Физическая и логическая структура жесткого диска, понятие файловой системы

Основным типом устройств, используемых в современных вычислительных системах, как внешняя память, является накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). Кратко обсудим физическую структуру магнитного диска. НЖМД состоит из нескольких металлических пластин, покрытых с обеих сторон магнитным слоем. Все пластины насажены на общую ось и вращаются вокруг этой оси с большой угловой скоростью (около 10000 оборотов в минуту). Между всеми пластинами возвратно-поступательно движется гребенка магнитных головок, используемая для записи-считывания информации. На этапе низкоуровневого форматирования (в настоящее время это заводская процедура) на каждой поверхности диска создается определенная структура: совокупность концентрических окружностей, каждая из которых разбита на фрагменты, называемые секторами. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, но, как правило, размер сектора равен 512 байт. Сектор имеет определенный физический смысл, это наименьший объем информации, которым операционная система обменивается с диском или наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью.

Когда диск вращается, магнитная головка считывает двоичные данные с магнитной дорожки. Гребенка головок перемещается над поверхностями накопителя дискретными шагами с одной дорожки на другую. Запись на диск осуществляется благодаря способности головки изменять магнитные свойства дорожки. Совокупность дорожек одного радиуса называется цилиндром. Чтобы контроллер диска мог по командам драйвера диска мог найти нужный сектор, необходима определенная система координат. Такой системой координат являются координаты – C (номер цилиндра), H (номер головки или номер поверхности накопителя), S(номер сектора). При работе с диском операционная система использует собственные единицы дискового пространства, называемые кластерами или блоками. Как, известно, кластер – это минимальная порция дискового пространства, распределяемая операционной системой, файлу.

Логическая структура диска.

Мы рассмотрели физическую структуру диска. Существует понятие логической структуры диска – специального системного соглашения о структуре диска. Диск имеет определенную логическую структуру, для того, чтобы можно было осуществить загрузку операционной системы с диска в оперативную память и затем с ее помощью организовать работу с файлами. Обсуждаемая ниже логическая структура диска соответствует устоявшемуся стандарту, относительно которого в литературе появился термин «базовые диски». Существует стандарт, соответствующий так называемым «динамическим дискам», который мы обсудим позже.

В общем случае магнитный диск может быть разбит на отдельные разделы. Деление на разделы позволяет организовать на одном физическом диске несколько логических дисков. В каждом разделе может быть организована своя файловая система и в каждом из разделов может храниться операционная система. В самом первом секторе диска хранится структура, имеющая название главной загрузочной записи (MBR), которая состоит из таблицы разделов диска (partition table) и программы ее анализа. Таблица разделов диска хранит информацию о логической организации физического диска. Таблица разделов диска имеет четыре строки, т. е. по существующему стандарту можно создать не более четырех разделов. Каждая строка описывает соответствующий раздел: адрес первого сектора в координатах C-H-S, объем в секторах, код раздела (первичный или расширенный), код активности раздела (является ли раздел системным, хранится ли в нем операционная система). Вслед за главной загрузочной записью располагаются разделы диска.

«Динамические диски».

Устоявшийся стандарт «базовые диски» имеет некоторые недостатки. Главный недостаток – это не обеспечение избыточности для такой важнейшей системной информации, как главная загрузочная запись или MBR, поэтому нарушение целостности системных данных в одном-единственном месте разрушает всю структуру целиком. Второй недостаток «базовых дисков» связан с необходимостью перезагружать систему после внесения некоторых видов изменений в конфигурацию дисковых разделов. Из-за этого администраторы вынуждены планировать внесение изменений либо на период неактивной эксплуатации системы, либо на нерабочее время.

«Динамические диски» - это фирменный закрытый стандарт (от Microsoft) распределения дискового пространства, не имеющий ничего общего с промышленным стандартом, использующем хранение в первом секторе таблицы разделов диска и программы ее анализа (главная загрузочная запись). В «динамических дисках» реализована технология, призванная обеспечить дополнительную отказоустойчивость и возможность управлять дисковыми томами в оперативном режиме. Такие усовершенствования позволяют добиться более высокой готовности серверов Windows - 2000, по сравнению с NT-серверами.

«Динамические диски» хранят информацию о структуре наиболее критичных дисковых данных в нескольких местах. «Динамические диски» не зависят от единственной таблицы разделов для данного типа тома и его расположения, а поддерживают вместо этого специальную базу данных, размером 1 Мбайт, в самом конце физического диска. Эта база данных предназначена для хранения принципиально важных сведений о томах, расположенных на данном динамическом диске, и обо всех динамических дисках системы. Содержимое этой базы данных напоминает то, что находится в таблице разделов стандарта, соответствующего «базовым дискам», в частности, данные о начальных и конечных секторах и суммарное число секторов, тип тома для каждого имеющегося в системе тома динамического диска. В указанной базе данных не хранится сведений о томах, отформатированных как FAT или FAT32, а также о размещении главной файловой таблицы, Master File Table (MFT), использующейся для томов NTFS (система обеспечивает хранение всех этих сведений в другом месте).

 Система с «динамическими дисками» в состоянии автоматически восстановить работоспособность «динамического диска», причем пользователь может даже об этом не знать. При возникновении каких-либо проблем с базой данных, операционная система самостоятельно отыщет диск с неповрежденной копией базы, а затем скопирует ее на пострадавший диск. В то же время для традиционного стандарта повреждение или разрушение таблицы разделов «базового диска» – событие катастрофическое. Вторым достоинством динамической модели дисков является возможность изменения размеров логического диска без обязательной перезагрузки операционной системы («на лету»).

Основным недостатком динамической модели дисков является абсолютная несовместимость c операционными системами, отличными от линейки Windows 2000/XP/2003/… . Если диск был преобразован в динамический, то на этот компьютер не удастся установить другую операционную систему. Обратное преобразование невозможно без полной потери данных.

Функции и назначение файловых систем.

Под термином «файловая система» можно понимать способ организации данных на диске. Именованные наборы данных на диске, организованные в виде совокупности записей (часть дискового пространства), называются файлами. За управлением этими данными (создание, удаление, чтение, добавление записей и т. д.) отвечает специальное системное программное обеспечение (часть операционной системы) – система управления файлами. Ее назначение – предоставление удобного доступа к данным, организованным в виде файлов. Система управления файлами предоставляет логический доступ (указание имени файла и записи в нем) вместо физического (низкоуровневого) доступа к данным (указание физических адресов нужной записи).

Информация, хранящаяся на диске, структурирована, относительно файлов существуют иерархические отношения. Введено понятие каталога. Каталог представляет собой список (таблицу), каждый элемент которого содержит характеристики (имя, атрибуты, адрес на диске первого кластера) некоторых файлов, причем эти файлы, в свою очередь могут быть каталогами. Таким образом, каталоги и файлы образуют иерархию. На вершине такой иерархии находится каталог, не входящий ни в какой другой каталог, называемый корневым каталогом.

В общем случае, при помощи файловой системы происходит управление файлами в так называемом логическом диске. Логический диск может быть либо разделом физического диска, либо занимать все пространство физического диска.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: