Анализ современных накопителей. Интерфейсы

2.4 Дорожки и секторы

 

 Дорожка  — это одно “кольцо” данных  на одной стороне диска. Дорожка  записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами. 

Количество  секторов может быть разным в зависимости  от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может  содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка  жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится. 

Нумерация секторов на дорожке начинается с  единицы, в отличие от головок  и цилиндров, отсчет которых ведется  с нуля. Например, дискета HD (High Density) формата 3,5 дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1–18). 

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочей служебной информации, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации. 
 

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт. 

Для наглядности  представьте, что секторы — это страницы в книге. На каждой странице содержится текст, но им заполняется не все пространство страницы, так как у нее есть поля (верхнее, нижнее, правое и левое). На полях помещается служебная информация, например названия глав (в нашей аналогии это будет соответствовать номерам дорожек и цилиндров) и номера страниц (что соответствует номерам секторов). Области на диске, аналогичные полям на странице, создаются во время форматирования диска; тогда же в них записывается и служебная информация. Кроме того, во время форматирования диска области данных каждого сектора заполняются фиктивными значениями. Отформатировав диск, можно записывать информацию в области данных обычным образом. Информация, которая содержится в заголовках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изменить ее можно, только переформатировав диск. 

 

2.5 Форматирование дисков

 

 

Различают два вида форматирования диска: 

·        физическое, или форматирование низкого  уровня; 

·        логическое, или форматирование высокого уровня. 

  

При форматировании гибких дисков с помощью программы Explorer Windows 9x или команды DOS FORMAT выполняются  обе операции, но для жестких дисков эти операции следует выполнять  отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, — разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня (которые могут быть различными для разных операционных систем). Это позволяет совмещать несколько операционных систем на одном жестком диске. 

При организации  нескольких разделов на одном накопителе каждый из них может использоваться для работы под управлением своей  операционной системы либо представлять отдельный том (volume), или логический диск (logical drive). Том, или логический диск, — это то, чему система присваивает буквенное обозначение. 

Таким образом, форматирование жесткого диска  выполняется в три этапа. 

1.     Форматирование низкого уровня. 

2.     Организация разделов на диске. 

3.     Форматирование высокого уровня. 

 

2.5.1 Форматирование низкого 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 фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных. В накопителях на гибких дисках количество секторов на дорожке определяется типом дискеты и дисковода; количество секторов на дорожке жесткого диска зависит от интерфейса накопителя и контроллера. 

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные, содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска заключается в разделении внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности. Однако в накопителях, не использующих метод зонной записи, все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то что длина окружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно. 

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. 
 

Еще одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних). 

 

Организация разделов на диске 

При разбивке диска на области, называемые разделами, в каждой из них может быть создана файловая система, соответствующая определенной операционной системе. Сегодня в работе операционных систем чаще других используется три 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. Длина имен файлов может достигать 256 символов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16Ч1018 байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности. 

 

Наибольшее  распространение в настоящее время получила файловая система FAT, поскольку именно она поддерживается большинством существующих операционных систем. 

Создание  разделов на диске выполняется с  помощью поставляемой с операционной системой программы FDISK, используя которую можно выбрать (как в мегабайтах, так и в процентном выражении) размер основного и дополнительного разделов. Жестких указаний по созданию разделов на диске не существует — необходимо учитывать объем диска, а также устанавливаемую операционную систему. 

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

 

2.5.2 Форматирование высокого уровня

 

 При  форматировании высокого уровня  операционная система (Windows 9х, Windows NT или DOS) 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 даже “обходит”, во избежание проблем, дефектные участки на диске. 

В сущности, форматирование высокого уровня —  это не столько форматирование, сколько  создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. Настоящее форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. С помощью DOS-команды FORMAT для гибкого диска осуществляются сразу оба типа форматирования, а для жесткого — только форматирование высокого уровня. Чтобы выполнить низкоуровневое форматирование жесткого диска, необходима специальная программа, обычно предоставляемая производителем диска. 

 

2.6 Основные узлы накопителей на жестких дисках

 

 Существует  много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов и качество используемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске относятся следующие: 

·        диски; 

·        головки чтения/записи; 

·        механизм привода головок; 

·        двигатель привода дисков; 

·        печатная плата со схемами управления; 

·        кабели и разъемы; 

·        элементы конфигурации (перемычки и  переключатели). 

Диски, двигатель привода дисков, головки  и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. 

Диски 

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно: 

·        5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма); 

·        3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма); 

·        2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма); 

·        1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма). 

Существуют  также накопители с дисками больших  размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в персональных компьютерах не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) — в портативных системах. 

В большинстве  накопителей устанавливается минимум  два диска, хотя в некоторых малых  моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими  размерами накопителя, а именно высотой  его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма равно 11. 

Рабочий слой диска 

 Независимо  от того, какой материал используется  в качестве основы диска, он  покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную  намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя: