Низкоуровневая структура жестких дисков

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 8Следующая ⇒

Поверхность диска никогда не используется для записи произвольным образом. Данные всегда записываются в виде концентрических окружностей, называемых дорожками, состоящих из нескольких меньших отрезков - секторов. Каждой дорожке и каждому сектору на каждой из сторон диска присваивается свой порядковый номер. Расположенные одна над другой несколько дорожек с одинаковыми номерами, называются цилиндрами. Например, накопитель на жестких магнитных дисках Fujitsu MPG 3409 имеет 2 диска и все четыре стороны рабочие, следовательно, каждый его цилиндр состоит из четырех дорожек. Такое деление дискового пространства на участки называется форматом нижнего уровня и выполняется на заводе-изготовителе накопителя на жестких магнитных дисках. В процессе низкоуровневого форматирования дисков может выясниться, что на поверхности пластин имеется один или несколько маленьких участков, чтение или запись в которые сопровождается ошибками. Однако из-за этого диск не выбрасывают и не считают его испорченным, а всего лишь помечают эти секторы особым образом, и они в дальнейшем игнорируются. Накопитель на жестких магнитных дисках содержит некоторое количество запасных дорожек, которыми электроника накопителя «на лету» подменяет дефектные участки поверхности, делая их абсолютно прозрачными для операционной системы и таких программ, как, например, дисковые редакторы, ScanDisk и Norton Disk Doctor.

Но не вся область диска отведена для записи данных. Часть информационной поверхности используется накопителем для собственных нужд. Это область служебной, как ее еще иногда называют, инженерной информации. Она скрыта от пользователей и становится доступной при переводе накопителя на жестких магнитных дисках в специальный технологический режим, осуществляемый при помощи стендового оборудования и особых утилит.

Служебную информацию можно разделить на несколько типов:

1. скорость вращения дисков, поиска секторов и точной установки головок на дорожки.

2. информация, служащая для адресации секторов с данными пользователя и контроля целостности этих данных

. рабочие программы (микрокод), предназначенные для управления работой всех систем накопителя;

. паспорт накопителя на жестких магнитных дисках, в котором записана информация о количестве дисков, головок, название фирмы-производителя и модели накопителя, дата его изготовления, страна изготовитель, номер конвейера, номер рабочей смены и многое другое; здесь же хранится и уникальный серийный номер накопителя на жестких магнитных дисках;

. таблица дефектных секторов, служащая для аппаратной подмены сбойных участков поверхности из резерва. Эта информация используется электроникой накопителя на жестких магнитных дисках в процессе работы и является важнейшей его частью, без которой физически полностью исправный накопитель был бы бесполезным.

В состав контроллера входят следующие функциональные узлы: схема управления двигателем, схема управления позиционированием головок, канал чтения-записи, цифровой сигнальный процессор, микропроцессор управления, буфер памяти накопителя и интерфейсная логика. Микропроцессор управления представляет собой очень быструю специализированную микро-ЭВМ, имеющую свою оперативную память, постоянную энергонезависимую память и программное обеспечение, состоящее из нескольких модулей. Оно образует специализированную операционную систему. Некоторые из ее компонентов могут располагаться в микросхеме ПЗУ на плате электроники, а другие записаны непосредственно на дисках в служебной области. При включении питания первым включается микропроцессор управления и тестирует электронику накопителя на жестких магнитных дисках. Если все в порядке, подается команда на включение электродвигателя.

Это самый сложный момент в работе накопителя, так как при этом головки соприкасаются с диском в зоне парковки и изнашиваются. Кроме того, двигатель в момент разгона работает в форсированном режиме, что сопровождается большим потреблением тока и повышенной нагрузкой на электронику. После " всплытия" головок осуществляется процесс их распарковки: в обмотку соленоида подается импульс тока, перемещающий головки в информационную зону дисков. Начинается поиск сервометок, которые, в данном случае, используются для определения скорости вращения. Убедившись в том, что блины крутятся с нужной скоростью, микропроцессор перемещает головки в зону, где записана служебная информация, и считывает с диска в свою память микропрограмму, которая анализирует конфигурационные параметры и таблицу дефектных секторов. Затем выполняется еще несколько внутренних тестов, термокалибровка, чтение таблицы S.M.A.R.T.-параметров.

Тестирование правильности позиционирования головок путем чтения нескольких дорожек, расположенных в разных местах диска (при этом слышен характерный треск, а иногда писк, вызываемый работой катушки перемещения головок). В процессе работы накопителя на жестких магнитных дисках через обмотки двигателя и катушку позиционирования текут очень большие импульсные токи, поэтому процессор управляет ими не напрямую, а через микросхемы усилителей тока. В современных накопителях данные читаются и записываются на диск не в цифровой, а в аналоговой форме методом частотной модуляции, поэтому в канале чтения-записи применяется цифровой сигнальный процессор, включающий в себя АЦП и ЦАП, преобразующие прочитанные головками ультразвуковые сигналы в " цифру" и наоборот. Микропроцессор накопителя на жестких магнитных дисках функционирует все время, пока на него подано питание.

Под его контролем все системы накопителя работают дружно, образуя несколько замкнутых систем авторегулирования, поддерживающих постоянную

скорость вращения дисков и обеспечивающих точное попадание головок на дорожки и доступ к любому сектору независимо от физического износа механики и внешних ударных или тепловых воздействий. Для питания накопителей настольных компьютеров обычно используется два напряжения: +5В (для схем усиления и обработки сигналов) и +12 В (для силовых цепей). Это позволяет уменьшить помехи от двигателей и упростить схему. Обычно требования к стабильности источника +5В гораздо выше, чем к +12В. Это справедливо и для многих других устройств. При внезапном выключении питания, электроника накопителя на жестких магнитных дисках продолжает некоторое время работать, получая энергию от двигателя, который, вращаясь по инерции, вырабатывает электрический ток, достаточный для успешной парковки головок. Некоторые накопители умеют сами скрывать вновь образующиеся дефекты поверхности. Например, очень популярная серия Quantum Fireball оборудована по этому поводу запасными секторами в каждой дорожке. В связи с тем, что длина внешних и внутренних дорожек на дисках отличается, то и секторов на них помещается разное количество.

Когда накопитель на жестких магнитных дисках работает, его микропроцессор производит пересчет физических параметров о числе головок, числе секторов в дорожке и количестве цилиндров в вид, воспринимаемый внешними устройствами. Этот параметр называется геометрией накопителя, а процесс пересчета - трансляцией, и служит для удобства работы внешних устройств. Именно эти " стандартные" параметры и указываются на корпусе накопителя на жестких магнитных дисках (например, 16 головок и 63 сектора в дорожке, хотя на самом деле головок может быть всего 2). Емкость накопителя на жестких магнитных дисках в байтах можно подсчитать, перемножив число головок, число секторов в дорожке, число цилиндров и размер сектора, который равен 512 байт. Например, 16*63*39714*512=20, 4 Гб (конечно, имеются в виду " неправильные" гигабайты производителей - по миллиарду байт). После успешного завершения всех внутренних тестов микропроцессор производит разблокировку интерфейса, сообщая об этом материнской плате компьютера.

Файловые системы

Информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому операционная система или другая программа должена при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках.

Файловая система - это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации. Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами

Файловая система определяет:

1. как хранятся файлы и каталоги на диске;

2. какие сведения хранятся о файлах и каталогах;

. как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие - нет;

. формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Для использования дисков, записанных с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.

Информация хранится в основном на дисках, а применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на жестких магнитных дисках.

В операционных системах семейства MS Windows используются следующие файловые системы - FAT, FAT 32, NTFS.

1.7.1 Файловая система FAT является наиболее простой из поддерживаемых Windows NT файловых систем. Основой файловой системы FAT является таблица размещения файлов, которая помещена в самом начале тома. На случай повреждения на диске хранятся две копии этой таблицы. Кроме того, таблица размещения файлов и корневой каталог должны храниться в определенном месте на диске (для правильного определения места расположения файлов загрузки). Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные. Такая запись в таблице размещения файлов сигнализирует о том, что это последний кластер файла, или указывает на следующий кластер.

Обновление таблицы размещения файлов имеет большое значение и требует много времени. Если таблица размещения файлов не обновляется регулярно, это может привести к потере данных. Длительность операции объясняется необходимостью перемещения читающих головок к логической нулевой дорожке диска при каждом обновлении таблицы FAT. Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».

На компьютере под управлением Windows NT в любой из поддерживаемых файловых систем нельзя отменить удаление. Программа отмены удаления пытается напрямую обратиться к оборудованию, что невозможно при использовании Windows NT. Однако если файл находился в FAT-разделе, то, запустив компьютер в режиме MS-DOS, удаление файла можно отменить. Файловая система FAT лучше всего подходит для использования на дисках и разделах размером до 200 МБ, потому что она запускается с минимальными накладными расходами.

Как правило, не стоит использовать файловую систему FAT для дисков и разделов, чей размер больше 200 МБ. Это объясняется тем, что по мере увеличения размера тома производительность файловой системы FAT быстро падает. Для файлов, расположенных в разделах FAT, невозможно установить разрешения. Разделы FAT имеют ограничение по размеру: 4 ГБ под Windows NT и 2 ГБ под MS-DOS.

Файловая система FAT32

Для работы с большими дисками была разработана новая файловая система FAT32. Microsoft впервые представляет файловую систему FAT32 в операционной системе Windows 95 OSR2. В этой файловой системе разрядность указателя на кластер увеличивается до 32 бит, что значительно увеличивает количество поддерживаемых кластеров, и, следовательно, позволяет уменьшить их размер. Вы видите, что разрядность указателя составляет 32 бита и, даже используя кластер 512 байт, эта файловая система может поддерживать диски в 127, 9 Гбайт. А при использовании кластера 32 Кбайт она может поддерживать диски до 2 Тбайт. На первый взгляд может показаться, что теперь можно использовать кластер размеров в один блок (512 байт), уменьшив тем самым потери в хвостах файлов почти до нуля, но использование таких малых кластеров все же не выгодно из соображений производительности. Вы помните, что информация о расположении файла по кластерам содержится в FAT таблице.

Чем меньше размер кластера, тем больше кластеров займет файл и тем больше записей появится в таблице и соответственно тем дольше будет происходить считывание информации о расположении файла при доступе к нему. Еще один важный момент. Во время работы файловые таблицы переносятся в оперативную память. И это логично. Ведь считать из оперативной памяти информацию о файле можно гораздо быстрее, чем с жесткого диска. При этом, чем меньше размер кластера, тем больше записей в файловой таблице и, соответственно, больше ее объем. А это, в свою очередь, влияет на требования к размеру оперативной памяти. Быстродействие системы FAT32 можно повысить, увеличив размер кластера. Увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT тоже в два раза. В FAT32 это очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократится - уменьшится и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов. Обратная сторона - существенно возрастают потери дискового пространства. Получается замкнутый круг: чем больше размер кластера, тем выше быстродействие, но возрастают и потери дискового пространства; чем меньше размер кластера, тем более экономно расходуется дисковое пространство, но катастрофически падает быстродействие.

Поэтому минимальный кластер в FAT32 был выбран размером 4 Кбайт, как компромисс между эффективностью хранения данных и производительностью. Поскольку эта файловая система предназначалась для работы с большими дисками, давайте рассмотрим ее с этой стороны. Большие диски нужны для хранения больших объемов данных. С увеличением числа файлов будет расти и размер таблицы их размещения. Поскольку просмотр таблицы линейный, то в какой-то момент быстродействие дисковых операций значительно упадет. А это уже очень неприятный момент. В Windows XP/2000 максимальный размер раздела, который можно отформатировать с помощью FAT32, равен 32 Гбайт, не смотря на теоретический предел в 4 Тбайт.

Видимо, Microsoft нашла ту точку, дальше которой идти не имеет смысла. Несмотря на это, вы можете работать с разделами FAT32 более 32 Гбайт, если они были отформатированы с помощью другой ОС. Рассмотрим еще некоторые особенности FAT32. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу. Корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном месте, вместо этого хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге. Кроме того, для учета свободных кластеров, в зарезервированной области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет системе при выделении следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файла.

Файловая система NTFS

С точки зрения пользователя файловая система NTFS организует файлы по каталогам и сортирует их так же, как и HPFS. Однако в отличие от FAT и HPFS на диске нет специальных объектов и отсутствует зависимость от особенностей установленного оборудования (например, сектор размером 512 байт). Кроме того, на диске отсутствуют специальные хранилища данных (таблицы FAT и суперблоки HPFS).

Для обеспечения надежности файловой системы NTFS особое внимание было уделено трем основным вопросам: способности к восстановлению, устранению неустранимых ошибок одного сектора и экстренному исправлению Для обеспечения способности к восстановлению NTFS отслеживает все транзакции в отношении файловой системы. Выполнение команды CHKDSK в файловой системе FAT или HPFS служит для проверки последовательности указателей в пределах каталога, размещения и таблицы файлов. Файловая система NTFS хранит журнал операций с этими компонентами. Таким образом, для восстановления связности системы необходимо с помощью команды CHKDSK выполнить «откат» транзакций до последней точки фиксации. При использовании FAT или HPFS сбой сектора, в котором хранится один из специальных объектов файловой системы, приводит к возникновению неустранимой ошибки одного сектора.

В NTFS эта проблема решается двумя способами. Во-первых, специальные объекты не используются, а все имеющиеся на диске объекты отслеживаются и защищаются. Во-вторых, существует несколько копий (число зависит от размера тома) основной таблицы файлов Подобно версиям HPFS для OS/2, NTFS поддерживает экстренное исправление.

Основное предназначение конфигурации операционной системы Windows NT на любом уровне является обеспечение платформы, которую можно использовать в качестве модуля при построении других систем, и NTFS не является исключением. Эта файловая система представляет собой гибкую платформу с широкими функциональными возможностями, которую могут использовать другие файловые системы. Кроме того, в NTFS полностью реализована модель безопасности Windows NT и поддержка нескольких потоков данных. Файл данных перестал быть отдельным потоком данных. Кроме того, пользователи могут добавлять собственные атрибуты файлов.

Во-первых, в NTFS значительно - до 2^64 байт (16 экзабайт или 18 446 744 073 709 551 616 байт) - увеличен допустимый раздел файлов и томов. В NTFS для решения проблемы фиксированного размера сектора снова применена концепция кластеров, ранее использованная в файловой системе FAT. Это было сделано для улучшения аппаратной независимости операционной системы Windows NT при ее использовании с жесткими дисками, изготовленными по другой технологии. Таким образом, была принята точка зрения, что деление диска на секторы размером 512 не всегда является оптимальным. Размер кластера определяется кратным числом единичных блоков жесткого диска.лучше всего подходит для использования с томами размером более 400 МБ. С увеличением размера тома производительность файловой системы NTFS не падает, как у FAT. Благодаря способности к восстановлению в NTFS отсутствует необходимость использования каких-либо программ восстановления диска.

Из-за дополнительного расхода дискового пространства файловую систему NTFS не рекомендуется использовать с томами размером менее 400 МБ. Такой расход объясняется необходимостью хранения системных файлов NTFS (в разделе размером 100 МБ для этого требуется около 4 МБ). В настоящее время NTFS не имеет встроенного шифрования файлов. Следовательно, можно загрузить MS-DOS (или другую операционную систему) и воспользоваться низкоуровневой программой редактирования диска для просмотра хранящихся в томе NTFS данных. С помощью файловой системы NTFS нельзя форматировать дискеты. Windows NT форматирует дискеты с помощью FAT, так как объем служебной информации, необходимой для функционирования NTFS, не помещается на дискете.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒