Какими параметрами задается физический адрес блока информации на жестком диске
Обновлено: 07.07.2024
С внутренним устройством жёсткого диска HDD знакомы многие пользователи, включая тех, которым никогда не приходилось вскрывать гермоблок. Благо, это и не нужно, ведь на этот счёт в интернете имеется масса информации. А вот как именно устроена логическая структура диска знают лишь немногие. Физически жёсткий диск HDD представляет собой несколько закрепленных на центральном шпинделе магнитных пластин, имеющих особую «нарезку», именуемую треками.
Информация считывается и записывается на них в виде нулей и единиц, и в этом есть некая аналогия тому, как музыка записывается на старые виниловые пластинки.
Только вот в случае с жёсткими дисками всё намного сложнее. Как компьютер определяет, в каком месте диска лежит какой файл? Каким образом достигается отказоустойчивость, благодаря которой мы можем переустанавливать операционную систему, не затрагивая пользовательские файлы? Это было бы едва возможно, если бы данные не хранились на диске в упорядоченном виде. Тема логической структуры HDD-диска настолько глубока и обширна, что рассмотреть её в рамках одной статьи не представляется возможным, поэтому сегодня мы коснёмся только двух её самых важных аспектов — адресации и разметки.
Адресация жесткого диска
Поскольку данные записываются на диск в виде некой последовательности байтов, логично было бы предположить, что при поиске нужного файла считывающая головка пробегает диск от начала до конца. На самом деле ничего подобного не происходит , иначе чтение и запись производились бы очень медленно, а нагрузка на диск была бы просто огромной. И так бы оно и было, если бы в компьютерах не использовалась такая полезная штука как адресация.
Первый механизм адресации, который использовался в ранних моделях жёстких дисков назывался CHS, что расшифровывалось как Cylinder, Head, Sector — цилиндр, головка, сектор. Что такое головка и сектор, надеемся, вам понятно. Под цилиндром же нужно понимать совокупность круговых дорожек одинакового радиуса на всех магнитных поверхностях пластин одного накопителя.
По сути, CHS это ничто иное, как трёхмерная система координат, где Cylinder это номер дорожки на поверхности диска, Head — номер считывающей головки, а Sector — номер конкретного сектора. Когда компьютеру нужно было прочитать некий файл, он делал запрос в формате CHS, и считывающая головка переходила как раз в нужный сектор, в котором этот файл был записан.
Очевидный минус технологии CHS заключался в поддержке дисков весьма ограниченного объёма, так как на низком уровне под адресацию изначально выделялось немного памяти. Максимальный объём диска с CHS не мог превышать 508 Мб. Поэтому, когда появились более объёмные диски, возникла нужда в новых механизмах адресации. Последующие механизмы адресации были основаны на CHS и представляли собой его расширенную версию.
Настоящим прорывом стал LBA (Logical block addressing), не нуждающийся в учёте геометрии жёсткого диска, вместо этого всем секторам от самого первого (нулевого) до самого последнего присваивался свой порядковый номер, служащий идентификатором. При этом под адресацию выделялось гораздо больше памяти. В общем, максимальный объём жёсткого диска, с которым может работать LBA составляет 128 Пиб , что намного больше объёма любых современных дисков, используемых в персональных компьютерах.
Разметка жёсткого диска
С адресацией всё более-менее ясно, теперь давайте перейдём к другому важному понятию — разметке жёсткого диска. Разметка — это разделение общего пространства диска на логические разделы иначе партиции, которые могут быть видны в операционной системе. Зачем вообще нужно такое разделение? Во-первых, это позволяет разграничивать загрузочные, системные и пользовательские файлы, во-вторых, использовать на каждом из разделов свой тип файловой системы, в-третьих — устанавливать на один ПК несколько разных операционных систем.
Существует две основных схемы разбиения на партиции. Самой распространённой является MBR. Называется она так потому, что в первых физических секторах жёсткого диска этого типа размещается особая область, содержащая загрузочный код и таблицу разделов. Эта область ещё именуется главной загрузочной записью, что на английском языке звучит как master boot record или сокращённо MBR.
Эта область диска не является ни одним из логических разделов, и она не доступна для просмотра средствами операционной системы. Загрузочный код передаёт управление компьютером системному разделу, а таблица разделов указывает, где именно начинается и заканчивается тот или иной логический раздел. Основной недостаток MBR заключается в том, что отводимая под него область диска является фиксированной , а это значит, что в него можно записать ограниченное количество информации. В свою очередь это становится следствием других ограничений, а именно:
• На MBR-диске нельзя создать более четырёх логических Primary-разделов (ограничение условно снимается посредством создания extended-партиции).
• Каким бы объёмным ни был диск, пользователю будет доступно только 2 Терабайта.
Менее распространённой, но зато более новой и надёжной схемой является GPT или GUID Partition Table. Если посмотреть на схематическое изображение GPT-диска, то можно увидеть, что его структура очень похожа на структуру диска MBR, но это сходство весьма условное. Приходящаяся на нулевой сектор область называется Protection MBR, и назначение её несколько иное, чем обычной MBR. Служит она для защиты схемы GPT от перезаписи утилитами, которые не понимают GPT. Если такой утилите «показать» GPT-диск, то благодаря Protection MBR она определит его как MBR-диск, на котором отсутствует свободное пространство. Следовательно, перезаписать она его уже не сможет.
В будущем, когда MBR уйдёт в прошлое, возможно, в Protection MBR больше не будет надобности, ведь процесс загрузки с GPT-дисков в EFI происходит несколько иначе. Помимо области Protection MBR, на GPT-дисках имеется другая область, именуемая GUID Partition Entries Array. Это аналог Partition Table в MBR, содержащий список всех партиций на диске GPT. В отличие от MBR, он не имеет жёсткой фиксации, поэтому на GPT-диске можно создавать практически неограниченное количество логических разделов. Ограничения тут могут быть только на уровне операционной системы. Например, Windows не может работать с более чем с 128 партициями.
Другим важным отличием GPT-дисков является резервирование загрузочных данных и сведений о таблице разделов. Если в MBR-дисках они хранятся в одном месте — в первых физических секторах, то в дисках с разметкой GPT они могут храниться где-то ещё, но уже в виде копий. Если основные данные окажутся повреждены, механизм GPT восстановит их из бекапа. В MBR же это привело бы к невозможности загрузки компьютера или «потере» разделов, а вместе с ними и записанных данных.
И наконец, разметка GPT позволяет работать с дисками объёмом больше 2 Тб.
Д иски 3 Тб и больше будут читаться и в MBR, но доступно пользователю будет только 2 Тб.На этом пока всё. В следующий раз мы продолжим знакомится с логической структурой жестких дисков. В частности, вы узнаете, чем отличаются обычные диски от динамических, где последние применяются, а также что представляет собой файловая система.
Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, это не новое супергеройское трио из вселенной Marvel. Речь идёт о хранении наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно где-то их хранить, надёжно и стабильно, чтобы мы могли иметь к ним доступ и изменять за мгновение ока. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о жёстких дисках!
Итак, давайте погрузимся в изучении анатомии устройств, которые мы сегодня используем для хранения миллиардов битов данных.
You spin me right round, baby
Механический накопитель на жёстких дисках (hard disk drive, HDD) был стандартом систем хранения для компьютеров по всему миру в течение более 30 лет, но лежащие в его основе технологии намного старше.
Первый коммерческий HDD компания IBM выпустила в 1956 году, его ёмкость составляла аж 3,75 МБ. И в целом, за все эти годы общая структура накопителя не сильно изменилась. В нём по-прежнему есть диски, которые используют для хранения данных намагниченность, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Изменился же, и очень сильно, объём данных, который можно на них хранить.
В 1987 году можно было купить HDD на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие же деньги можно купить 14 ТБ: в 700 000 раз больший объём.
Мы рассмотрим устройство не совсем такого размера, но тоже достойное по современным меркам: 3,5-дюймовый HDD Seagate Barracuda 3 TB, в частности, модель ST3000DM001, печально известную своим высоким процентом сбоев и вызванных этим юридических процессов. Изучаемый нами накопитель уже мёртв, поэтому это будет больше похоже на аутопсию, чем на урок анатомии.
Перевернув накопитель, мы видим печатную плату и несколько разъёмов. Разъём в верхней части платы используется для двигателя, вращающего диски, а нижние три (слева направо) — это контакты под перемычки, позволяющие настраивать накопитель под определённые конфигурации, разъём данных SATA (Serial ATA) и разъём питания SATA.
Serial ATA впервые появился в 2000 году. В настольных компьютерах это стандартная система, используемая для подключения приводов к остальной части компьютера. Спецификация формата претерпела множество ревизий, и сейчас мы пользуемся версией 3.4. Наш труп жёсткого диска имеет более старую версию, но различие заключается только в одном контакте в разъёме питания.
В подключениях передачи данных для приёма и получения данных используется дифференцированный сигнал: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных в жёсткий диск, а контакты B — для получения этих сигналов. Подобное использование спаренных проводников значительно снижает влияние на сигнал электрического шума, то есть устройство может работать быстрее.
Если говорить о питании, то мы видим, что в разъёме есть по паре контактов каждого напряжения (+3.3, +5 и +12V); однако большинство из них не используется, потому что HDD не требуется много питания. Эта конкретная модель Seagate при активной нагрузке использует менее 10 Вт. Контакты, помеченные как PC, используются для precharge: эта функция позволяет вытаскивать и подключать жёсткий диск, пока компьютер продолжает работать (это называется горячей заменой (hot swapping)).
Контакт с меткой PWDIS позволяет удалённо перезагружать (remote reset) жёсткий диск, но эта функция поддерживается только с версии SATA 3.3, поэтому в моём диске это просто ещё одна линия питания +3.3V. А последний контакт, помеченный как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жёсткий диск технологию последовательной раскрутки шпинделей staggered spin up.
Перед тем, как компьютер сможет их использовать, диски внутри устройства (которые мы скоро увидим), должны раскрутиться до полной скорости. Но если в машине установлено много жёстких дисков, то внезапный одновременный запрос питания может навредить системе. Постепенная раскрутка шпинделей полностью устраняет возможность таких проблем, но при этом перед получением полного доступа к HDD придётся подождать несколько секунд.
Сняв печатную плату, можно увидеть, как она соединяется с компонентами внутри устройства. HDD не герметичны, за исключением устройств с очень большими ёмкостями — в них вместо воздуха используется гелий, потому что он намного менее плотный и создаёт меньше проблем в накопителях с большим количеством дисков. С другой стороны, не стоит и подвергать обычные накопители открытому воздействию окружающей среды.
Благодаря использованию таких разъёмов минимизируется количество входных точек, через которые внутрь накопителя могут попасть грязь и пыль; в металлическом корпусе есть отверстие (большая белая точка в левом нижнем углу изображения), позволяющее сохранять внутри давление окружающей среды.
Теперь, когда печатная плата снята, давайте посмотрим, что находится внутри. Тут есть четыре основных чипа:
- LSI B64002: чип основного контроллера, обрабатывающий инструкции, передающий потоки данных внутрь и наружу, корректирующий ошибки и т.п.
- Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемые для кэширования данных
- Smooth MCKXL: управляет двигателем, крутящим диски
- Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флеш-памяти, используемой для хранения встроенного ПО накопителя (немного похожего на BIOS компьютера)
Открыть накопитель просто, достаточно открутить несколько болтов Torx и вуаля! Мы внутри…
Учитывая, что он занимает основную часть устройства, наше внимание сразу привлекает большой металлический круг; несложно понять, почему накопители называются дисковыми. Правильно их называть пластинами; они изготавливаются из стекла или алюминия и покрываются несколькими слоями различных материалов. Этот накопитель на 3 ТБ имеет три пластины, то есть на каждой стороне одной пластины должно храниться 500 ГБ.
Изображение довольно пыльное, такие грязные пластины не соответствуют точности проектирования и производства, необходимого для их изготовления. В нашем примере HDD сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но отполирован до такой степени, что средняя высота отклонений на поверхности меньше 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).
Базовый слой имеет глубину всего 0,0004 дюйма (10 микронов) и состоит из нескольких слоёв материалов, нанесённых на металл. Нанесение выполняется при помощи химического никелирования с последующим вакуумным напылением, подготавливающих диск для основных магнитных материалов, используемых для хранения цифровых данных.
Этот материал обычно является сложным кобальтовым сплавом и составлен из концентрических кругов, каждый из которых примерно 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) в ширину и 0,000001 дюйма (25 нм) в глубину. На микроуровне сплавы металлов образуют зёрна, похожие на мыльные пузыри на поверхности воды.
Каждое зерно обладает собственным магнитным полем, но его можно преобразовать в заданном направлении. Группирование таких полей приводит к возникновению битов данных (0 и 1). Если вы хотите подробнее узнать об этой теме, то прочитайте этот документ Йельского университета. Последними покрытиями становятся слой углерода для защиты, а потом полимер для снижения контактного трения. Вместе их толщина составляет не больше 0,0000005 дюйма (12 нм).
Скоро мы увидим, почему пластины должны изготавливаться с такими строгими допусками, но всё-таки удивительно осознавать, что всего за 15 долларов можно стать гордым владельцем устройства, изготовленного с нанометровой точностью!
Однако давайте снова вернёмся к самому HDD и посмотрим, что же в нём есть ещё.
Жёлтым цветом показана металлическая крышка, надёжно крепящая пластину к электродвигателю привода шпинделя — электроприводу, вращающему диски. В этом HDD они вращаются с частотой 7200 rpm (оборотов/мин), но в других моделях могут работать медленнее. Медленные накопители имеют пониженный шум и энергопотребление, но и меньшую скорость, а более быстрые накопители могут достигать скорости 15 000 rpm.
Чтобы снизить урон, наносимый пылью и влагой воздуха, используется фильтр рециркуляции (зелёный квадрат), собирающий мелкие частицы и удерживающий их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Над дисками и рядом с фильтром есть один из трёх разделителей пластин: помогающих снижать вибрации и поддерживать как можно более равномерный поток воздуха.
В левой верхней части изображения синим квадратом указан один из двух постоянных стержневых магнитов. Они обеспечивают магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, указанного красным цветом. Давайте отделим эти детали, чтобы видеть их лучше.
То, что выглядит как белый пластырь — это ещё один фильтр, только он очищает частицы и газы, попадающие снаружи через отверстие, которое мы видели выше. Металлические шипы — это рычаги перемещения головок, на которых находятся головки чтения-записи жёсткого диска. Они с огромной скоростью движутся по поверхности пластин (верхней и нижней).
Посмотрите это видео, созданное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько они быстрые:
В конструкции не используется чего-то вроде шагового электродвигателя; для перемещения рычагов по соленоиду в основании рычагов проводится электрический ток.
Обобщённо их называют звуковыми катушками, потому что они используют тот же принцип, который применяется в динамиках и микрофонах для перемещения мембран. Ток генерирует вокруг них магнитное поле, которое реагирует на поле, созданное стержневыми постоянными магнитами.
Не забывайте, что дорожки данных крошечны, поэтому позиционирование рычагов должно быть чрезвычайно точным, как и всё остальное в накопителе. У некоторых жёстких дисков есть многоступенчатые рычаги, которые вносят небольшие изменения в направление только одной части целого рычага.
В некоторых жёстких дисках дорожки данных накладываются друг на друга. Эта технология называется черепичной магнитной записью (shingled magnetic recording), и её требования к точности и позиционированию (то есть к попаданию постоянно в одну точку) ещё строже.
На самом конце рычагов есть очень чувствительные головки чтения-записи. В нашем HDD содержится 3 пластины и 6 головок, и каждая из них плавает над диском при его вращении. Для этого головки подвешены на сверхтонких полосках металла.
И здесь мы можем увидеть, почему умер наш анатомический образец — по крайней мере одна из головок разболталась, и что бы ни вызвало изначальный повреждение, оно также погнуло один из рычагов. Весь компонент головки настолько мал, что, как видно ниже, очень сложно получить её качественный снимок обычной камерой.
Однако мы можем разобрать отдельные части. Серый блок — это специально изготовленная деталь под названием «слайдер»: когда диск вращается под ним, поток воздуха создаёт подъёмную силу, поднимая головку от поверхности. И когда мы говорим «поднимает», то имеем в виду зазор шириной всего 0,0000002 дюйма или меньше 5 нм.
Чуть дальше, и головки не смогут распознавать изменения магнитных полей дорожки; если бы головки лежали на поверхности, то просто поцарапали бы покрытие. Именно поэтому нужно фильтровать воздух внутри корпуса накопителя: пыль и влага на поверхности диска просто сломают головки.
Крошечный металлический «шест» на конце головки помогает с общей аэродинамикой. Однако чтобы увидеть части, выполняющие чтение и запись, нам нужна фотография получше.
На этом изображении другого жёсткого диска устройства чтения и записи находятся под всеми электрическими соединениями. Запись выполняется системой тонкоплёночной индуктивности (thin film induction, TFI), а чтение — туннельным магнеторезистивным устройством (tunneling magnetoresistive device, TMR).
Создаваемые TMR сигналы очень слабы и перед отправкой должны проходить через усилитель для повышения уровней. Отвечающий за это чип находится рядом с основанием рычагов на изображении ниже.
Как сказано во введении к статье, механические компоненты и принцип работы жёсткого диска почти не изменились за многие годы. Больше всего совершенствовалась технология магнитных дорожек и головок чтения-записи, создавая всё более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводило к увеличению объёма хранимой информации.
Однако механические жёсткие диски имеют очевидные ограничения скорости. На перемещение рычагов в нужное положение требуется время, а если данные разбросаны по разным дорожкам на различных пластинах, то на поиски битов накопитель будет тратить довольно много микросекунд.
Прежде чем переходить к другому типу накопителей, давайте укажем ориентировочные показатели скорости типичного HDD. Мы использовали бенчмарк CrystalDiskMark для оценки жёсткого диска WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:
В первых двух строчках указано количество МБ в секунду при выполнении последовательных (длинный, непрерывный список) и случайных (переходы по всему накопителю) чтения и записи. В следующей строке показано значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке показана средняя задержка (время в микросекундах) между передачей операции чтения или записи и получением значений данных.
В общем случае мы стремимся к тому, чтобы значения в первых трёх строчках были как можно больше, а в последней строчке — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих числах, мы просто используем их для сравнения, когда будем рассматривать другой тип накопителя: твердотельный накопитель.
Организация структур на HDD для хранения информации в виде файлов.
В современных накопителях на жестких магнитных дисках значительная часть поверхности диска является служебной, эта зона скрыта и недоступна для пользователя. В этой части диска расположена служебная информация и резервная область для замены дефектных участков поверхности. Пользователь имеет доступ только к рабочей области диска, объем которой указан в технических характеристиках диска. Доступ в служебную зону возможен только в специальном технологическом режиме, который активизируется с помощью подачи специальной команды. В этом режиме возможно использование специального технологического набора команд (команды записи-чтения секторов служебной зоны, чтение карты расположения модулей и таблиц в служебной зоне, чтение таблицы зонного распределения, команды перевода из LBA в CHS и обратно, команда запуска форматирования низкого уровня, команды записи-чтения перезаписываемого ПЗУ и др.).
Использование специального технологического режима работы накопителя (аналогично тому, как это делается самими производителями HDD) делает в этом режиме работы доступными операции, которые обычно выполняются на фирме-изготовителе: восстановление формата нижнего уровня (Low-Level Format); восстановление служебной информации, хранящейся на служебных дорожках накопителя (Resident Mikrocode); восстановление или изменение параметров в паспорте диска (Identify Drv); замена дефектных секторов и дорожек на резервные или их исключение из работы накопителя (Assigne, Realocation, Skipping Defects); реконфигурация HDD путем исключения из работы неисправных областей магнитных поверхностей или отключение неисправных магнитных головок.
С точки зрения пользователя, любой диск можно представить как совокупность доступных ему блоков данных, которые он может использовать для хранения данных, для считывания или записи информации. Каждый блок данных имеет свой уникальный адрес, определяемый способом CHS (цилиндр, поверхность, сектор) или LBA (адрес логического блока). Блок данных может быть записан и считан (только целиком) независимо от других.
Но для большинства прикладных программ интерес представляет не обращение к отдельным блокам, а возможность обращения к файлам, которые могут занимать произвольное, причем, возможно, и не целое количество блоков данных. На дисках информация хранится в виде файлов. Для облегчения обращения к файлам и упорядочения использования пространства секторов диска в состав любой операционной системы входит файловая система, тесно связанная с логической структурой диска. Логическая структура и системная информация файловых систем тоже формируются на магнитной поверхности путем фиксации двоичных единиц и нолей в блоках данных секторов диска. Образованные, таким способом, на диске структуры служебных двоичных данных, позволяют адресовать и находить блоки данных и файлы на поверхности диска.
1. Служебный формат. Современные методы записи и методы кодирования позволяют надежно записывать и считывать двоичную информацию на дорожках дисков, но чтобы на дорожках появились адресуемые блоки данных, которые можно использовать для хранения, записи и считывания информации, необходимо произвести физическую разметку диска записью на все дорожки диска служебного формата. Служебный формат дорожки записывается контроллером диска при получении от процессора, выполняющего программу форматирования, команды «Форматирование дорожки». Получив из накопителя импульс «Индекс», означающий начало дорожки, контроллер выдает в тракт записи накопителя данные, являющиеся служебным форматом дорожки.
Команда «Форматирование дорожки» доступна лишь для контроллеров старых дисков, которые не используют зонной записи, при совпадении внешней геометрии с реальной. На современных дисках низкоуровневое форматирование выполняют лишь в специальном технологическом режиме. Для этого, например, могут использоваться нестандартные команды, причем для разрешения их использования могут присутствовать специальные джамперы на устройстве. Общение с винчестером в технологическом режиме может производиться и через специальный последовательный интерфейс, в качестве которого иногда используется стандартный RS-232C, что позволяет вести диалог с винчестером, например, через СОМ-порт и эмулятор терминала на персональном компьютере. В случае, когда технологические команды доступны через обычный интерфейс, производители накопителя обычно предлагают собственные утилиты низкоуровневого форматирования и обслуживания дисков (низкоуровневое форматирование не затрагивает сервоинформацию, которая записывается на поверхности лишь в заводских условиях). Низкоуровневые утилиты предназначены для конкретных моделей или семейств устройств конкретных производителей, Использование их с «чужими» дисками, как правило, блокируется (или выдается предупреждение). Обход этой блокировки обычно ведет к отказу винчестера.
В стандартном CHS-режиме осуществляется единственный пересчет секторов внутри самого жесткого диска. В таких накопителях все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то что длина окружности у внешних цилиндре может быть вдвое больше, чем у внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно.
Реальная геометрия дисков с зонной записью полностью скрыта от "внешнего мира". Данные о количестве цилиндров, головок и секторов, указанные в паспортах жестких дисков, - это чисто логические параметры. Эти данные предназначены для ввода в качестве значений соответствующих параметров в BIOS и не имеют никакого отношения к физическим параметрам диска (поэтому мы не должны удивляться, когда в логических параметрах диска видим 256 головок, 1024 цилиндра и 64 сектора). 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).
В режиме логической адресации блоков (LBA) все секторы нумеруются подряд, без разделения по трем категориям (цилиндр, головка и сектор). Сквозная нумерация начинается с сектора (CHS 0,0,1), которому присваивается логический адрес 0, и заканчивается последним физическим сектором диска.
Служебный формат разбивает дорожку на секторы, а служебный формат внутри сектора выделяет в каждом секторе блок данных (например 512 байт). После записи служебного формата на всех дорожках диска, контроллер диска и сам диск готовы к выполнению команд, задающих чтение или запись в блоки данных секторов диска. Служебный формат дорожки дисков пишется контроллером диска и нужен только контроллеру диска. Выполняя заданные процессором операции чтения или записи, контроллер диска, получив из накопителя импульс «Индекс» (начало дорожки), начинает воспринимать информацию, поступающую из тракта чтения накопителя как служебный формат дорожки. Проверяя и расшифровывая служебный формат дорожки, контроллер определяет местоположение головки на дорожке, находит, таким образом, на дорожке нужный сектор, а по служебному формату сектора находит в секторе блок данных, выполняет чтение информации из блока данных, или запись информации в блок данных, а также контроль достоверности считанных данных.
2. Разбиение на разделы. Высокоуровневое форматирование. Программа высокоуровневого форматирования записывает в блоки данных ряда начальных секторов HDD специальную служебную информацию, которая разбивает диск на разделы (логических области). Жесткий диск готовится к работе за три этапа:
- низкоуровневое форматирование диска (получили массив адресуемых блоков);
- разбиение диска на разделы (разбили массив адресуемых блоков на разделы);
- высокоуровневое форматирование каждого раздела для работы с соответствующей файловой системой (создали внутри разделов служебные структуры позволяющие сохранять информацию в разделе в виде файлов и считывать ее из радела в ОЗУ) .
Существуют два основных варианта разбиения диска на разделы:
- cтруктура служебной информации HDD (до 2 Тбайт) на основе MBR (PT - таблица разделов);
- cтруктура служебной информации HDD (до 9,4 зетабайт) на основе GPT (MBR, заголовок GPT, массив разделов GPT).
Существуют два основных варианта организации хранения информации файлов в разделах диска:
- с использоанием FAT ((таблица размещения файлов), разделы FAT32, FAT16, FAT12 и др.;
- с использоанием таблицы MFT (файл $MFT), разделы NTFS.
Принципы организации хранения файлов в разделах FAT32/16/12.
1) FAT (таблица размещения файлов) состоит из элементов (12/16/32 разряда) в которых хранится информация о порциях файла (кластерах). Каждому элементу таблицы FAT (начиная со второго) соответствует кластер в области данных с таким же номером.
2) Номер начального кластера файла указывается в каталожной строке, определяющей файл. Этот номер является и ссылкой на элемент таблицы FAT, который содержит номер следующего кластера файла, и является ссылкой на элемент таблицы FAT, который содержит номер следующего кластера файла и т. д.
3) Кластер — это непрерывная последовательность секторов (фиксированного размера). Это адресуемая «порция» файла.
4) Код в элементе таблицы FAT может еще определять свободный кластер, дефектный кластер и признак конца файла (прочитанный перед этим кластер — последний кластер файла).
5) Файл в разделе FAT — это последовательность кластеров, указанных с помощью строки каталога (номер начального кластера файла) и элементов таблицы FAT (остальные кластеры файла).
Принципы организации хранения файлов в разделах NTFS.
1. Раздел NTFS состоит из кластеров, они пронумерованы от 0 (кластер — это непрерывная последовательность секторов заданного фиксированного размера).
2. В разделе NTFS все хранится в виде файлов (каталоги, программы, данные . ). Системная нформация для работы файловой системы — хранится в виде метафайлов (системных файлов), имена их начинаются со знака $ и они недоступны пользователю с помощью обычных средств операционной системы.
3. Файл в разделе NTFS состоит из экстентов (экстент — это непрерывная последовательность кластеров различного размера. Размер экстента задается номером начального кластера и количеством кластеров в экстенте).
4. Основой для организации хранения информации в виде файлов является метафайл $MFT. Файл $MFT состоит из записей фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись определяет соответствующий ей файл (либо маленький файл находится внутри записи в Атрибуте 80, либо файл состоит из экстентов, которые определяются последовательностью блоков VCN в Атрибуте 80).
5. Блок VCN содержит номер начального кластера экстента и количество кластеров в экстенте.
6. Нужную запись файла $MFT находят через каталог по имени файла. Номер записи находится в шести начальных байтах каталожного блока (имя файла находится в конце каталожного блока и занимает различное количество байтов).
Жесткий диск компьютера (HDD или винчестер) нужен для хранения информации после выключения компьютера, в отличие от ОЗУ (оперативной памяти) - которая хранит информацию до момента прекращения подачи питания (до выключения компьютера).
Жесткий диск, по-праву, можно назвать настоящим произведением искусства, только инженерным. Да-да, именно так. Настолько сложно там внутри все устроено. На данный момент во всем мире жесткий диск - это самое популярное устройство для хранения информации, он стоит в одном ряду с такими устройствами, как: флеш-память (флешки), SSD. Многие наслышаны о сложности устройства жесткого диска и недоумевают, как в нем помещается так много информации, а поэтому хотели бы узнать, как устроен или из чего состоит жесткий диск компьютера. Сегодня будет такая возможность).
Устройство жесткого диска компьютера
Жесткий диск состоит из пяти основных частей. И первая из них - интегральная схема, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами.
Вторая часть - электромотор (шпиндель), заставляет вращаться диск со скоростью примерно 7200 об/мин, а интегральная схема поддерживает скорость вращения постоянной.
А теперь третья, наверное самая важная часть - коромысло, которое может как записывать, так и считывать информацию. Конец коромысла обычно разделен, для того чтобы можно было работать сразу с несколькими дисками. Однако головка коромысла никогда не соприкасается с дисками. Существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!
Но давайте все же посмотрим, что случится, если зазор исчезнет и головка коромысла соприкоснется с поверхностью вращающегося диска. Мы все еще со школы помним, что F=m*a (второй закон Ньютона, по-моему), из которого следует, что предмет с небольшой массой и огромным ускорением - становится невероятно тяжелым. Учитывая огромную скорость вращения самого диска, вес головки коромысла становится весьма и весьма ощутимым. Естественно, что повреждение диска в таком случае неизбежно. Кстати, вот что случилось с диском, у которого этот зазор по каким то причинам исчез:
Так же важна роль силы трения, т.е. ее практически полного отсутствия, когда коромысло начинает считывать информацию, при этом смещаясь до 60 раз за секунду. Но постойте, где же здесь находится двигатель, что приводит в движение коромысло, да еще с такой скоростью? На самом деле его не видно, потому что это электромагнитная система, работающая на взаимодействии 2 сил природы: электричества и магнетизма. Такое взаимодействия позволяет разгонять коромысло до скоростей света, в прямом смысле.
Четвертая часть - сам жесткий диск, это то, куда записывается и откуда считывается информация, кстати их может быть несколько.
Ну и пятая, завершающая часть конструкции жесткого диска - это конечно же корпус, в который устанавливаются все остальные компоненты. Материалы применяются следующие: почти весь корпус выполнен из пластмассы, но верхняя крышка всегда металлическая. Корпус в собранном виде нередко называют "гермозоной". Бытует мнение, что внутри гермозоны нету воздуха, а точнее, что там - вакуум. Мнение это опирается на тот факт, что при таких высоких скоростях вращения диска, даже пылинка, попавшая внутрь, может натворить много нехорошего. И это почти верно, разве что вакуума там никакого нету - а есть очищенный, осушенный воздух или нейтральный газ - азот например. Хотя, возможно в более ранних версиях жестких дисков, вместо того, чтобы очищать воздух - его просто откачивали.
Это мы говорили про компоненты, т.е. из чего состоит жесткий диск. Теперь давайте поговорим про хранение данных.
Как и в каком виде хранятся данные на жестком диске компьютера
Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве, на диск наносится более 200 тысяч таких дорожек. Каждая из дорожек разделена на секторы.
Карты дорожек и секторов позволяют определить, куда записать или где считать информацию. Опять же вся информация о секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая, в отличие от других компонентов жесткого диска, размещена не внутри корпуса, а снаружи и обычно снизу.
Сама поверхность диска - гладкая и блестящая, но это только на первый взгляд. При более близком рассмотрении структура поверхности оказывается сложнее. Дело в том, что диск изготавливается из металлического сплава, покрытого ферромагнитным слоем. Этот слой как раз и делает всю работу. Ферромагнитный слой запоминает всю информацию, как? Очень просто. Головка коромысла намагничивает микроскопическую область на пленке (ферромагнитном слое), устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний: о или 1. Каждый такой ноль и единица называются битами. Таким образом, любая информация, записанная на жестком диске, по-факту представляет собой определенную последовательность и определенное количество нулей и единиц. Например, фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек, и разбросана по 12 различным секторам. Да, звучит впечатляюще, однако в действительности - такое огромное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности жесткого диска включает в себя несколько десятков миллиардов битов.
Принцип работы жесткого диска
Мы только что с вами рассмотрели устройство жесткого диска, каждый его компонент по отдельности. Теперь предлагаю связать все в некую систему, благодаря чему будет понятен сам принцип работы жесткого диска.
Итак, принцип, по которому работает жесткий диск следующий: когда жесткий диск включается в работу - это значит либо на него осуществляется запись, либо с него идет чтение информации, или с него загружается ОС, электромотор (шпиндель) начинает набирать обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом шпинделе, соответственно они вместе с ним тоже начинают вращаться. И пока обороты диска(ов) не достигли того уровня, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, коромысло во избежание повреждений находится в специальной "парковочной зоне". Вот как это выглядит.
Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию. Этому как раз способствует интегральная микросхема, которая управляет всеми движениями коромысла.
Распространено мнение, этакий миф, что в моменты времени, когда диск "простаивает", т.е. с ним временно не осуществляется никаких операций чтения/записи, жесткие диски внутри перестают вращаться. Это действительно миф, ибо на самом деле, жесткие диски внутри корпуса вращаются постоянно, даже тогда, когда винчестер находится в энергосберегающем режиме и на него ничего не записывается.
Ну вот мы и рассмотрели с вами устройство жесткого диска компьютера во всех подробностях. Конечно же, в рамках одной статьи, нельзя рассказать обо всем, что касается жестких дисков. Например в этой статье не было сказано про интерфейсы жесткого диска - это большая тема, я решил написать про это отдельную статью.
Нашел интересное видео, про то, как работает жесткий диск в разных режимах
Всем спасибо за внимание, если вы еще не подписаны на обновления этого сайта - очень рекомендую это сделать, дабы не пропустить интересные и полезные материалы. До встречи на страницах блога!
Читайте также: