний моніторинг. На основі зібраних даних може формуватися навіть певний прогноз появи можливих несправностей надалі.

Само собою зрозуміло, що і користувач не повинен залишатися осторонь. Так, наприклад, при роботі з HDD вкрай важливо дотримуватися оптимального температурний режим(0 - 50 ± 10 градусів Цельсія), уникати струсів, ударів і падінь вінчестера, попадання в нього пилу або інших дрібних частинок тощо. До речі, багатьом буде цікаво дізнатися, що ті ж частки тютюнового диму приблизно вдвічі більші відстані між головою, що зчитує, і магнітною поверхнею вінчестера, а людського волосся - в 5-10 разів.

Питання ініціалізації в системі при заміні вінчестера

Тепер кілька слів про те, які дії потрібно вжити, якщо з якихось причин користувач змінював жорсткий диск або встановлював додатковий.

Повністю описувати цей процес не будемо, а зупинимося лише на основних етапах. Спочатку вінчестер необхідно підключити та подивитися в налаштуваннях BIOS, чи визначилося нове обладнання, в розділі адміністрування дисків зробити ініціалізацію та створити завантажувальний запис, створити простий том, присвоїти йому ідентифікатор (літеру) та виконати форматування з вибором файлової системи. Тільки після цього новий гвинт буде повністю готовий до роботи.

Висновок

Ось, власне, і все, що коротко стосується основ функціонування та характеристик сучасних вінчестерів. Принцип роботи зовнішнього жорсткого диска тут не розглядався принципово, оскільки він нічим не відрізняється від того, що використовується для стаціонарних HDD. Єдина різниця полягає лише у методі підключення додаткового накопичувача до комп'ютера чи ноутбука. Найбільш поширеним є з'єднання через USB-інтерфейс, який безпосередньо з'єднаний із материнською платою. При цьому, якщо хочете забезпечити максимальну швидкодію, краще використовувати стандарт USB 3.0 (порт усередині пофарбований в синій колір), природно, за умови, що і зовнішній HDD його підтримує.

В іншому ж, здається, багатьом хоч трохи стало зрозуміло, як функціонує жорсткий диск будь-якого типу. Можливо, вище було наведено занадто багато навіть зі шкільного курсу фізики, проте без цього повною мірою зрозуміти всі основні принципи і методи, закладені в технологіях виробництва та застосування HDD, зрозуміти не вдасться.

ОРГАНІЗАЦІЯ Жорстких дисків

Вступ 1. Організація жорстких дисків 1.1. Блокові пристрої 1.2. Влаштування жорстких дисків 1.2.1. Фізичні координати НЖМД: циліндри, головки та сектори 1.2.2. Логічні блоки 1.2.3. Функції BIOS для роботи з жорсткими дисками 1.2.4. Проблеми BIOS під час роботи з великими дисками 2.3. Структурна схема жорсткого диска 1.3.1. Структурна схема фізичного устрою 1.3.2. Ієрархія рівнів абстракції подання інформації 1.4. Форматування жорстких дисків 1.4.1. Фізичне форматування (низькорівневе) 1.4.2. Логічне форматування 1.5. Розділи 1.5.1. Первинні розділи 1.5.2. Додаткові (розширені) розділи 1.5.3. Підрозділи додаткового розділу 1.5.4. Зміна розмірів розділів. 1.6. Файлові системи 1.6.1. FAT16 1.6.2. FAT32 1.6.3. NTFS 1.6.4. HPFS 1.6.5. Ext2fs 1.7. Монтування файлових систем 1.7.1. Порядок призначення імен дисків 1.8. Порядок завантаження операційної системи 1.8.1. Головна завантажувальна запис (MBR) 1.8.2. Завантажувальний блок ОС (BR) 1.9. Висновок

Вступ

Сучасний жорсткий диск є складним пристроєм. Сучасні тенденції до збільшення швидкості читання та запису інформації, збільшення щільності запису, а також виконання підвищених вимог до надійності, енергоспоживання, шумів досягаються ускладненням технологій організації зберігання інформації та технології виготовлення НЖМД.

1. Організація жорстких дисків

1.1. Блокові пристрої

Будь-який пристрій для зберігання великих обсягів інформації з можливістю довільного доступу має однухарактерною особливістю: час пошуку інформації зростає зі збільшенням ємності носія. В силу цієї обставини кожну операцію доступу до даних зручно розбити.на два етапи

 Пошук місця, де інформація знаходиться на носії

 Доступ до інформації

Якщо етап пошуку здійснюється за допомогою механічного приводу, то його виконання перевищує час зчитування або запису одного байта на кілька порядків.

Тому для підвищення ефективності роботипристрої роблять блоковими: кожну операцію пошуку доводиться читання чи запис досить великий порції даних, яку називають блоком. Таким чином, доступ до інформації здійснюється блоками, що довільно адресуються, а самі пристрої називаються блоковими. Жорсткі диски є одним з різновидів блокових пристроїв. Розмір блоку інформації згодом став стандартним всім жорстких дисків і становить 512 байт. Наприклад, кількість блоків на диску розміром 40Гб становить близько 80 мільйонів.

1.2. Влаштування жорстких дисків

Сучасний жорсткий диск складається з одного або декількох дисків з магнітним покриттям, встановлених на шпинделі, що обертається. Вздовж кожної поверхні кожного диска синхронно переміщуються магнітні головки, що забезпечує читання та запис інформації. Вся ця система управляється вбудованою електронікою, що забезпечує ефективну передачу інформації між магнітною речовиною та пам'яттю комп'ютера.

1.2.1. Фізичні координати НЖМД: циліндри, головки та сектори

Фізично диск має три ступені свободи для вказівки того місця (три координати), де інформація буде записуватися або зчитуватися:

Циліндр. При обертанні дисків із магнітним покриттям головки рухаються по колу щодо пластин. При цьому вони знаходяться на певній відстані від центру диска. Сукупність цих круглих траєкторій головок всіх поверхнях дисків, що є одному віддаленні від центру, називають циліндром. Оскільки магнітні головки жорстко пов'язані один з одним, то вони переміщуються синхронно і одночасно знаходяться в тому самому циліндрі. Для установки головок на заданий циліндр необхідно привести в рух блок головок, для чого потрібен час 1.20 мілісекунд.

Головка. Декілька поверхонь забезпечують додаткову можливістьвибору. Для переходу від однієї голівки до іншої не потрібно жодного часу, тому що при цьому перемикання здійснюється без залучення механічних вузлів.

Сектор. Один блок інформації є відносно невеликою порцією даних, яка територіально відповідає невеликій дузі кола. Якщо дивитися з центру, такі дуги розміщуються в одному кутовому секторі. Строго кажучи, на сучасних дисках це не так, оскільки довжини кіл зростають із збільшенням радіусу, а розмір одного біта всюди однаковий. Таким чином, на довгих доріжках міститься більше бітів, а більше блоків даних. Для вибору сектора на доріжці рухати голівки не потрібно, зате потрібно чекати, коли пластини повернуться так, щоб адресна позначка сектора підійшла до головок читання/запису. При швидкості обертання диска близько 5.7 тисяч обертів за хвилину час очікування сектора виявляється близько 8-10 мілісекунд. Це час навіть більше часу переміщення головок, однак, після їх переміщення мітку сектора все одно доводиться шукати, тому зміна циліндра є найдовшою операцією при пошуку інформації.

Перші жорсткі диски мали відносно невелику кількість циліндрів, головок і секторів і, до того ж, не мали такого розумного контролера як сьогоднішні. Тому адресація блоків вони проводилася зазначенням трьох чисел, номери циліндра, головки і сектора, і ці номери відповідали фізичної організації даних. Згодом це стало не так. Нарізних циліндрахзнаходиться різна кількість секторів. Контролери сучасних дисків самі визначають певну віртуальну геометрію диска, яку повідомляють комп'ютеру. Тому цінність такої трикоординатної вказівки адреси втрачається, і такий спосіб поступово відмирає, залишаючи лише проблеми із сумісністю.

Досить часто можна чути як термінблок , так і термін сектор . І те, й інше вказує порцію даних розміром 512 байт, якщо йдеться про жорсткий диск. Проте, у той час, як слово «блок» відображає логічну структуру даних на диску, слово «сектор» відображає лише частину фізичної структури дисків, яка згодом дедалі більше приховується від нас у надрах вбудованого контролера. Звідси випливає, що правильно користуватися словомблок.

1.2.2. Логічні блоки

Всі сучасні жорсткі диски перейшли на новий, простіший у використанні видадресації - лінійний. Кожен блок характеризується одниною, своїм номером. Сучасний стандарт ATA-5 відводить для зберігання номерів диска 28 біт, Що дозволяє адресувати 268435456 блоків, або приблизно 137.4 гігабайт.

Інтерпретація номера прихована у вбудованому контролері жорсткого диска. Незважаючи на це, існує деяке загальноприйняте для виробників жорстких дисків правило, за яким логічний номер блоку переводиться в номери циліндра, головки та сектора:

<блок> = (<цилиндр>* ЧИСЛО_ГОЛОВОК +<головка>) * ЧИСЛО_СЕКТОРІВ +<сектор> - 1

ЧИСЛО_ГОЛОВОК Кількість головок жорсткого диска, що повертається BIOS

ЧИСЛО_СЕКТОРІВ Кількість секторів жорсткого диска, що повертається BIOS

<сектор> Номер сектора з діапазону [ 1 . ЧИСЛО_СЕКТОРІВ ]

<головка> Номер голівки з діапазону [ 0 . ЧИСЛО_ГОЛОВОК-1 ]

<цилиндр> Номер циліндра з діапазону [ 0 . ЧИСЛО_ЦИЛІНДРІВ-1 ]

Послідовність зміна координатрозміщення інформації при лінійній адресації: зі збільшенням номера блоку насамперед змінюється номер сектора, потім номер головки, потім номер циліндра. Звідси випливає, що циліндри є найбільшими областями суміжних блоків даних. Тому циліндри є межами, на які вирівнюються розділи при створенні їх більшістю стандартних інструментів (fdisk).

Незважаючи на те, що лінійна адресація є прогресивнішою, вона привеладо появи проблем із сумісністю, які тривають кілька років. В основному ці проблеми стосуються використання нових жорстких дисків зі старими материнськими платами, а також різних установок BIOS, про які буде розказано нижче.

1.2.3. Функції BIOS для роботи з жорсткими дисками

Базова система введення виводу (BIOS) надає програмам можливість обміну інформацією із жорсткими дисками. Для цього є спеціальне програмне переривання, INT 13h.

Основною перевагою BIOS є те, що програмам надається стандартний інтерфейс взаємодії з жорсткими дисками будь-якого типу. У той час, коли проектувалися перші версії BIOS, жорсткі диски ще були так само добре стандартизовані, як сьогодні, тому реалізація функцій вводу/виводу передбачалася різною. Завантаження операційних систем (ОС) відбувається за безпосередньої участі BIOS на початковому етапі і тому завантаження будь-якої ОС починається стандартним чином. У цьому теж дається взнаки позитивна роль BIOS.

Основними недоліками BIOS щодо роботи з дисками є те, що ці функції:

1. Занадто повільні. BIOS більшості комп'ютерів дуже багато часу витрачають виконання повторних дій. Крім того, вони не завжди виробляють розширену діагностику жорстких дисків, в результаті чого робота з жорсткими дисками ведеться не в оптимальних з точки зору швидкодії режимах. Так, при сучасних швидкостях читання запису близько 10 і більше мегабайт на секунду, швидкість читання через BIOS складає всього 2-2.5Мб/c.

2. Суворо послідовні. Доступ до одного диска за допомогою BIOS може бути здійснено лише після завершення доступу до іншого, навіть якщо самі пристрої можуть функціонувати незалежно, тому ефективність системи зменшиться.

3. Мають лише 20-розрядну адресацію пам'яті. Функції BIOS спочатку розроблені для процесорів Intel 8086, які могли адресувати лише 1 мегабайт пам'яті. Отже, BIOS неспроможна повністю реалізувати можливості сучасного комп'ютера.

4. Мають обмеження адресації блоків диска, що призводить до проблем із завантаженням ОС, розташованих за кордоном 8Гб. Сучасні версії BIOS мають розширення, що допомагає вирішити цю проблему для сучасних ОС. Однак це розширення несумісне зі старими функціями BIOS, тому старі операційні системи, такі як DOS, які користуються старими інтерфейсами BIOS, не змогли і не зможуть переступити межі 8GB.

Подолання цих недоліків у сучасних ОС здійснюється за допомогою власних драйверів для роботи з жорсткими дисками. Однак на початковому етапі, коли ядро ​​ОС ще не завантажене в пам'ять та не має драйверів для роботи з дисками, BIOS надає єдиний уніфікований спосіб завантажити систему.

Функції BIOS надають доступ до дисків шляхом призначення унікальних номерів. Для номера диска приділяється 1 байт, який містить число в діапазоні 80-FFh (числам 00h-7Fh відповідають дискети). Всередині своїх налаштувань BIOS називає диски літерами C, D, E., які відповідають номерам 80h, 81h, 82h, . Ці літери відповідають фізичним дискам, і слід їх плутати з літерами логічних дисків, які з операційних систем.

1.2.4. Проблеми BIOS під час роботи з великими дисками

Стандартні функції BIOS працюють з диском виключно у термінах циліндра, головки та сектора. Усі параметри для функцій читання та запису передаються у регістрах процесора, причому

- На номер циліндра відводиться 10 біт (1024 циліндра).

-На номер головки відводиться 8 біт (256 головок).

-На номер сектора відводиться 6 біт (63 сектори).

Перший стандарт ATA на вбудовані контролери жорстких дисків визначив

наступні діапазони параметрів жорстких дисків:

- На номер циліндра відводиться 16 біт (65536 циліндрів).

-На номер головки відводиться 4 біти (16 головок).

-На номер сектора відводиться 6 біт (64 сектори).

Внаслідок спільного застосування цих вимог ємність диска, адресована засобами BIOS, обмежується розміром 504 Мб. З появою більшого розміру дисків виникли проблеми з використанням дискового простору. Для вирішення цих проблем у BIOS були реалізовані різні режимитрансляції дискових адрес.

Режим NORMAL . Це і є режим, у якому видно всього 504 Мб. У цьому режимі всі величини номера циліндра, головки та сектора без змін передаються до контролера жорсткого диска. Використання цього режиму неможливе з новими дисками п через недоступність більшої частини інформації.

Режим LARGE . Цей режим є удосконаленим режимом NORMAL. BIOS робить перетворення головок і циліндрів, тим самим змінюючи логічну геометрію диска. Оскільки кількість головок, доступне BIOS перевищує максимально можливу кількість головок самого диска в 16 разів, то BIOS зменшує число логічних циліндрів у 2,4,8 разів і одночасно з цим збільшує кількість логічних головок у таку кількість разів. Коефіцієнт перекладу він запам'ятовує і за кожному зверненні до диску безпосередньо перед формуванням команди контролеру робить зворотне перетворення. Таким чином, за допомогою перетворення вдається адресувати більше блоків диска.

Режим LBA . У цьому режимі контролер посилається лінійний номер блоку. Завдяки цьому BIOS не повинен підлаштовувати свою логічну геометрію під деяку початкову геометрію диска її просто немає. Тому BIOS просто призначає число голівок рівним 255, тобто максимально можливе значення, що дозволяє адресувати до 8Гб.

Різні режими, взагалі кажучи, несумісні між собою, якщо програмне забезпечення прив'язується до кількості секторів на доріжці та кількості головок. Лише лінійна адресація залишається універсальною. З цих причин не рекомендується змінювати режим диска в налаштуваннях BIOS після того, як диск відформатовано. В іншому випадку він може просто не прочитатися.

2.3. Структурна схема жорсткого диска

Для ефективнішого використання жорсткого диска потрібно уявляти його внутрішню структуру, найбільш корисними аспектами якої є фізична організація функціональних блоків диска і рівні абстракції при поданні даних.

Якщо при розміщенні операційних систем на диску враховувати особливості його структури, то можна досягти більш високої продуктивності файлової системи, і, як наслідок, усієї системи в цілому.

1.3.1. Структурна схема фізичного устрою

Структурна схема жорсткого диска показана малюнку нижче. Центральний процесор системи спілкується із жорстким диском через стандартні інтерфейси підключення швидкісних периферійних пристроїв. У сучасних жорстких дисках всі схеми управління процесами запису та зчитування інформації зосереджені у вбудованому контролері жорсткого диска. Процесор передає йому команди на здійснення операцій введення/виводу, а контролер повідомляє йому про їх виконання шляхом видачі переривання та повернення статусу завершення операції.

Вбудований контролерповністю управляє переміщенням головок, їх паркуванням, та процесами запису інформації безпосередньо на магнітні диски. Однак самі диски мають досить погані динамічні характеристики, оскільки приводи головок і шпиндель є механічними частинами, тобто дуже повільними в порівнянні з електронікою. Перед тим, як починається процес запису або читання на магнітну пластину, проходить досить довгий час очікування, поки магнітні головки опиняться над місцем запису. Цей час може на два три порядки перевищує часи самого запису, тому всі сучасні диски оснащуються спеціальною буферною пам'яттю.

Завдання буферної пам'яті. Володіючи високою пропускною здатністюі достатньою місткістю, вона здатна моментально поглинути раптові та рідкісні записи на диск. При позиціонуванні головок на новій доріжці сучасні контролери часто починають попереднє зчитування всієї доріжки в буферну пам'ять, що дозволяє не чекати повільної механіки при подальших зчитуваннях, так як найімовірніше зчитується кілька суміжних блоків диска. Крім сказаного, ця пам'ять може служити як звичайна дискова кеш-пам'ять, яка виділяється з обсягу оперативної пам'яті для прискорення звернення до диска при багаторазовому доступі до одних і тих же файлів.

Рис. 1 Структурна схема жорсткого диска

Основним фактором, що серйозно знижує швидкодію жорсткого диска, є позиціонування головок. Цей процес найменше завантажує центральний процесор.

Завантаження процесора при потоковому зчитуванні без позиціонування вище, ніж з позиціонуванням. Обмін інформацією слабшає через позиціонування на два-три порядки. Однак, незважаючи на розвантаження процесора, у більшості програм це призводить лише до додаткового очікування даних. Тому логічно прагнути такої організації інформації на жорстких дисках, щоб позиціонувань потрібно якомога менше.

Доріжки магнітного диска мають різну довжину, у той час як розмір одного біта інформації на магнітному диску має постійну довжину. Лінійна швидкість обертання магнітних пластин також відрізняється різних доріжках. Таким чином, на початкових доріжках, розташованих далі від центру обертання диска, можна розташувати більше блоків, ніж кінцевих, і при цьому швидкість зчитування цих блоків буде найвищою.

З цієї причини на початкових доріжках рідше потрібне позиціонування. В результаті цього, середня продуктивність диска при роботі з початковою його областю буде вище, ніж з іншими, тому більш вигідно розміщувати на цих доріжках найвибагливіші в сенсі швидкодії дані, наприклад, розділ для свопінгу, розділ з програмами ОС, що часто викликаються, та ін.

1.3.2. Ієрархія рівнів абстракції подання інформації

У міру розвитку операційних систем та носіїв інформації склалася багаторівнева системаорганізації даних користувача. Це обумовлено введенням відкритих стандартів на контролери жорстких дисків та їх протоколи взаємодії з комп'ютером, ускладненням структури даних, появою доступної технології RAID та іншими причинами. У цьому розділі наводиться інформація про різні рівні абстракції.

Схема рівнів наведена на мал.2 нижче.

Рівень 1 є сире дисковий простірщо містить надмірну кількість блоків даних і допускає наявність несправних. Це блоки, що розміщуються прямо на магнітному носії. На цьому рівні вони мають лише свої адресні мітки, але їх наскрізна нумерація ще неможлива через те, що частина блоків може бути несправною. Робота на цьому рівні повністю прихована в контролері жорсткого диска та недоступна користувачеві.

Рівень 2 являє собою простір блоків даних, що адресується. На цьому рівні ємність диска відповідає заявляється в паспорті пристрою ємності носія. Простір блоків, що адресується, вже не містить несправних блоків, тому блоки мають унікальні лінійні номери. Ці номери вказуються контролеру жорсткого диска для операцій читання-запису. Зазвичай ємність диска, що адресується, становить 70-90% його сирої ємності, порахованої по площі пластини і щільності зберігання інформації.

Рівень 3 являє собою адресний простір жорсткого диска, розбитий на розділи (partitions), що не перетинаються. Розділи повністю подібні до цілого диска в тому, що вони складаються з суміжних блоків. Завдяки такій організації для опису розділу достатньо вказівки початку розділу та його довжини у блоках.

Розбиття диска на розділи здійснюється програмно і описується з допомогою таблиці розділів, що у першому блоці жорсткого диска. Розділи на даному рівніє реальними, фізичними розділами, їх адреси є адресами на фізичному пристрої.

Рівень 4 містить віртуальні розділи. Віртуальні розділи узагальнюють ідею розділу про безперервний адресний простір, але можуть будуватися з кількох фізичних розділів одного або кількох фізичних дисків. В операційній системі такі розділи легко реалізуються за допомогою простого рівня, що фільтрує, який за логічною адресою блоку у віртуальному розділі обчислює номер блоку і диска, до якого насправді відбувається звернення. У простих настільних системах цей рівень просто відсутній, тобто всі віртуальні розділи завжди тотожні фізичним розділам рівня 3, але в системах із застосуванням технології RAID віртуальні розділи дозволяють відносно дешевими засобами подолати обмеження окремих пристроїв за швидкістю обігу та надійністю зберігання інформації.

Рівень 5 містить файлові системи, розміщені у розділах. Практично у всіх випадках розділ містить рівно одну файлову систему. Виняток становлять, мабуть, лише розділ свопінгу, який має файлової системи взагалі, і розширений розділ, який може містити кілька файлових систем. Перші два рівні. апаратні, вони недоступні користувачеві зміни. Інші рівні допускають програмне налаштування.

Рис. .2 Багаторівнева організація жорстких дисків

1.4. Форматування жорстких дисків

Для організації зберігання інформації є кілька рівнів абстракції - розмітки диска (форматуванням). Розрізняють фізичне та логічне форматування.

1.4.1. Фізичне форматування (низькорівневе)

Фізичне форматування відбувається на перших двох рівнях дискової ієрархії, описаної в розділі 2.3.2, і полягає у створенні на диску адресних міток секторів, розміщення контрольних сум і спеціальних синхронізуючих заповнювачів між секторами, щоб сам контролер міг розібратися в потоці бітів, що приходять з диска. Користувачам зазвичай не потрібно займатися форматуванням на низькому рівні, оскільки це завдання виконують виробники. Потреба в низькорівневому форматуванні за умови правильної експлуатації диска взагалі не повинна виникати. Однак, через можливе розбалансування головок можлива втрата інформації, і тоді низькорівневе форматування здатне повернути диску ємність.

Місткість сучасних дисків, а відповідно і щільність запису, настільки великі, що дуже важко знайти ідеальну магнітну пластину, в якій не було б дефектів. Але навіть якщо така пластина знайшлася б, у процесі експлуатації дефекти можуть виникнути. Виготовити пластину більшої ємності набагато простіше, ніж виготовити пластину без дефектів. Тому сучасні диски мають вбудовані таблиці переадресації блоків і спеціальний список резервних блоків. Резервні блоки форматуються так, як і звичайні, але не мають явної адреси для кінцевого користувача комп'ютера. Якщо інтегрований у диск контролер виявляє помилку під час запису деякого блоку, він переадресує їх у нове місце, вибирається зі списку резерва. При цьому резервний блок отримує номер блоку, який вийшов з ладу.

Контролери сучасних жорстких дисків підтримуютьтехнологію SMART , Суть якої полягає в наступному. Контролер веде облік кількості переадресованих блоків та кількості оборотів диска, зроблених з його пуску. Оскільки диск обертається з постійною швидкістю, то кількість обертів є одиницею вимірювання дискового часу (вбудованого годинника у диска немає). На основі цих даних можна оцінювати швидкість вичерпання резерву і прогнозувати момент виходу диска з ладу. Таким чином, диск дозволяє інтелектуально контролювати напрацювання на відмову. Операційна система може відстежувати динаміку зміни параметрів жорсткого диска і попередити користувача про вихід диска з ладу заздалегідь, коли ще можна врятувати інформацію.

Хоча використання резервних блоків покращує характеристики диска, потрібно пам'ятати, що резервний блок буде задіяний тільки, коли контролер вкаже на несправний блок. При цьому в разі запису втрати інформації не відбудеться, але у разі читання зниклу інформацію не можна буде відновити з резервного блоку. Це спричинить потенційні помилки на більш високому рівні, дасть спотворення файлів та, ймовірно, збої програмного забезпечення.

1.4.2. Логічне форматування

На вищому рівні диск має бути логічно відформатований. Логічне форматування відбувається на рівні 5 ієрархії і полягає у створенні файлової системи, завдяки чому досягається вища організація інформації. Файли мають символьні імена, дозволяючи програмам та користувачам здійснювати структурування інформації, здійснювати швидший пошук інформації, а також керувати безпекою доступу до інформації.

Зазвичай форматуванням називають операцію, що виконується утилітою format у DOS або Windows, або утилітою типу dinit у UNIX. Ці утиліти проводять перевірку блоків диска на справність і основі цих даних створюють карту вільних блоків розділу, придатних зберігання інформації. Крім того, вони створюють кореневий каталог і так званий суперблок, в якому містяться всі необхідні відомості, необхідні для роботи з файловою системою. Суперблок зазвичай розташовується або в першому блоці розділу (разом з завантажувачем ОС), або в іншому блоці, положення якого фіксовано щодо початку розділу. При завантаженні операційної системи драйвер файлової системи зчитує суперблок в пам'ять. На основі інформації, взятої з нього, він обчислює розташування на диску кореневого каталогу та всіх даних користувача. Подальші звернення до диску виконуються програмами через файлову підсистему ОС.

У процесі форматування розділу можна призначити символьну назву - мітку тома. Вона служить для простішої ідентифікації логічного диска серед файлової системи серед інших логічних дисків.

Логічне форматування застосовується до розділу. Створена розділ файлова система зазвичай ототожнюється з самим розділом. Однак це не зовсім так. Справа в тому, що інформація про розташування розділу на диску зберігається в суперблоці незалежно від таблиці розділів, що міститься в MBR. При створенні суперблоку в процесі форматування інформація з таблиці розділів про положення та довжину форматованого розділу переноситься до суперблоку. Це відбувається тому, що операційна система бере всі дані для роботи з розділом саме з суперблоку, а не таблиці розділів. Тому при зміні параметрів розділу таблиці файлова система не відчує цієї зміни. Таким чином, вміст таблиці розділів може не відповідати файловій системі, якщо сприймати її як систему покажчиків для пошуку потрібних файлівабо нового місця для запису нових.

1.5. Розділи

Для організації операційних систем дисковий адресний простір блоків поділяється на частини, які називаються розділами (partitions). Розділи повністю подібні до цілого диска в тому, що вони складаються з суміжних блоків. Завдяки такій організації для опису розділу достатньо вказівки початку розділу та його довжини у блоках. Рівень фізичних розділів (рівень 3 ієрархії) виник у ході історичного розвитку. На перших жорстких дисках був розділів.

Жорсткі диски були повними аналогами гнучких дисків у тому, що містили лише одну файлову систему. У ті часи цією, по суті, єдиною файловою системою для ПК була FAT12. Вона була розрахована лише на 4096 кластерів, і була здатна покрити від 2 до 32Мб адресного простору диска, що невдовзі призвело до проблем, тому що жорсткі диски постійно вдосконалювалися. Найбільш простим виходом у ситуації, що складається, було винахід псевдофізичних дисків. розділів. Кожен розділ міг містити одну файлову систему FAT12. Однак, для цього потрібно було вказувати для кожного розділу його положення на диску та переводити логічні адреси блоків усередині розділу абсолютні адреси блоків. Про час цього переходу ми можемо судити з ускладнення структури суперблок файлових систем FAT. Сталося це десь із версії DOS 2.13, що відповідає, мабуть, кінцю літа 1983 року.

Таблиця розділів.Поява розділів призвела до винаходу таблиці розділів. Таблиця розділів визначає чотири розділи на диску. Розташували цю таблицю в першому блоці диска, оскільки це був єдиний шлях зробити її легко доступною в процесі завантаження. Після цього ускладнення структури перший блок диска отримав назву Головного Завантажувального Запису ( MBR - Master Boot Record).

Обмеження таблиці розділів лише чотирма розділами згодом виявилося незручним. З цієї причини виник розподіл розділів на первинні та розширені. На сьогоднішній день розподіл жорсткого диска на розділи є стандартною та обов'язковою процедурою. Використання дисків без розділення на розділи неможливе. Необхідність розбиття диска на кілька розділів обумовлена ​​такими причинами:

-Встановлення більш ніж однієї ОС на один жорсткий диск;

-Підвищення ефективності використання дискового простору;

-Керування видимістю файлів для різних користувачів. (Захист від сторонніх користувачів, вірусів та збоїв програм);

-Ізоляція даних різного сорту для більш простого та швидкого їх архівування та відновлення.

Розділи створюються програмою fdisk, ім'я якої є стандартним практично для всіх ОС. Наприклад такі утиліти, як Partition Magic і SyMon містять власні засоби створення та роботи з розділами, значно перевершують можливості звичайних fdisk.

1.5.1. Первинні розділи

Первинні розділи називаються так тому, що їх описники розміщуються безпосередньо в MBR. Первинні розділи описують файлові системи, а також спеціальні розділи свопінгу та додаткові розділи. Завантаження комп'ютера може відбуватися тільки з первинних розділів для всіх систем Microsoft та більшості ОС інших виробників.

1.5.2. Додаткові (розширені) розділи

Додатковим розділом називається первинний розділ спеціального виду. Він не містить безпосередньо файлової системи. Натомість він зберігає розширену таблицю розділів. Приблизно топологія представлена ​​малюнку.

Рис. 3 Внутрішній пристрійрозширеного розділу

У першому блоці розширеного розділу зберігається таблиця розділів, аналогічна таблиці розділів MBR (формат її абсолютно такий самий як і MBR, див. п. 2.8.1). Перший запис у цій таблиці описує деякий підрозділ щодо положення самої цієї таблиці розділу, а другий не описує розділ, а є абсолютним посиланням (щодо початку всього диска) на наступну розширену таблицю розділів. Більшість системних програмвимагає, щоб:

- Кожна таблиця розділів розташовувалася в першому блоці циліндра.

- Кожна розширена таблиця розділів містила лише один описник розділу та одне посилання на наступну розширену таблицю розділів.

- Кожна розширена наступна таблиця розділів розташовувалася далі від початку диска, ніж попередня.

Розділ, описаний у розширеній таблиці розділів, розташовувався відразу за нею, зазвичай на початку наступної доріжки.

Таким чином, додатковий розділ описує ланцюжок розділів, який повністю міститься в ньому. При цьому, цей ланцюжок без першого розділу може розглядатися як розширений розділ з меншою кількістю підрозділів, при цьому не потрібно жодних змін у розширених таблицях розділів, розташованих безпосередньо перед підрозділами, що залишилися.

1.5.3. Підрозділи додаткового розділу

Підрозділи додаткового розділу повністю аналогічні до первинних розділів. Вони можуть містити файлові системи та служити для свопінгу. Вони можуть бути повністю вирівняні межу циліндрів, оскільки їх розташовується розширена таблиця розділів, під яку резервується цілком вся доріжка. Тому вони починаються у першому секторі першої доріжки диска.

Існує плутанина між підрозділами розширеного розділу та логічними дисками. Плутанина виходить з утиліти fdisk. Ця утиліта створює підрозділи всередині додаткового розділу і називає їх логічними дисками. Однак логічним диском є ​​форматований розділ, що містить файлову систему FAT, NTFS або HPFS, тобто зрозумілу операційній системі. Але далеко не кожен підрозділ повинен утримувати саме таку систему.

1.5.4. Зміна розмірів розділів.

Розмір розділу зберігається фізично у двох місцях:

-в таблиці розділів, основний (MBR) або будь-якої розширеної.

-в суперблоці файлової системи.

Таким чином, основною складністю при зміні розмірів розділу є синхронізація цих змін. Змінити розмір лише в одному місці недостатньо. Файлова система ніколи не підлаштовується під розмір розділу після логічного форматування диска. Файли завжди розміщуються на просторі диска, довжина якого визначається у суперблоці файлової системи. Тому при порушенні рівності значень довжини розділу з суперблоку та таблиці розділів виникає небезпека того, що різні файлові системи перетнуться на диску, і це рано чи пізно призведе до пошкодження файлів.

Зміна розміру форматованого розділу повинна проводитись за допомогою спеціальних програм. Ці програми розуміють файлову систему, діагностують, чи містить частина розділу, яку передбачається видалити, файли, переносять їх в інше місце, вкорочують або подовжують службові структури, такі як FAT, MFT або inode. Лише після того, як управляючі структури файлової системи адаптовані до нового значення її розміру, це нове значення може бути поставлене в суперблоці, а потім і в таблиці розділів.

Зміна неформатованого розділу робиться набагато легше. Оскільки файлова система там відсутня, то суперблоку немає і достатньо лише змінити значення таблицях розділів.

1.6. Файлові системи

Під файловою системою з точки зору жорсткого диска слід розуміти систему розмітки розділу на службові та користувацькі блоки для впорядкованого зберігання інформації. Службові блоки описують стан блоків користувача, які можуть бути зайняті файлами, або вільними. До завдань файлової системи входить:

-Управління виділенням вільних блоків під нові файли

-Керування каталогами та іменами файлів та посилань

-Пошук вмісту файлів на ім'я.

Різні файлові системи з різною мірою ефективності реалізують перелічені функції, а також підтримуються різними файловими системами. Найчастіше зустрічаються файлові системи перераховані нижче.

1.6.1. FAT16

Ця файлова система є однією з найстаріших систем, які застосовуються досі. Підтримка її реалізована у більшості сучасних ОС: DOS, Windows 95/98/ME, Windows NT/2000/XP, OS/2, Linux, QNX, FreeBSD та інших.

Назва файлової системи походить від її головного керуючого елемента. таблиці розміщення файлів (File Allocation Table). Одиницею розміщення даних є кластер, . сукупність кількох суміжних блоків диска Розмір кластера може бути 1, 2, 4, 8, 16, 32 або 64 блоки. Файли є ланцюжками кластерів. Таблиця розміщення файлів визначає ланцюжки кластерів, що належать кожному файлу. Кожен кластер може належати не більше одного файлу.

Число 16 у назві файлової системи говорить про кількість двійкових розрядів, що відводяться під зберігання номера кластера в таблиці розміщення файлів. FAT16 допускає на диску до 65 525 кластерів, розмір яких може бути від 512 до 32 768 байт. Це дозволяє створювати логічні диски розміром до 2Гб. Чим більший розмір диска, тим більший розмір кластера.

Загалом, великі кластери знижують ефективність використання дискового простору. Це пов'язано з тим, що багато файлів є короткими і частина місця в кластері пропадає. Для більшої надійності на диску зберігаються дві копії FAT. Кожна зміна розміщення файлів одночасно відображається в обох таблицях. Неузгодженість цих таблиць є помилкою. Якщо ж неузгодженість виникла, то немає перевіреного способу встановити, яка з таблиць містить більш правильну інформацію. Тому наявність двох копій виправдано лише в ситуації, коли одна з копій просто фізично не зчитується з диска. Така ситуація дуже малоймовірна для жорстких дисків, і є можливою лише для дискет. Справді, розвиток систем FAT розпочався із системи FAT12, яка й досі використовується для дискет. У випадку дискет фізично відмова блоку, що належить одній копії FAT, ніяк не пов'язаний з відмовою блоку другої копії, тому наявність двох копій виправдано. Будь-яка програмна помилка при модифікації FAT зазвичай синхронно відображається в обох копіях. У всякому разі, при справному читанні обох копій FAT існує проблема вибору правильної копії.

Топологія файлової системи FAT16 наведена малюнку Рис. 4.

Рис. 4 Топологія розділу FAT16

Кластери користувача розташовуються безпосередньо за кореневим каталогом, розмір якого визначається при форматуванні і згодом не змінюється операційною системою.

1.6.2. FAT32

Система FAT32 є розвитком FAT. Кількість розрядів, що кодують номер кластера, доведено до 32. В результаті цього FAT32 здатна містити майже в 65000 разів більше кластерів, ніж система FAT16. Навіть при маленькому розмірі кластера розділи розміром до 2Тб можуть бути відформатовані під цю файлову систему. Додатково система FAT32 має резервну копію завантажувального запису і допускає довільне розташування кореневого каталогу.

Система FAT32 доступна для використання, починаючи з Windows 95 OEM Release 2, у системах Windows 98, ME, а також у системах Windows 2000, XP. MS-DOS, Windows 3.1, Windows NT 3.51/4.0, ранні версії Windows 95 неможливо використовувати FAT32.

Рис. 5 Топологія розділу FAT32

На відміну від FAT16 у системі FAT32 кореневий каталог розташовується в кластерах, подібно до інших файлів. Завантажувальний запис містить посилання на перший кластер.

1.6.3. NTFS

Файлова система NTFS є складнішою проти системами FAT. Для роботи з нею потрібно більше оперативної пам'яті, тому її використання починає виправдовувати себе тільки на порівняно продуктивних системах, що вимагають високої надійності. NTFS застосовується в операційних системах Windows NT, Windows 2000 та Windows XP. Не рекомендується форматувати під NTFS розділи розміром менше 400Мб, оскільки значна частина місця «зникає» під службові структури даних.

У основі NTFS лежить структура даних, звана MFT (Master File Table). MFT також є системним файлом, який зберігає записи про інші файли. Кожен запис про файл має фіксовану довжину. Запис містить деяку фіксовану інформацію, загальну для всіх файлів, а такожатрибути файлу , Які описують ім'я файлу, місце розташування його даних, час і дату створення та ін. Кожен файл описується одним числом, що є індексом в таблиці MFT.

Подібно до систем FAT, система NTFS складається з кластерів. Тим не менш, кілька удосконалень зроблено порівняно з FAT. Кластери можуть мати будь-який розмір у секторах, кратний ступеня числа 2, незалежно від розміру розділу. Кластери заповнюють весь розділ повністю, тобто кластер з номером 0 починається відразу на початку розділу. Таким чином, за номером кластера та його розміром однозначно обчислюється положення будь-якого кластера на диску.

Система NTFSдопускає криптування файлів, зберігання їх у стислому вигляді, журналування файлових операцій, індексування файлів у каталогах за довільним атрибутом, а не тільки по імені. Пошук файлу в каталозі є більш оптимізованою операцією, ніж у системах FAT.

Рис. 6 Топологія розділу NTFS

Недоліком NTFS є те, що MFT є життєво важливою структурою, пошкодження якої призводить до повної неможливості відновити файли навіть якщо вони не фрагментовані. Запис у каталозі лише посилається запис у MFT, що містить положення файлу на диску як атрибута. Система FAT, хоч і є примітивнішою, але допускає відновлення нефрагментованого файлу по запису в каталозі, яка вказує безпосередньо перший кластер файлу та його розмір.

1.6.4. HPFS

Ця файлова система розроблялася фірмою IBM і є далеким родичем NTFS. Вона використовується переважно в операційній системі OS/2, підтримується також в ранніх версіях Windows NT.

HPFS має кращими характеристикамиУ порівнянні з FAT, каталоги представлені у вигляді дерева, що дозволяє досить швидко шукати необхідні файли у великих каталогах, а також сортувати файли на ім'я. Кластери у цій файловій системі відсутні, виділення вільного місця здійснюється посекторно. Весь розділ поділяється на ділянки довжиною 8Мб, вільне місцеу кожному ділянці описується бітовою картою. Це спрощує виділення місця під файли, оскільки переміщення головою достатньо проводити до найближчої бітової картки, а не до початку диска, як у системі FAT.

1.6.5. Ext2fs

Ця файлова система використовується як основна файлова система для Linux.

1.7. Монтування файлових систем

Кожен файл, що зберігається на диску, має ім'я. Знаючи ім'я, користувачі можуть працювати з даними, які у файлі, вказуючи його програмам. Оскільки файли прийнято розташовувати упорядковано у вигляді дерева каталогів, або папок, то кожному файлу відповідає повне ім'я, що вказує його положення від кореня дерева. Кожен розділ диска, відформатований під деяку файлову систему, містить кореневий каталог та описує частину майбутньої системи файлів, яка доступна користувачеві. Щоб операційна система могла знаходити файли користувача, їй потрібна вказівка ​​точного імені файлу.

Таким чином, ім'я файлу складається з імені його розділу та його імені всередині цього розділу. Це вірно для будь-яких файлових систем. Наприклад, у системі DOS, для точної вказівки положення файлу autoexec.bat необхідно вказувати C:\autoexec.bat. В даному випадку ім'я C: вказує розділ, а \autoexec.bat . Ім'я файлу всередині нього.

Операція призначення символьного імені розділу, який містить файлову систему, називається монтуванням. Монтування відбувається при старті операційної системи, із цієї операції починається робота з файлами.

Історично монтування файлових систем виникло в системах unix, де файлова система влаштована дуже гнучко. Вся файлова система має єдиний кореневий каталог, а імена файлів немає жорсткої прив'язки до конкретним фізичним пристроям. З іншого боку, операції монтування існує парна операція розмонтування. Обидві операції доступні користувачеві в процесі роботи, а не лише під час старту операційної системи. Користувач може самостійно визначати точки монтування, завдяки чому імена файлів залишаються незмінними за зміни кількості фізичних дисків у системі. Причому, навіть якщо в процесі зміни конфігурації комп'ютера файли виявляться недоступними або змінюють імена, користувач завжди може розмонтувати частину файлової системи і вмонтувати її в правильне місце ієрархії файлів.

Операційні системи фірми Microsoft не мають такої гнучкості. Імена файлів починаються не від загального кореня, а від імені диска, на якому вони розташовані. Операція монтування проводиться системою один раз під час запуску, причому імена точок монтування, тобто імена дисків, призначаються системою жорстким чином, прив'язано до конфігурації апаратних пристроїв. Це створює істотні незручності в роботі з файлами, оскільки практично будь-яке додавання або видалення фізичних дисків призводить до зміни точок монтування дисків, що залишилися без відома користувача.

Зміна імен дисків часто призводить до порушення шляхів до програм, які розташовані не на диску C:.

У системах Microsoft Windows NT/2000/XP монтування дисків відбувається при старті комп'ютера, проте вони допускають перепризначення імен дисків, крім завантажувального диска. Це дозволяє частково уникнути проблем, пов'язаних із зміною конфігурації, хоча практично є досить незручним.

1.7.1. Порядок призначення імен дисків

При завантаженні операційних систем фірми Microsoft розділи (як основні, і підрозділи додаткових) виступають носіями логічних дисків, тому операційна система призначає їм буквені імена пристроїв. Додавання до системи нових жорстких дисків або видалення наявних впливає на порядок призначення літер різним логічним дискам, що часто призводить до небажаних ефектів.

Налаштування багатьох програм містять повні шляхи до певних файлів, тобто прив'язані до певних логічних дисків. При зміні буквених імен дисків налаштування виявляються неправильними, внаслідок чого працювати з програмами стає неможливо.

DOS, Windows 3.x, Windows 95/98/ME, OS/2

Ці операційні системи призначають імена дисків жорстким чином, виходячи з наявних дисків та типів розділів на них. Правила призначення розділів такі:

1. Імена призначаються всім розпізнаваним активним primary розділам, порядку прямування фізичних дисків.

2. Імена призначаються всім розпізнаваним дискам, які розміщуються всередині розширених розділів. Розширені розділи перебираються у порядку прямування фізичних дисків.

3. Імена призначаються всім розділам, що залишилися, в порядку прямування фізичних дисків.

Таким чином, зміна кількості фізичних дисків може призводити до зсуву літер, що призначаються логічними дисками. Зсув літер може відбуватися також у разі додавання видалення нового розділу, що містить файлову систему, що розпізнається цією ОС. Розділи, які містять файлову систему, що не розпізнається ОС, пропускаються їй, тому зсуву літер не відбувається.

Windows NT/2000/XP

Спочатку, в процесі установки ці операційні системи надходять аналогічно версіям DOS & Windows 9x, з тією різницею, що розділи NTFSє їм також розпізнаваними. Однак, надалі ці системи допускають перепризначення імен усіх дисків, крім того, з якого здійснюється завантаження системи. Перепризначення дисків здійснюється за допомогою утиліти Disk Administrator, що входить до постачання Windows NT/2000/XP. Після призначення імен дисків вони закріплюються за своїми розділами і більше не залежать від появи або видалення інших розділів.

1.8. Порядок завантаження операційної системи

Завантаження операційної системи. багатоетапний процес. Він починається в BIOS після тестування обладнання та визначення списку пристроїв, що підтримують завантаження. Такими пристроями можуть бути різні дискові накопичувачі, мережеві адаптери, стрічки та інші пристрої. Але насамперед завантажувальними пристроями є жорсткі диски.

1. Вибір диска, з якого здійснюється завантаження. Вибір здійснюється користувачем у BIOS setup у процесі загального вибору пристрою, з якого вантажиться. При цьому, BIOS перепризначає номери дисків так, що завантажувальний дискпотрапляє на перше місце серед інших дисків.

2. З вибраного диска зчитується головний завантажувальний запис (MBR). Перевіряється сигнатура, яка відповідає за справність лічених даних. Керування передається завантажувачу, який є частиною MBR. З цього моменту керування завантаженням залишає BIOS та визначається програмами, розташованими на жорсткому диску.

3. Завантажувач MBR виявляє завантажувальний розділ операційної системи. У разі стандартного завантажувача MBR завантажувальним розділом стає розділ із таблиці розділів MBR, позначений спеціальним прапором як активний розділ. У разі SyMon завантажувальний розділ вказується користувачем у налаштуваннях операційної системи. З першого блоку завантажувального розділу зчитується сектор завантаження операційної системи. Перевіряється сигнатура цього блоку і у разі успіху управління передається розташованому в ньому завантажувачу.

4. Завантажувач операційної системи здійснює завантаження ядра операційної системи та передає управління в ядро.

5. Після ініціалізації ядра та активації драйверів жорсткого диска починається процес монтування та ініціалізації файлових систем.

DOS).

Зазначені кілька етапів виконуються на різних рівнях, що проявляється насамперед у проблемах сумісності. Завантаження за допомогою BIOS на початковому етапі обмежує програмні засоби всіх завантажувачів стандартними функціями BIOS.

Враховуючи, що на власні функції завантажувачам відводиться менше, ніж 512 байт, навряд чи можна очікувати від них високої гнучкості. Головна проблема полягає в тому, що завантажувачу не вистачає місця для реалізації міні-драйвера сучасної файлової системи, який міг би здійснити зчитування повністю файлу на згадку. Тому розробникам доводиться робити завантажувач у два етапи. На першому з них завантажувач, розташований у першому блоці розділу ОС, здійснює зчитування в пам'ять вторинного завантажувача, який більший за розміром. Вже вторинний завантажувач навантажує ядро ​​з файлу.

1.8.1. Головна завантажувальна запис (MBR)

Головний завантажувальний запис завжди розташовується в блоці 0 фізичного диска і є по суті завантажувальним сектором жорсткого диска в цілому. MBR завжди завантажується засобами BIOS на адресу пам'яті 0x0000:0x7C00. BIOS не розрізняє завантажувальні записи жорстких та гнучких дисків, незважаючи на те, що перші, на відміну від других, містять таблицю розділів. Винятком є, мабуть, те, що в деяких режимах логічна геометрія диска (кількість головок та секторів) коригується за значеннями таблиці розділів MBR. Основна робота BIOS з MBR полягає у завантаженні та передачі управління завантажувального коду.

Нижче наведено структуру MBR (а) та структуру одного розділу в таблиці розділів (б) завантажувального запису.

Рис. 7 Формат головного завантажувального запису (MBR)

1.8.2. Завантажувальний блок ОС (BR)

Структура завантажувального блоку ОС, званого також завантажувальним записом(Boot Record) може бути довільною. В основному щодо завантажувальних блоків виконується два твердження:

 В кінці завантажувального блоку є сигнатура 0xAA55, повністю аналогічна сигнатурі MBR. Це з їх родинним походженням, . BIOS мало розрізняє за призначенням ці блоки. Основний його принцип. завантажити, перевірити сигнатуру та запустити.

 Завантажувальний блок ОС розташовується завжди в першому блоці завантажувального розділу ОС. Точка входу в програму завантажувача завжди знаходиться за адресою 0 щодо початку блоку. Це дає універсальність завантаження будь-якої ОС за допомогою стандартного завантажувача MBR.

У завантажувальному блоці міститься програма, що здійснює пошук та завантаження ядра ОС. Однак, оскільки 512 байт явно недостатньо для того, щоб вмістити в них серйозну програму, виникає потреба в проміжному завантажувачі, який:

1. Досить малий, щоб його легко завантажити за допомогою завантажувача розміром всього 400-500 байт.

2. Досить великий, щоб у ньому можна було розмістити процедури роботи з файлами, що здійснюють пошук і завантаження ядра.

Залежно від складності файлової системи існує два розв'язання цієї задачі.

Перше полягає в тому, що завантажувач намагається одразу прочитати частину файлу операційної системи. Так робить, наприклад, система DOSта її спадкоємці - Windows 95/98/ME. Їх завантажувач знаходить у кореневому каталозі файл IO.SYS і зчитує перші його три блоки. Основа цього. простота систем FAT, яка дозволяє за першим кластером файлу, вказаним у каталозі, виловити з диска початок файлу. Проте системні файли повинні бути для цього дефрагментованими та прихованими від звичайних програм.

Друге рішення полягає в тому, що завантажувач містить у своєму тілі абсолютні адреси продовження самого себе і насамперед зчитує своє продовження на згадку. Так роблять, наприклад, ntldr, LILO та інші. Це рішення незручно тим, що завантажувач адресує себе не через файлову систему, а безпосередньо, тому маніпуляції з файлами можуть призвести до збою завантаження, так що його доводиться робити файлом, що не переміщається. Але навіть при дотриманні цього перенесення розділу повністю на нове місце знову дасть неправильний ланцюжок блоків, і завантаження стане неможливим. У таких ситуаціях завжди рекомендується мати завантажувальну дискету, здатну відновити завантажувач на жорсткому диску.

1.9. Висновок

У цьому розділі було розглянуто основні поняття щодо організації інформації на жорстких дисках. Будь-яка операційна система ґрунтується на принципах, викладених вище.

Встановлення операційної системи починається з розбиття диска на розділи. Далі розділи форматуються під одну з файлових систем, що підтримуються операційною системою. Після форматування дисковий простір стає доступним для зберігання файлів. Програма установки ОС розпаковує пакети програм на вільне місце. Після цього вона робить налаштування програм і створює завантажувальний запис розділу, що забезпечує завантаження ядра після вибору цієї операційної системи.

Розбиття диска на розділи виконується програмно, з допомогою структури даних, званої таблицею розділів. Вона розташовується в першому блоці жорсткого диска і називається також головним завантажувальним записом (MBR). MBR містить записи про 4 розділи, яких може виявитися недостатньо для встановлення кількох операційних систем, якщо їхня кількість перевищує кількість вільних розділів. Стандартний вміст MBR дозволяє завантажувати операційні системи з одного з чотирьох розділів, описаних у таблиці розділів. Для завантаження більшої кількості ОС потрібне спеціальне програмне забезпечення, що забезпечує завантажувальне меню та завантаження вибраної користувачем операційної системи.