Логическая структура жесткого диска

Информация в винчестер записывается и хранится на магнитных дисках. Винчестер содержит обычно от 2 до 11 и более дисков. Все магнитные диски имеют две рабочие поверхности, которые размечены на дорожки и секторы (Рисунок3). Предварительная разметка дисков винчестера выполняется предприятием изготовителем методом форматирования низким уровнем.

Рисунок 3.Разметка рабочих поверхностей на дорожки и секторы.

Цилиндр жесткого диска - это несколько равноудаленных от центра вращения магнитного диска дорожек, расположенных на разных дисковых поверхностях друг над другом (Рисунок 4).

Головки, записывающие и считывающие информацию, всегда читают информацию с одного из цилиндров - несколько головок читают или пишут информацию на равноудаленных от центра секторах пластин т.к. они насажены на общую ось.

Поэтому такая зона называется цилиндром - ведь круговые одновременно используемые дорожки лежат на поверхности воображаемого цилиндра. Обнулить цилиндры нельзя, т.к. они воображаемые. Можно только полностью очистить жесткий диск путем полного форматирования.

Рисунок 4.

Дорожка— это одно "кольцо" данных на одной поверхности диска. Длина дорожки увеличивается от центра к наружному краю диска, однако она слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100кБ и хранить небольшие файлы на таком пространстве неразумно. Поэтому дорожки на диске разбивают на фиксированные отрезки, называемые секторами (sector).

Количество секторов в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя может быть разным. Так, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Обычно емкость сектора равна 512 байт. В начале каждого сектора записывается его заголовок (префикс-prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора. В конце каждого сектора записывается заключение (суффикс-suffix portion) содержащее контрольную сумму(checksum) для проверки целостности данных. Префикс и суффикс-это необходимая служебная информация, которая записывается при форматировании, данные располагаются между ними.

Жесткий диск как любое блочное устройство хранит информацию фиксированными порциями, называемыми блоками (кластерами).

Сектор - это минимальная физическая единица диска, а кластер - минимальная логическая единица диска. Кластер является наименьшей порцией данных и имеет свой уникальный адрес состоящий из трех цифр: первая - это цилиндр, вторая - это головка, третья - это сектор (cylinder, head, sector). Нумерация секторов начинается с единицы, а нумерация цилиндров (дорожек) и головок с нуля.

Обмен информацией жестким диском с другими устройствами происходит указанием адреса кластера информации в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру. Такой способ адресации обозначается аббревиатурой CHS (Cylinder, Head, Sector), но в связи с ограниченными возможностями BIOS появился другой способ адресации LBA (logical block addressing ). Блок на магнитном диске стали описывать одним параметром - линейным адресом блока, который однозначно связан с его CHS адресом и транслируется в BIOS по формуле lba = (cyl*HEADS + head)*SECTORS + (sector-1). Дальнейшее увеличение объемов жестких дисков привело к разработчике совершенно новый расширенного интерфейса BIOS , несовместимого со старыми операционными системами (например DOS, который не поддерживает диски обьемом более 8 GB). Современные системы вообще не пользуются BIOS, а используют собственные драйвера для работы с диском.

Подготовка винчестера к логически рабочему состоянию выполняется в три этапа:

1.Форматирование низкого уровня (физическое).

2.Создание разделов на диске.

3.Форматирование высокого уровня.

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется специальными тестовыми наборами данных.

Количество секторов на дорожке жесткого диска зависит от интерфейса накопителя и контроллера. Практически все винчестеры IDE и SCSI используют так называемую зонную запись с переменным количеством секторов на дорожке. Внешние дорожки дисков более длинные и содержат большее число секторов, чем близкие к центру.

Использование зонной записи приводит к разбиению внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами, а следовательно и к увеличению полезной емкости дисков на 20-50%.

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более (см. рисунок 5)

Рисунок 5.

Метод зонной записи был принят производителями жестких дисков, что позволило повысить емкость устройств на 20-50% по сравнению с накопителями, в которых число секторов на дорожке является фиксированным. Сегодня зонная запись используется почти во всех накопителях IDE и SCSI.

На следующем этапе выполняется разбивка диска или создание логических разделов (partitions) в каждой из которых можно создать любую файловую систему соответствующую определенной операционной системе.

На практике применяются три основные файловые системы:

- FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расширения), а объем тома (логического диска) — до 2 Гбайт. Под Windows 9х и Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов — 255 символов.

- FAT32 (File Allocation Table, 32-bit — 32-разрядная таблица размещения файлов). Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

- NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна только в операционной системе Windows NT/2000/XP. Длина имен файлов может достигать 256 символов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16?1018 байт).

NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, такие как администрирование, средства безопасности и др.

До появления Windows XP наиболее распространенной файловой системой была FAT32. В современных системах более широко используется NTFS, которая появилась с файловой системой XP.

Система FAT поддерживается практически каждой операционной системой, что делает ее универсальной для использования в смешанных операционных средах.

FAT32 и NTFS предоставляют дополнительные возможности, но не являются универсально совместимыми с другими операционными системами.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровняс помощью средств операционной системы.

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector — VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory).

С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и игнорирует дефектные участки диска.

В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов.

Внешние жесткие диски

Самый простой способ увеличить свободное дисковое пространство состоит в подключении внешнего жесткого диска. Добавленный внешний жесткий диск не сможет играть роль основного диска, на который устанавливается ОС Windows, но он может быть использован как дополнительный диск, предназначенный для хранения программ и файлов. Добавление внешнего жесткого диска - хороший способ выделить дополнительное пространство для хранения цифровых фотографий, видео, музыки и других файлов, занимающих много места на диске.

Чтобы установить внешний жесткий диск, нужно просто подключить его к компьютеру и подсоединить шнур питания. Большинство внешних жестких дисков подключаются к USB-порту, но некоторые используют порт Firewire (также известный как IEEE 1394) или внешний порт Serial ATA (eSATA). Дополнительные сведения см. в документации к этому внешнему жесткому диску. Может также потребоваться установить программное обеспечение, поставляемое вместе с жестким диском.

Большинство внешних жестких дисков можно установить просто путем подключения их к USB-порту.

Внутренние жесткие диски

Внутренние жесткие диски подключаются к системной плате компьютера с помощью интерфейса IDE или SATA. Большинство современных жестких дисков поставляются с кабелем подключения IDE или SATA, в зависимости от типа диска.

Установка внутреннего жесткого диска более трудоемка, особенно если новый жесткий диск планируется использовать в качестве основного для установки Windows. При установке внутреннего жесткого диска придется открыть корпус компьютера и подключить кабели.

В большинстве настольных компьютеров предусмотрены гнезда для установки двух внутренних жестких дисков. В ноутбуках возможна установка только одного жесткого диска. В отличие от добавления дополнительного жесткого диска, при замене основного жесткого диска после его подключения потребуется установить Windows.

Интерфейсы HDD

Parallel ATA (PATA, IDE) – интерфейс, который был специально разработан для домашних систем, он поддерживает не более 4-х устройств. На данный момент актуальны следующие спецификации: UDMA(ATA)-33, UDMA(ATA)-66, UDMA(ATA)-100, UDMA(ATA)-133 (различаются между собой набором команд и пиковой пропускной способностью). Нужно выбирать HDD одного из двух последних стандартов, так как первые два уже неактуальны, и их поддержка реализуется разработчиками в последнюю очередь.

Рисунок -IDE

Serial ATA (SATA) – интерфейс, который появился относительно недавно и сейчас пропагандируется как замена PATA. В отличие от PATA, здесь винчестер подключается узким кабелем и поддерживается «горячее» подключение. Интерфейс обладает большим запасом увеличения скорости, поддерживает команды оптимизации чтения данных. Накопитель подключается к контроллеру собственным кабелем. Этот стандарт еще не получил столь большого распространения, как PATA, из-за своей новизны.

Рисунок - Sata

SCSI – интерфейс, который изначально проектировался для работы с большими объемами данных (7-15 устройств). Он поддерживает большое количество подключенных устройств (точная цифра зависит от версии), современные версии интерфейса поддерживают «горячее» подключение, устройства имеют высокую надежность и высокую скорость передачи данных. Главный недостаток – это цена таких HDD. Они применяются в серверах и для работы с громадными объемами данных.

Рисунок - Scsi

USB - последовательный интерфейс передачи данных, для подключения 2,5 -дюймовых внешних жестких дисков используют Y-образный(2-х портовый) USB-кабель. Для питания 3,5-дюймовых моделей с большим энергопотреблением используют внешний блок питания.

eSATA (External SATA) - интерфейс подключения внешних устройств, поддерживается режим «горячей замены» пропускная способность интерфейса до 80 Мб/сек

Рисунок - eSata

FireWire—стандарт IEEE 1394, последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. устройства равноправны, горячая замена возможна

Рисунок - 1394