Что такое логическая структура жесткого диска

Обновлено: 06.07.2024

Жесткий диск — это накопитель информации, запоминающее устройство, основанное на принципе магнитной записи, обеспечивающее произвольный доступ.

В отличие от гибкого носителя, запись в этом случае ведется на жесткие пластины — диски, покрытые слоем ферромагнитного вещества. Доступ к информации обеспечивается при помощи магнитных головок, движущихся на расстоянии 0,1 мк от вращающихся пластин.

Основным назначением жесткого диска является комплектация стационарных компьютеров с целью хранения данных и программ. Изделия бывают внутренними и внешними — оснащенными жестким корпусом и системой охлаждения.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Жесткий диск имеет несколько названий. Наиболее распространенные из них: винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках — НЖМД, hard magnetic disk drive — HMDD, hard disk drive — HDD.

Устройство HDD, основные составляющие

Основными составными частями HDD являются гермозона и электронный блок.

Гермозона

Гермозона состоит из:

Корпуса, сделанного из прочного сплава.
Дисков с магнитным покрытием.
Блока головок с позиционирующим устройством.
Электропривода шпинделя.

В некоторых изделиях между пластинами дисков размещен сепаратор — разделитель, изготовленный из алюминия или пластика. Его основная функция — выравнивание воздушных потоков в гермозоне.

Устройство позиционирования или «актуатор» — это малоинерционный соленоидный двигатель, состоящий из неподвижной пары постоянных магнитов и катушки на подвижном кронштейне блока головок. Совместно с системой считывания и контроллером элемент образует сервопривод.

Блок электроники

Блок электроники включает:

Плату управления, расшифровывающую сигналы позиционирования головок, управляющую приводами дисков и головок, усиливающую сигналы считывания, записи.
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, хранящее управляющие программы для блоков цифровой обработки сигнала, служебные данные жесткого диска.
Буферную память, введенную в состав для сглаживания разницы скоростей работы накопителя и интерфейсной части.
Блок цифровой обработки сигнала, осуществляющий очистку считанного аналогового сигнала, декодирование, извлечение цифровой информации.
Интерфейсный блок, обеспечивающий сопряжение электроники винчестера с системой компьютера.

Существует несколько видов интерфейсов — способов взаимодействия жесткого диска с материнской платой. К наиболее востребованным относятся SATA третьего поколения, серверный SAS.

Основные характеристики жестких дисков

Современные HDD производятся в 2 форм-факторах: 2,5” и 3,5”. Первый отличается компактностью, быстрым действием, экономным потреблением энергии. Второй вмещает больший объем информации.

Кроме форм-фактора, к определяющим характеристикам жесткого носителя информации относят:

Объем диска. Средним значением сегодня является 3-6 терабайт, но существуют носители емкостью 10 терабайт и более.
Скорость вращения шпинделя, определяющую оперативность записи и чтения.
Максимальную скорость передачи данных.
Назначение. К примеру, для круглосуточной работы в составе видеосистемы или для выполнения стандартных функций записи и чтения.
Поддержку NCQ, способную ускорить работу с носителем посредством оптимизации очереди команд.
Объем кэш-памяти, необходимой для буферизации данных.
Разновидность разъема.

Важным параметром является уровень шума во время работы, так как некоторые устройства способны создавать значительные шумовые помехи.

Из не относящихся к технической стороне вопроса характеристик выделяют ударостойкость. Ее значение для обычных моделей составляет 40G. При серьезных нагрузках отдают предпочтение дискам с большей прочностью на удар.

Как осуществляется запись и чтение информации

Принцип работы винчестера схож с функционированием магнитофона. При записи воздействующее на ферромагнитное покрытие переменное магнитное поле изменяет направление вектора намагниченности доменов в соответствии с изменением величины сигнала.

В процессе считывания перемещение доменов приводит к изменению магнитного потока в головке, из-за чего в катушке за счет электромагнитной индукции возникает переменный электрический сигнал.

Информация записывается с применением небольшой головки, которая, проходя над диском, намагничивает дискретные области — домены. Если эти домены имеют горизонтальное строение, то говорят методе продольной записи. Если биты информации сохраняются в вертикально расположенных доменах, то метод записи называют перпендикулярным.

Логическая структура и принцип работы жесткого диска

При описании логической структуры внимание фокусируют на форматировании, которое может быть:

Высокоуровневым или логическим.
Низкоуровневым или физическим.

Высокоуровневое форматирование призвано использовать системную область, состоящую из:

корневого каталога;
таблицы размещения файлов;
таблиц разделов;
загрузочного сектора.

Запись данных выполняется частями с параллельным созданием отдельного, защищенного логического раздела. Поэтому при возникновении общих ошибок записанная таким образом информация не повреждается.

Низкоуровневое форматирование основано на физическом воздействии на поверхность диска, в результате которого образуются расположенные вдоль дорожек секторы. Каждый сектор имеет уникальный адрес, состоящий из номеров сектора, дорожки, стороны пластины. При считывании оперативная память обращается сразу по этому адресу, за счет чего достигается быстродействие.

Проведение физического форматирования диска влечет за собой потерю всех записанных на него данных. При этом в большинстве случаев восстановление невозможно.

Винчестеры, как и другие магнитные накопители с прямым доступом, имеют дорожковую организацию дисковой памяти. Это означает, что поверхность магнитных дисков разбивается на концентрические кольца разного диаметра – дорожки, начиная с внешнего края. Далее структуру информации на винчестере следует рассматривать отдельно с точки зрения физической и логической структур. Чаще всего путаница возникает при сравнении параметров, относящихся к различным структурам.

Физическая структура

С физической точки зрения обе поверхности всех магнитных дисков в массиве-пакете содержат дорожки. BIOS не определяет, к какому конкретно «блину» относится та или иная дорожка, поэтому все поверхности пронумерованы единой сквозной нумерацией. Каждой рабочей поверхности соответствует своя головка , по которым, собственно говоря, поверхности и нумеруются (параметр heads ). Физически максимально допустимое число головок за всю историю производства винчестеров было равно 11, но в современных накопителях более 6 головок не используется. В используемых ныне магнитных дисках число дорожек равно 80, а число дорожек жесткого диска достигает нескольких тысяч. Дорожки, как и головки, идентифицируются номером (внешняя дорожка и верхняя головка имеет нулевой номер). Количество дорожек на диске определяется поверхностной плотностью записи.

Дорожки, в свою очередь, разбиваются на сектора , являющие минимальными физическими элементами хранения и адресации данных. Чаще всего, сектора на каждой дорожке имеют фиксированный угловой размер, благодаря чему на всех дорожках располагается одинаковое количество секторов. Каждая дорожка дискеты 3,5” содержит 18 секторов. Жесткий диск имеет обычно от 17 до 63 секторов (так считает BIOS ). Реально же на дорожке современного накопителя содержится около 100 секторов, а максимальное их количество равно 256. Размер сектора определен в 512 байт. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, а не с нуля, в отличие от головок и цилиндров.

Каждый сектор несет не только данные, но и служебную информацию. В начале каждого сектора записывается его заголовок ( prefix ), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце – заключение ( suffix ), в котором находится контрольная сумма ( checksum , CRC ), необходимая для проверки целостности данных. Заголовок сектора включает в себя идентификатор ( ID ) сектора, первую CRC (контрольная сумма) и интервал включения записи. Идентификатор содержит информацию о номере цилиндра, головки и сектора. Далее следует интервал включения записи, после которого следует 512 байт данных. За данными располагается вторая CRC и интервал между записями (секторами), необходимый для того, чтобы застраховать следующий сектор от записи на предыдущий. Это может произойти из-за неравномерной скорости вращения диска. Завершает сектор прединдексный интервал, который имеет размер от 693 байт, служит для компенсации неравномерности скорости вращения диска. Таким образом, размер сектора увеличивается до 571 байта, из которых 512 байт составляют данные.

Вся эта информация записывается на заводе при низкоуровневом ( LowLewel ) форматировании, используя специальные программные средства (например, Speed Store или Disk Manager ) или команды DOS . Кроме промежутков между секторами существуют еще и промежутки между самими дорожками. Префиксы, суффиксы и промежутки как раз и составляют то пространство диска, которое теряется при форматировании.

Сектора, находящие друг над другом в пакете дисков, на которые одновременно может быть спозиционирован пакет головок, называется цилиндром . В связи с тем, что накопитель имеет несколько дисков, расположенных друг под другом, разбиения дисков идентичны. Поэтому при рассмотрении жестких дисков чаще говорят о цилиндрах, чем о дорожках.

Адресация дискового пространства в BIOS

Геометрия (ёмкостные параметры) жесткого диска описываются в BIOS следующей формулой:

Общий объем (байт) = C x H x S x 512 (байт),

где С — количество цилиндров; Н – количество головок; S — количество секторов.

Следовательно, вследствие физических ограничений накопителей, BIOS может адресовать («увидеть») накопитель максимальной ёмкостью 128 Гбайт:

65536 x 16 x 256 x 512 = 128 Гбайт.

Однако из-за ограничений работы контроллера винчестера и BIOS эта величина может быть существенно сокращена. Так, до 1995 года использовался стандартный CHS -режим (стандарт ATA -1), в котором физические параметры накопителя соответствовали логическим , передаваемым в BIOS . При стандартной CHS -адресации максимальное количество цилиндров равно 1024, головок — 16, что приводит к ограничению максимальной емкости жесткого диска (504 Мбайт). Кроме того, BIOS «считает», что у любого накопителя на любой дорожке должно быть ровно 63 сектора.

Современные IDE -контроллеры (начиная со стандартом ATA -2, EIDE ) поддерживают универсальный режим трансляции, для которого главным параметром является общее количество секторов. В большинстве BIOS появилась функция « Autodetect », которая позволяет считывать и устанавливать паспортные параметры накопителя. При инициализации накопителю передаются два параметра: количество головок и секторов; затем накопитель подстраивает свою логическую структуру таким образом, чтобы общая емкость не изменилась, причем коррекция осуществляется за счет цилиндров.

Максимальная емкость накопителей АТА-2 значительно увеличена за счет разработки улучшенной BIOS ( Enhanced BIOS ), что позволило преодолеть барьер в 504 Мбайт емкости жесткого диска. Первая модификация стандарта ATA -2 с режимом передачи PIO 3 использовала режим адресации ECHS , благодаря которому в CMOS Setup была введена опция Large и ECHS. Их надо было использовать для дисков, количество цилиндров которых превышает 1024, но к которым нельзя было применить адресацию LBA . Пересчет происходил в 2 этапа: сначала контроллер считал общее количество цилиндров, затем делил его пополам и в два раза увеличивал количество головок. Этот метод позволил адресовать 3-4 Гбайт дискового пространства.

В 1998 году для BIOS материнских плат выпустили обновление, способное решить проблему «8 Гигабайт». Была изменена адресация к прерыванию Int 13h ( DOS ), чем удалось преодолеть барьер 1024 цилиндров. Теперь для физической адресации использовались все 28 бит:

· С – 16 бит (максимум 2 16 = 65536)

· H – 4 бита (максимум 2 4 = 16)

· S – 8 бит (максимум 2 8 = 255).

Таким образом, теперь в интерфейсе ATA -5 теоретически был доступен максимальный объем винчестеров. Но биосописатели в очередной раз ошиблись. Они не учли, что при стандартном пересчете LBA с 16-ю головками и 63-мя секторами у винчестеров объемом более 33,8 Гбайт цилиндров окажется больше 65536, и они не поместятся в 16 бит отведенные под цилиндры. Эта проблема была решена в 1999 году введением простого условия: если число секторов превышает 65536 x 16 x 63 = 66060288, то тогда количество секторов приравнивать к 255. Также для некоторых BIOS существовала ошибка определения винчестеров объемом больше 65 Гбайт, которая, как обычно, решалась обновлением прошивки.

Логическая структура

Кроме того, что накопитель должен быть сконфигурирован в CMOS , его логическую структуру должна понимать операционная система. Для обращения к информации используется кластер ( allocation unit ) – минимальная логическая единица доступа к информации. Каждый кластер состоит из нескольких секторов (8 и более). Каждый кластер пронумерован и может быть либо свободен, либо монопольно занят для хранения определенного файла, даже если не все сектора внутри его заняты. Следовательно, даже файл размером несколько байт требует целого кластера. В результате, на каждом файле теряется около половины кластера. Чем больше размер кластера, тем больше потери. Использование кластеров позволяет ускорить работу, так количество кластеров существенно меньше количества секторов.

Нумерация кластеров не соответствует их порядковому расположению на дисках. При работе используется тот факт, что при записи данных используются все сектора, которые на данный момент находятся под всеми головками, таким образом, заполняется цилиндр. Прежде чем перейти к следующему цилиндру, заполняется текущий чтобы иметь возможность считывать как можно больше информации без перемещения головок.

Для DOS версии 3.0 и выше используется алгоритм следующего свободного кластера размещения файлов на диске. Кластеры устроены так, что каждый из них ссылается на последующий. При работе DOS ищет свободные кластеры не с начала диска, а с места последней записи на диск. DOS устанавливает указатель последнего записанного кластера и ищет свободные кластеры, пользуясь этим указателем. Указатель размещается в RAM и уничтожается при перезарузке. Если DOS дошла до конца диска, то указатель также удаляется, а поиск начинается с начала диска. Таким образом осуществляются операции файлами на диске.

Этот алгоритм позволяет восстанавливать удаленные файлы. При удалении файла в начало его первого кластера ставится знак «?», и все кластеры, связанные с данным считаются свободными. Указатель выставляется на следующий свободный кластер, запись продолжается в идущих далее свободных кластерах. Перезапись кластера, в котором произошло удаление, произойдет только когда указатель в новом цикле дойдет до данного кластера. Даже, если переписывается один файл поверх другого, то запись работает по такой же схеме. А для каждого нового файла используется первая свободная запись.

Файловые системы

Файловая система через использование кластеров позволяет осуществлять доступ к данным. Большинство файловых систем построено на основе таблицы размещения файлов ( file allocation table - FAT ). Наиболее распространены файловые системы FAT 12 (диски менее 16 Мбайт), FAT 16 (или просто FAT) и FAT 32.

FAT подразумевает наличие следующих структур (в порядке расположения их на диске):

· Загрузочные секторы главного и дополнительного разделов

· Загрузочный сектор логического диска

· Таблицы размещения файлов ( FAT )

· Цилиндр диагностических операций

1. Загрузочный сектор главного раздела – Master Boot Record ( MBR , Главная загрузочная запись) или Partition table ( PT , Таблица разделов) – является первым сектором на жестком диске (занимает один или более секторов). Но под этот раздел отдана целиком вся первая дорожка (цилиндр 0, головка 0, сектор 1). Он в себя включает Таблицу главного раздела, которая может содержать только четыре записи, так как больше не поместится в 512 байт. Корневой таблице разделов принадлежат адреса 01BEh-01FDh. Очевидно, что можно создать только 4 раздела, среди которых могут быть Первичные ( Primary ) и Дополнительные ( Extended ) разделы. Поэтому если на диске выделен Дополнительный раздел, то Первичных уже можно создать не более трех.

Первичный может иметь только один логический диск, в то время как количество логических в Дополнительном разделе не ограничено. Общее количество логических дисков (томов) не должно быть более 24 (для DOS ). В первом секторе Дополнительного раздела расположена его Таблица разделов с такой же структурой как и Корневая таблица разделов. В ней описываются адреса начала и конца первого логического диска в этом разделе и его файловая система, а также зоны, занимаемой остальными логическими дисками (если они есть). Все последующие разделы в Дополнительном разделе имеют аналогичную структуру.

MBR создается с помощью стандартной программы fdisk . Правда последняя накладывает некоторые ограничения: первичный раздел может быть создан только один.

Также в Главной загрузочной записи находится главный загрузочный код – небольшая программа, которая выполняется из BIOS . Она передает управление активному (загрузочному) разделу.

2. Загрузочная запись ( Boot Record ) занимает 32 первых сектора каждого логического диска (для первичного раздела – цилиндр 0, головка 1, сектор 1). Загрузочный сектор активного раздела получает управление от MBR . Он выполняет некоторые проверки и запускает с диска первый системный файл io . sys . Формирует загрузочная запись программой format . Напомню, что только Первичный раздел может быть активным. Загрузочная запись, как Корневая таблица разделов должны заканчиваться сигнатурой 55АА. По этой сигнатуре BIOS определяет, успешной ли была загрузка.

3. Таблица размещения файлов ( FAT ) – основная часть файловой системы, давшая ей название. Она представляет собой набор записей с номерами, соответствующих номерам всех кластеров на логическом диске. Каждому кластеру соответствует одно число. Для каждого кластера запись может иметь несколько стандартных значений: кластер свободен, кластер поврежден или кластер является последним кластером файла, или содержать ссылку на следующий кластер в цепочке, относящийся к тому же файлу. Получается, что в таблице хранится информация только о первом кластере цепочки кластеров одного файла.

Каждая ячейка FAT хранит значение длиной 12, 16 или 32 бита. Отсюда и пошли названия FAT 12, FAT 16 и FAT 32. Размер записей в таблице FAT определяет максимальный размер логического тома. Так как в FAT 16 запись представлялась 2-байтовым числом, то на логическом диске не могло быть более 65536 кластеров: 2 16 = 65536. В результате несложных вычислений мы находим, что вся таблица FAT помещается в 1 Мбайте. Этим и пользовались вирусы типа «Чернобыль». В связи этим FAT , начиная с DOS 4.0 ограничивала объем логического диска в 2 Гбайта (ра змер кластера составлял 32 Кбайта): 32 Кб х 65536 = 2 Гб.

Операционные системы Windows 95 OSR 2 и старшие поддерживают 32-разрядную FAT с размером кластера до 64 Кбайт. Таким образом, эта система поддерживает тома размером до 2 Тбайт. А применяется она в дисках объемом от 512 Мбайт.

Всего в каждом логическом диске существует 2 таблицы FAT , которые следуют друг за другом. При порче первого экземпляра, используется второй, путем корректировки первого. Но у этой системы защиты есть свои недостатки. Во-первых, вторая таблица используется только когда первая полностью испорчена . Во-вторых, вторая копия часто обновляется за счет первой, так что во второй также могут содержаться ошибки.

В зависимости от размера логического диска меняется и размер кластера. Для FAT 16 тома до 260 Мбайт используют кластеры размером 2 Кбайта, до 8 Гбайт – 32 Кбайта. Размеры кластеров и записей определяются при форматировании высоко уровня. Для FAT 32 зависимость размера кластера от размера тома приведена в таблице.

Обычно пользователи имеют в своем компьютере один встроенный накопитель. При первой установке операционной системы производится разбивка его на определенное количество разделов. Каждый логический том отвечает за хранение определенной информации. Кроме этого он может быть форматирован в разные файловые системы и в одну из двух структур. Далее мы бы хотели максимально детально описать программную структуру жесткого диска.

Стандартные буквенные обозначения

Пользователь сам разбивает HDD на разделы, присваивая им любые доступные буквы. О том, как создать такую разбивку вручную, читайте в другой нашей статье по следующей ссылке.

Структуры MBR и GPT

С томами и разделами все предельно просто, однако присутствуют еще и структуры. Более старым логическим образцом называется MBR (Master Boot Record), а ему на замену пришел усовершенствованный GPT (GUID Partition Table). Давайте остановимся на каждой структуре и рассмотрим их детально.

MBR

Теперь, когда произошло обращение к разделам диска, нужно определить активный участок, с которого и будет загружаться ОС. Первый байт в этом образце считывания определяет нужный раздел для старта. Следующие выбирают номер головки для начала загрузки, номер цилиндра и сектора, а также количество секторов в томе. Порядок считывания показан на следующей картинке.

За координаты расположения крайней записи раздела рассматриваемой технологии отвечает технология CHS (Cylinder Head Sector). Она считывает номер цилиндра, головки и секторы. Нумерация упомянутых частей начинается с 0, а секторы с 1. Именно путем считывания всех этих координат и определяется логический раздел жесткого диска.

Недостаток такой системы заключается в ограниченности адресации объема данных. То есть во время первой версии CHS раздел мог иметь максимум 8 ГБ памяти, чего в скором времени, конечно же, перестало хватать. На замену пришла адресация LBA (Logical Block Addressing), в которой была переработана система нумерации. Теперь поддерживаются диски объемом до 2 ТБ. LBA была еще доработана, но изменения коснулись только GPT.

С первым и последующими секторами мы успешно разобрались. Что касается последнего, то он также зарезервирован, называется AA55 и отвечает за проверку MBR на целостность и наличие необходимой информации.

GPT

Технология MBR обладала рядом недостатков и ограничений, которые не могли обеспечить работу с большим количеством данных. Исправлять ее или изменять было бессмысленно, поэтому вместе с выходом UEFI пользователи узнали о новой структуре GPT. Она была создана с учетом постоянного увеличения объема накопителей и изменений в работе ПК, поэтому на текущее время это самое передовое решение. Отличается от MBR она такими параметрами:

Теперь хотелось бы детальнее рассказать о принципе работы этой структуры. Как уже было сказано выше, используется здесь технология LBA, что позволит без проблем работать с дисками любых объемов, а в будущем расширить диапазон действия, если потребуется.

Стоит отметить, что сектор MBR в GPT тоже присутствует, он является первым и имеет размер в один бит. Необходим он для корректной работы HDD со старыми комплектующими, а также не позволяет программам, которым неизвестен GPT, разрушить структуру. Поэтому этот сектор называется защитным. Далее располагается сектор размером в 32, 48 или 64 бита, отвечающий за разметку на разделы, называется он первичным GPT-заголовком. После этих двух секторов идет считывание содержимого, вторая схема томов, а замыкает все это копия GPT. Полная структура представлена на скриншоте ниже.

Файловые системы и форматирование

Говоря о логической структуре HDD, нельзя не упомянуть о доступных файловых системах. Конечно, их существует много, но остановиться мы бы хотели на разновидностях для двух ОС, с которым чаще всего работают обычные пользователи. Если компьютер не может определить файловую систему, то жесткий диск приобретает формат RAW и именно в нем отображается в ОС. Доступно ручное исправление этой проблемы. Мы предлагаем ознакомиться с деталями выполнения этой задачи далее.

Windows

FAT32. Компания Microsoft начала выпуск файловых систем с FAT, в будущем эта технология претерпела множество изменений, и последней версией на данный момент является FAT32. Ее особенность заключается в том, что она не предназначена для обработки и хранения больших файлов, а также на нее будет довольно проблематично установить тяжелые программы. Однако FAT32 универсальна, и при создании внешнего жесткого диска она используется для того, чтобы сохраненные файлы можно было считать с любого телевизора или проигрывателя.
NTFS. Майкрософт представила NTFS, чтобы полностью заменить FAT32. Сейчас эта файловая система поддерживается всеми версиями Windows, начиная от XP, также отлично работает на Linux, однако на Mac OS можно только считать информацию, записать ничего не получится. Выделяется NTFS тем, что не имеет ограничений на размер записываемых файлов, обладает расширенной поддержкой разных форматов, возможностью сжатия логических разделов и легко восстанавливается при различных повреждениях. Все остальные файловые системы в большем роде подходят для небольших съемных носителей и достаточно редко применяются в жестких дисках, поэтому мы не будем их рассматривать в рамках этой статьи.

Linux

С файловыми системами Windows мы разобрались. Хотелось бы обратить внимание еще на поддерживаемые типы в ОС Linux, поскольку она также является популярной среди пользователей. Линукс поддерживает работу со всеми файловыми системами Виндовс, однако саму операционку рекомендуется устанавливать на специально разработанную для этого ФС. Отметить стоит такие разновидности:

Что касается выбора файловой системы под установку ОС, обычному пользователю лучше выбрать рекомендуемый вариант при инсталляции. Обычно это Etx4 или XFS. Продвинутые юзеры уже задействуют ФС под свои нужды, применяя ее различные типы для выполнения поставленных задач.

Фрагментация появляется из-за постоянной перезаписи данных. Со временем разбитые на блоки файлы сохраняются в совершенно разные части диска и требуется производить ручную дефрагментацию, чтобы выполнить перераспределение их местоположения и повысить скорость работы HDD.

Информации по поводу логической структуры рассматриваемого оборудования присутствует еще немалое количество, взять те же форматы файлов и процесс их записи в секторы. Однако сегодня мы постарались максимально просто рассказать о самых важных вещах, которые будет полезно знать любому пользователю ПК, желающему изучить мир комплектующих.

Мы рады, что смогли помочь Вам в решении проблемы.

Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.

Опишите, что у вас не получилось. Наши специалисты постараются ответить максимально быстро.

Компьютер, жесткий диск, операционная система — для современного человека, это обыденные вещи. Но все самое интересное, заставляющее компьютер работать так, как мы
к тому привыкли, остается «за кадром». Сегодня поговорим об одной из вещей, которая позволяет существовать разделам на нашем накопителе — способе описания разделов, она же таблица разделов.

Таблица разделов — это структура, где содержится информация обо всех разделах на диске: как он называется (Label), откуда начинается, где заканчивается, какой объем имеет и т.д. Рассмотрим два различных варианта таких таблиц, а именно MBR и GPT.

MBR (Master Boot Record — главная загрузочная запись) непосредственным образом участвует в загрузке операционной системы. Но, кроме этого, она хранит и информацию, позволяющую описать разделы на компьютере. Чтобы объяснить, почему это работает так, а не иначе, и имеет определенные особенности/ограничения, придется немного углубиться в структуру MBR.

446 байт — код загрузчика;
64 байта — таблица основных разделов (Primary);
2 байта — сигнатура (подпись). Должна быть 55AAh.

Если сигнатура не равна 55AAh, значит, MBR поврежден. В MBR процесс загрузки тесно связан с разделами диска, так как хранятся они «вместе».

Пусть процесс загрузки и не относится к теме материала, упрощенно и кратко расскажем
о нем. После выполнения определенных операций, BIOS читает первый сектор накопителя,
в котором и находится наша главная загрузочная запись. Выполняется код загрузчика, который просматривает таблицу разделов, и передает управление загрузчику операционной системы, который уже ее и загружает.

Вернемся к нашей таблице разделов. На нее выделено 64 байта, разделенных на 4 записи, по 16 байт.

Одна запись — это один раздел, из чего происходит первое ограничение MBR — максимальное число разделов на диске не может быть больше четырех. Но это утверждение правда лишь наполовину: нельзя создать больше четырех основных разделов. Но об этом чуть позже, сейчас же посмотрим на структуру самой 16-ти битной записи.

Самый первый бит в записи обозначает признак активности раздела — т.е. признак того, что операционную систему следует загружать именно из этого раздела — и может иметь значения 80h (раздел активен) и 00h (раздел не активен). Установленная операционная система должна находиться именно на активном разделе. Данное правило справедливо для стандартного загрузчика ОС семейства Windows — NTLDR, а вот для UNIX-систем это нужно не всегда.

А теперь переместимся в конец записи — к последним четырем байтам. Именно они в ответе за самое известное ограничение, связанное с использованием MBR — максимальный размер раздела.

На описание количества секторов в разделе отводится 4 байта, следовательно количество секторов ограничено величиной 232, где степень — это количество бит описания (4 байта = 32 бита). Поскольку размер сектора равен 512 бит, то максимальный размер раздела, который можно описать в таблице разделов MBR, составляет 232 x 512 = 2 ТБ. Те самые «два терабайта», набившие оскомину. Это техническое ограничение не обойти.

Расширенный раздел

Но давайте вернемся к тому, что максимальное количество разделов в таблице разделов ограничено четырьмя. Чтобы это обойти, был придумал особый тип раздела — расширенный (Extended Partition). Внимательный читатель заметил, что из 16 байт описания раздела один отведен именно под указание его типа. Для расширенного раздела там прописывается 0Fh (для современный Windows систем).

Расширенный раздел сильно отличается от остальных типов разделов. Он описывает не раздел, а некое пространство, где находятся логические диски. Наглядно это можно изобразить примерно так.

На рисунке видно, что на логическом диске находится один основной и один расширенный раздел. «Внутри» расширенного раздела создано шесть логических дисков (хотя в силу определенных причин во многих случаях будет использоваться термин «логический раздел»). Для созданных таким образом разделов есть некоторые ограничения, по сравнению
с основными. Например, они не могут быть активными.

GPT (GUID Partition Table) — таблица разделов GUID, создана для замены MBR и является частью UEFI, который в свою очередь пришел на замену BIOS. В новой версии таблицы разделов постарались убрать ограничения и недочеты MBR, которые были неявны на момент ее создания, но проявились с развитием технологий.

024DEE41-33E7-11D3-9D69-0008C781F39F — пример того, как выглядит GUID раздела с MBR.

Ниже вы можете видеть схематическое изображение структуры GPT. Кратко рассмотрим ее.

В первом физическом блоке диска, а точнее в блоке LBA0, поскольку GPT оперирует именно LBA адресами, расположен защитный (Protective) MBR. Его основное назначение — «защита» структуры диска благодаря обеспечению совместимости с устаревшим программным обеспечением, работающим с MBR, но «не знающем» о GPT.

В LBA1 находится основной заголовок GPT. В нем содержатся различные данные, например, где начинается и заканчивается область для размещения разделов, а также контрольные суммы самого заголовка и таблицы разделов, по которым происходит проверка их целостности.

Именно в каждой записи указывается GUID раздела, типа раздела, стартовый и конечный блоки (LBA) раздела. На последние выделяется по 8 бит данных, что теоретически позволяет создать раздел размером до 9,4 ЗБ (Зеттаба́йт, 1021). Фактически, размер раздела ограничен используемой ОС.

Для обеспечения большей отказоустойчивости GPT имеет вторую (secondary GPT) копию
в конце диска. Таблица разделов располагается с -33 по -1 блок (где -1 — это предпоследний LBA на диске), а последний блок занят резервным заголовком GTP. Это, вкупе с хранением контрольных сумм, позволяет восстанавливать GPT при повреждении одной из них, чего не было у MBR.

Достоинства и недостатки MBR и GPT

Итак, попробуем обобщить все вышесказанное в более краткой форме, указав сильные
и слабые стороны обоих решений.

MBR

Плюсы

Минусы

GPT

Плюсы

Минусы

Нет сомнений, что за GPT будущее. Его использование в современных ПК позволяет не думать о том, что в последующем можно натолкнуться на какие-либо ограничения. С другой стороны, на данный момент, обычный среднестатистический пользователь может с одинаковым успехом использовать любой из двух вариантов, и не замечать никакой разницы, если диски в его ПК не больше 2 ТБ.

Читайте также: