Процесс разделения поверхности винчестера на сектора называют
Обновлено: 04.07.2024
В современном мире, люди всё больше при выполнении разного рода задач используют компьютеры. Однако, при решении задач компьютеру необходимо где-то хранить данные, а также где-то фиксировать результаты решений. И этим элементам является–жёсткий диск. Он является важным компонентом любого компьютера.
На сегодняшней день жёсткие диски имеют большое распространение, но относительно недавно о них было известно не многим. Внешний вид современных жёстких дисков значительно отличается от их прародителей.
Кто же первым открыл человечеству технологию этих устройств?
Об этом вы узнаете из этой статьи!
История появления жесткого диска.
В истории многие открытия великих изобретений и технологий, были совершены благодаря нестандартному мышлению, желанию и настойчивости их изобретателей. Разработка технологии жёсткого диска не стала исключением.
Появлением первого жёсткого диска, мир обязан школьному учителю– Рею Джонсону. Стремясь ускорить процесс проверки тестов своих учеников, он сам изобрел и сконструировал машину, которая помогла автоматизировать этот процесс. Сарафанное радио не заставило себя долго ждать: большая компания IBM (компания производящая программное обеспечение) заметила его разработку. Самого изобретателя компания приняла в свой штат на должность инженера. И вот спустя годы, Джонсону предложили открыть собственную лабораторию, которая занималась бы исследованием и развитием технологий записи и хранения данных.
Получив разрешение на создание лаборатории, первое что сделал Рей – арендовал здание для лаборатории на 5 лет в г. Сан Хосе (США, штат Калифорния). Прекрасно понимая, чем ему нужно будет занимается и какие ресурсы ему понадобится, Рей начал оборудовать лабораторию и набирать специалистов.
Прошло три месяца и штат Рея составлял уже 30 сотрудников. По мере продвижения исследований команда занималась решением разного рода задач. Одним из прорывных проектов того времени была попытка создания матричного принтера и создание часов способных фиксировать время прибытия и ухода сотрудника с работы.
Последующему развитию жёстких дисков, способствовало использования в научных исследованиях магнитных систем для хранения информации. Изобретатели проводили эксперименты с возможными носителями разной формы, материала, характеристики. После множества экспериментов с носителями и допущенных ошибок, команда Рея пришла к тому что идеальной формой и материалом был— дисковый магнитный накопитель. Накопитель позволял вместить больше данных, обеспечивал простой доступ за счет вращения диска.
В ходе разработок требовалось расширять штат сотрудников, и в 1953 году команду Рея пополнили шесть профессиональных инженеров, которые до этого занимались разработкой системы автоматической обработки данных. В этом же году вооруженные силы США делают заказ на устройство, способное быстро записывать и считывать данные. Исследователи еще точно не определились с материалом и технологиями, но в тоже время ими был создан первый жесткий диск(винчестер)—IBM 350.
На доработки технологии производства, решений ряда технических вопросов, у команды ушло два года. И уже 1955 году компания IBM заявила, что в исследовательской лаборатории в Сан Хосе разработана технология хранения данных на магнитных дисках.
В сентябре 1956 года компания IBM представила миру первый жёсткий диск IBM 350 Disk Storage Unit. Он имел очень внушительные размеры по сравнению с современными жёсткими дисками:
- 1,5 м высота;
- 1,7 м толщина;
- 0,74 м ширина.
Вес же доходил практически до тонны: 971 кг! Винчестер состоял из 50 дисков диаметром 61 см, покрытые специально разработанной краской с большим количеством ферро-магнитного вещества. Во время работы жёсткого диска, скорость вращения дисков составляла 1200 оборотов в минуту, а общий объём хранимой информации составлял 3.5 Мб (Мегабайта), это был на тот момент просто прорыв!
Принцип работы жёсткого диска.
Основной принцип работы жёсткого диска, очень схож с работой обыкновенного проигрывателя грампластинок.В основах записи и считывания информации лежат законы физики магнетизма, сформулированные ещё Фарадеем и Максвеллом. При работе жёсткого диска возникают следующие процессы: появляющееся внешнее магнитное поле оказывает влияние на собственное магнитное поле, которое в свою очередь ориентируется вдоль магнитных линий, при прекращении воздействия на пластинах остаются зоны остаточной намагниченности, в которых и сохраняется информация, которая раньше содержалась в основном поле.
В корпусе находится от одной до нескольких пластин, насаженных на общую ось и имеющих считывающие головки. Пластины изготавливаются из алюминия, латуни. керамики или стекла. Для записи используются обе поверхности диска. Скорость вращение пластин, может составлять от 3600 до 7200 об/мин, за перемещение головок отвечают два электрических двигателя.
Информация во время работы жёсткого диска записывается, в определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. Особенность принципа работы жёсткого диска в этом отношении заключается в том, что обмен информацией производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).
На сегодняшней день существует три метода записи данных на жёстком диске:
- метод продольной записи: биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от направления намагниченности.
- метод перпендикулярной записи: это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах . Что позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Предыдущий метод записи, параллельно поверхности магнитной пластины, привёл к тому, что в определённый момент инженеры упёрлись в «потолок» — дальше увеличивать плотность информации на дисках было невозможно. И тогда вспомнили о другом способе записи, который был известен ещё с 1970-х годов.
- метод черепичной магнитной записи( англ. SMR): был реализован в начале 2010-х годов. В нём используется тот факт, что ширина области чтения меньше, чем ширина записывающей головки. Запись дорожек в этом методе производится с частичным наложением в рамках групп дорожек (пакетов). Каждая следующая дорожка пакета частично закрывает предыдущую (подобно черепичной кровле), оставляя от неё узкую часть, достаточную для считывающей головки. По своей специфике она радикально отличается от более популярных технологий записи CMR и PMR .
Типы жёстких дисков.
На сегодняшний день существует два лидирующих основных типа жёстких дисков: HDD,SSD. В то время как первый тип имеет в себе механические элементы для записи/считывания данных, другой же напротив их лишён. Из-за этой особенности формфакторы существенно отличаются. Всё большее количество пользователей отдают предпочтение SSD-накопителям, из-за ощутимого ряда приемуществ:
Головка (Head) - электромагнит, скользящий над поверхностью диска, для каждой поверхности используется своя головка. Нумерация начинается с 0.
Продольная (верхний рисунок) и перпендикулярная (нижний рисунок) запись информации на диске
Примерно с 2005 года идет переход с продольной на перпендикулярную запись информации на диске, что обеспечивает большую плотность записи данных.
С 2011-2013 планируется переход на "тепловую магнитную запись", место записи будет предварительно нагреваться лазером, что уменьшит размер домена и повысит надежность хранения. Предположительная максимальная емкость от 30 до 50 ТБ.
Дорожка (Track) - концентрическая окружность, которое может прочитать головка в одной позиции. Нумерация дорожек начинается с внешней (первая имеет номер - 0).
Цилиндр (Cylinder) - совокупность всех дорожек с одинаковым номером на всех дисках, т.к. дисков может быть много и на каждом диске запись может быть с двух сторон.
Маркер - от него начинается нумерация дорожек, есть на каждом диске.
Сектор - на сектора разбивается каждая дорожка, сектор содержит минимальный блок информации. Нумерация секторов начинается от маркера.
Дорожки, цилиндры, сектора, головки
Геометрия жесткого диска - набор параметров диска, количество головок, количество цилиндров и количество секторов.
У современных жестких дисков контроллер встроен в само устройство, и берет на себя большую часть работы, которую не видит ОС.
Например, скрывают физическую геометрию диска, предоставляя виртуальную геометрии.
Физическая и виртуальная геометрия диска
На внешних дорожках число секторов делают больше, а на внутренних меньше. На реальных дисках таких зон может быть несколько десятков.
1.1.2 RAID (Redundant Array of Independent Disk - массив независимых дисков с избыточностью)
Для увеличения производительности или надежности операций ввода-вывода с диском был разработан стандарт для распараллеливания или дублирования этих операций
Основные шесть уровней RAID:
RAID 0 - чередующий набор, соединение нескольких дисков в один большой логический диск, но логический диск разбит так, что запись и чтение происходит сразу с несколько дисков. Например, записываем блок 1, 2, 3, 4, 5, каждый блок будет записываться на свой диск.
Преимущества
- удобство одного диска
- увеличивает скорость записи и чтения
Недостатки
- уменьшает надежность (в случае выхода одного диска, массив будет разрушен), избыточность не предусмотрена.
RAID 1 - зеркальный набор, параллельная запись и чтение на несколько дисков с дублированием (избыточность).
Преимущества
- дублирование записей
- увеличивает скорость чтения (но не записи)
Недостатки
- требует в два раза больше дисковых накопителей
RAID 2 - работает на уровне слов и даже байт. Например, берется полбайта (4 бита) и прибавляется 3 бита четности (1, 2, 4 - рассчитанные по Хэммингу), образуется 7-битовое слово. В случае семи дисков слово записывается побитно на каждый диск. Так как слово пишется сразу на все диски, они должны быть синхронизированы.
Преимущества
- надежность
- увеличивает скорость записи и чтения (при потоке, но при отдельных запросах не увеличивает)
Недостатки
- нужна синхронизация дисков.
RAID 3 - упрощенная версия RAID 2, для каждого слова считается только один бит четности.
Преимущества
- надежность
- увеличивает скорость записи и чтения (при потоке, но при отдельных запросах не увеличивает)
Недостатки
- нужна синхронизация дисков.
RAID 4 - аналогичен уровню RAID 0, но с добавлением диска четности. Если любой из дисков выйдет из строя, его можно восстановить с помощью диска четности.
Преимущества
- надежность
- не нужна синхронизация дисков
Недостатки
- не дает увеличения производительности, узким местом становится диск четности при постоянных пересчетах контрольных сумм.
RAID 5 - аналогичен уровню RAID 4, но биты четности равномерно распределены по дискам.
На практике, как правило, используют RAID 0, 1 и 5.
Системы RAID уровней от 0 до 5.
1.1.3 Компакт-диски
Фото устройства для работы с дисками
Устройство в работе
Демонстрация работы CD-drive
Запись на CD-ROM диски производятся с помощью штамповки.
CD-ROM под электронным микроскопом.
Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм
Сначала CD-диски использовались только для записи звука, стандарт которого был описан ISO 10149 ("Красная книга").
Пит - единица записи информации (впадина при штамповке, темное пятно, прожженное в слое краски в CD-R, область фазового перехода)
Запись на CD-ROM производится спирально
В 1984 году была опубликована "Желтая книга", в которой описан следующий стандарт.
Для записи данных было необходимо повысить надежность, для этого каждый байт (8 бит) стали кодировать в 14 разрядное число (по размеру почти дублирование записи, но за счет кодирования эффективность может быть, как при тройной записи), чтобы можно было восстановить потерянные биты.
Логическое расположение данных на CD-ROM для режима 1
Первые 12-ть байт заголовка содержат 00FFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00, чтобы считывающее устройство могло распознать начало сектора.
Следующие три байта содержат номер сектора.
Последний байт содержит код режима
ECC (Error Correction Code) - код исправления ошибок.
В режиме 2 поле данных объединено с полем ECC в 2336-байтное поле данных. Этот режим можно использовать, если не требуется коррекция ошибок, например, видео и аудио запись.
Коррекция ошибок осуществляется на трех уровнях:
Поэтому 7203 байта содержат только 2048 байта полезной нагрузки, около 28%.
В 1986 году была выпущена "Зеленая книга", к стандарту была добавлена графика, и возможность совмещения в одном секторе аудио, видео и данных.
Файловая система для CD-ROM называется High Sierra , которая оформлена в стандарт ISO 9660.
Файловая система имеет три уровня:
1 уровень - файлы имеют имена формата, схожего с MS-DOS - 8 символов имя файла плюс до трех символов расширения, файлы должны быть непрерывными. Глубина вложенности каталогов ограничена восемью. Этот уровень понимают почти все операционные системы.
2 уровень - имена файлов могут быть до 31 символов, файлы должны быть непрерывными.
3 уровень - позволяет использовать сегментированные файлы.
Для этого стандарта существуют расширения:
Rock Ridge - позволяет использовать длинные файлы, а также UID, GID и символические ссылки.
1.1.3.1 Компакт-диски с возможностью записи CD-R
Запись на CD-R диски производятся с помощью локального прожигания нанесенного слоя красителя.
В 1989 году была выпущена "Оранжевая книга", это документ определяет формат CD-R, а также новый формат CD-ROM XA , который позволяет посекторно дописывать информацию на CD-R.
CD-R-дорожка - последовательно записанные за один раз секторы. Для каждой такой дорожки создается свой VTOC (Volume Table of Contents - таблица содержания тома), в котором перечисляются записанные файлы.
Каждая запись производится за одну непрерывную операцию, поэтому если у вас будет слишком загружен компьютер (мало памяти или медленный диск), то вы можете испортить диск, т.к. данные не будут поспевать поступать на CD-ROM.
1.1.3.2 Многократно перезаписываемые компакт-диски CD-RW
Запись на CD-RW диски производятся локального перевода слоя из кристаллического в аморфное состояние.
Используются лазеры с тремя уровнями разной мощности.
Эти диски можно отформатировать (UDF), использовать их в место дискет и дисков.
1.1.3.3 Универсальный цифровой диск DVD (Digital Versatile Disk)
Были сделаны следующие изменения:
Размер пита уменьшили в два раза (с 0.8 мкм до 0.4мкм)
Более тугая спираль (0.74 мкм между дорожками, вместо 1.6 у компакт-дисков)
Уменьшение длины волны лазера (650 нм вместо 780 нм)
Это позволило увеличить объем с 650 Мбайт до 4.7 Гбайт.
Определены четыре следующих формата:
Односторонний, одноуровневый (4.7 Гбайт)
Односторонний, двухуровневый (8.5 Гбайт), размеры пита второго уровня приходится делать больше, иначе не будут считаны, т.к. первый полуотражающий слой половину потока отразит и частично рассеет.
Двухсторонний, одноуровневый (9.4 Гбайт)
Двухсторонний, двухуровневый (17 Гбайт)
1.1.3.4 Универсальный цифровой диск Blu-ray (blue ray — синий)
Были сделаны следующие изменения:
Размер пита уменьшили
Более тугая спираль ( 0,32 мкм между дорожками, вместо 0.72 у DVD)
Уменьшение длины волны лазера (405 нм вместо 650 нм в DVD), «синего» (технически сине-фиолетового) лазера, отсюда и название
Определены следующие формата:
однослойный диск 23,3/25/27 или 33 Гб
двухслойный диск 46,6/50/54 или 66 Гб
четырёх слойный 100 Гб
восьми слойный 200 Гб
1.1.4 Твердотельные накопители (Flash, SSD, . )
Устройство ячейки памяти:
Используются полевые транзисторы с плавающим затвором.
Устройство ячейки памяти
Считывание информации:
Если ток через npn-переход идет, то "считывается 0".
Ток идет за счет туннельного эффекта, который возникает под действием управляющего затвора, на который подается "+".
Если ток через npn-переход не идет, то "считывается 1".
Ток не идет за счет "экранирования" управляющего затвора плавающим затвором, на котором накоплен "-".
Запись информации:
"Запись" делается накоплением электронов в плавающем затворе, за счет повышенного напряжения на управляющем затворе и стоке.
Затирание информации:
"Затирание" делается "изъятием" электронов из плавающего затворе, за счет положительного напряжения на истоке и отрицательного на управляющем затворе, но стоке 0В.
1.2 Форматирование дисков (программная часть)
1.2.1 Низкоуровневое форматирование
Низкоуровневое форматирование - разбивка диска на сектора, производится производителями дисков.
Каждый сектор состоит из:
Заголовка (Prefix portion) - по которому определяется начало (последовательность определенных битов) сектора и его номер, и номер цилиндра.
Область данных (как правило, 512 байт, планируют перейти на 4 Кб (к 2010г.))
На диске могут быть запасные сектора, которые могут быть использованы для замены секторов с дефектами (а они почти всегда есть). За счет этого обеспечивается одинаковая емкость на выходе.
При низкоуровневом форматировании часть полезного объема уменьшается, примерно до 80%.
Перекос цилиндров
Перекос цилиндров - сдвиг 0-го сектора каждой последующей дорожки, относительно предыдущей. служит для увеличения скорости. Головка тратит, какое то время на смену дорожки, и если 0-й сектор будет начинаться в том же месте, что и предыдущий, то головка уже проскочит его, и будет ждать целый круг.
Перекос цилиндров делают разным в зависимости скоростей вращения и перемещения головок.
Перекос головок - приходится применять, т.к. на переключение с головки на головку тратится время..
Чередование секторов
Если, например, один сектор прочитан, а для второго нет в буфере места, пока данные копируются из буфера в память, второй сектор уже проскочит головку.
Чтобы этого не случилось, применяют чередование секторов.
Если копирование очень медленное, может применяться двукратное чередование, или больше.
1.2.2 Разделы диска
После низкоуровневого форматирования диск разбивается на разделы, эти разделы воспринимаются ОС как отдельные диски.
Для чего можно использовать разделы:
Отделить системные файлы от пользовательских (например, своп-файлы)
Более эффективно использовать пространство (например, для администрирования).
На разные разделы можно установить разные ОС.
Основные разделы диска:
Первичный (Primary partition) - некоторые ОС могут загружаться только с первичного раздела. (В MBR под таблицу разделов выделено 64 байта. Каждая запись занимает 16 байт. Таким образом, всего на жестком диске может быть создано не более 4 разделов. Раньше это считалось достаточным.)
Расширенный (Extended partition) - непосредственно данные не содержит, служит для создания логических дисков (создается, что бы обойти ограничение в 4-ре раздела).
Логический (Logical partition) - может быть любое количество.
Информация о разделах записывается в 0-м секторе 0-го цилиндра, головка 0. И называется таблицей разделов.
Таблица разделов (Partition Table) - содержит информацию о разделах, номер начальных секторов и размеры разделов. На Pentium-компьютерах в таблице есть место только для четырех записей, т.е. может быть только 4 раздела (к логическим это не относится, их может быть не ограниченное количество).
Этот сектор называется главной загрузочной записью.
Т.к. MBR может работать только с разделами до 2.2 ТБ (2.2 ? 1012 байт), насмену приходит GPT.
Активный раздел - раздел, с которого загружается ОС, может быть и логическим. В одном сеансе загрузки может быть только один активный раздел.
Пример структуры разделов
В Windows разделы будут называться (для пользователей) устройствами C:, D:, E: и т.д.
1.2.3 Высокоуровневое форматирование
Высокоуровневое форматирование (создание файловой системы) - проводится для каждого раздела в отдельности, и выполняет следующее:
Создает загрузочный сектор (Boot Sector)
Создает список свободных блоков (для UNIX) или таблицу (ы) размещения файлов (для FAT или NTFS)
Создает корневой каталог
Создает, пустую файловую систему
Указывает, какая файловая система
Помечает дефектные кластеры
Кластеры и блоки - единица хранения информации в файловых системах, файлы записываются на диск, разбитыми на блоки ли кластеры.
При загрузке системы, происходит следующее:
BIOS считывает главную загрузочную запись, и передает ей управление
Загрузочная программа определяет, какой раздел активный
Из этого раздела считывается и запускается загрузочный сектор
Программа загрузочного сектора находит в корневом каталоге определенный файл (загрузочный файл)
Этот файл загружается в память и запускается (ОС начинает загрузку)
1.3 Алгоритмы планирования перемещения головок
Факторы, влияющие на время считывания или записи на диск:
Время поиска (время перемещения головки на нужный цилиндр)
Время переключения головок
Задержка вращения (время, требуемое для поворота нужного сектора под головку)
Время передачи данных
Для большинства дисков самое большое, это время поиска. Поэтому, оптимизируя время поиска можно существенно повысить быстродействие.
Алгоритмы могут быть реализованы в контроллере, в драйверах, в самой ОС.
1.3.1 Алгоритм "первый пришел - первым обслужен" FCFS (First Come, First Served)
Рассмотрим пример. Пусть у нас на диске из 28 цилиндров (от 0 до 27) есть следующая очередь запросов:
и головки в начальный момент находятся на 1 цилиндре. Тогда положение головок будет меняться следующим образом:
Как видно алгоритм не очень эффективный, но простой в реализации.
1.3.2 Алгоритм короткое время поиска первым (или ближайший цилиндр первым) SSF (Shortest Seek First)
Для предыдущего примера алгоритм даст следующую последовательность положений головок:
Как видим, этот алгоритм более эффективен. Но у него есть не достаток, если будут поступать постоянно новые запросы, то головка будет всегда находиться в локальном месте, вероятнее всего в средней части диска, а крайние цилиндры могут быть не обслужены никогда.
1.3.3 Алгоритмы сканирования (SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOK)
SCAN – головки постоянно перемещаются от одного края диска до его другого края, по ходу дела обслуживая все встречающиеся запросы. Просто, но не всегда эффективно.
LOOK - если мы знаем, что обслужили последний попутный запрос в направлении движения головок, то мы можем не доходить до края диска, а сразу изменить направление движения на обратное
C-SCAN - циклическое сканирование. Когда головка достигает одного из краев диска, она без чтения попутных запросов перемещается на 0-й цилиндр, откуда вновь начинает свое движение.
C-LOOK - по аналогии с предыдущим.
1.4 Обработка ошибок
Т.к. создать диск без дефектов сложно, а вовремя использования появляются новые дефекты.
Поэтому системе приходится контролировать и исправлять ошибки.
Ошибки могут быть обнаружены на трех уровнях:
На уровне дефектного сектора ECC (используются запасные, делает сам производитель)
Дефектные блоки или кластеры могут обрабатываться контроллером или самой ОС.
Блоки и кластеры не должны содержать дефектные сектора, поэтому система должна уметь помечать дефектные сектора.
Само форматирование заключается в создании (формировании) структур доступа к данным, например, структур файловой системы. При этом возможность прямого доступа к находящейся на носителе информации теряется, часть ее безвозвратно уничтожается. Некоторые программные утилиты дают возможность восстановить некоторую часть (обычно — большую) информации с отформатированных носителей. В процессе форматирования также может проверяться и исправляться целостность носителя.
Содержание
Процесс форматирования
Форматирование жесткого диска включает в себя три этапа:
- Низкоуровневое форматирование. Это базовая разметка области хранения данных, которая выполняется на заводе-изготовителе в качестве одной из заключительных операций изготовления устройства хранения данных. При этом процессе в области хранения данных создаются физические структуры: треки (дорожки), сектора, при необходимости записывается программная управляющая информация. Впоследствии в подавляющем большинстве случаев эта разметка остается неизменной за все время существования носителя. Большинство программных утилит с заявленной авторами возможностью низкоуровневого форматирования на самом деле, в лучшем случае, перезаписывают только управляющую информацию.
- Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает объём винчестера на логические диски (например, C:, D:…; sda1, sda2…; hda1, hda2…). Это осуществляется с помощью встроенных служб самой операционной системы или соответствующими утилитами сторонних производителей (см. Программы для работы с разделами); метод разбиения существенно зависит от типа операционной системы. Этот шаг принципиально необязателен (если его пропустить весь объем носителя будет состоять из одного раздела), но в виду очень больших объемов современных жестких дисков (до 4 000 Гб) их разбиение на логические разделы обычно осуществляется.
- Высокоуровневое форматирование. Этот процесс записывает (формирует) логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов (файловые таблицы), а также, в некоторых случаях, загрузочные файлы для разделов, имеющих статус активных. Это форматирование можно разделить на два вида: быстрое и полное. При быстром форматировании перезаписывается лишь таблица файловой системы, при полном — сначала производится верификация (проверка) физической поверхности носителя, при необходимости исправляются поврежденные сектора, т.е. участки оптической поверхности, имеющие физические повреждения (маркируются как неисправные, что исключает в последующем запись в них информации), а уже потом производится запись таблицы файловой системы.
Низкоуровневое форматирование
Низкоуровневое форматирование — это процесс нанесения информации о позиции треков и секторов, а также запись служебной информации для сервосистемы. Этот процесс иногда называется «настоящим» форматированием, потому что он создает физический формат, который определяет дальнейшее расположение данных. Когда в первый раз запускается процесс низкоуровневого форматирования винчестера, пластины жесткого диска пусты, то есть не содержат абсолютно никакой информации о секторах, треках и так далее. Это последний момент, когда у жесткого диска абсолютно пустые пластины. Информация, записанная во время этого процесса, больше никогда не будет переписана.
Старые жёсткие диски имели одинаковое количество секторов на трек и не имели встроенных контроллеров, так что низкоуровневым форматированием занимался внешний контроллер жесткого диска, и единственной нужной ему информацией было количество треков и количество секторов на трек. Используя эту информацию, внешний контроллер мог отформатировать жесткий диск. Современные жёсткие диски имеют сложную внутреннюю структуру, включая изменение количества секторов на трек при движении от внешних треков к внутренним, а также встроенную сервоинформацию для контроля за приводом головок. Также современные накопители используют технологию «невидимых» плохих секторов, могут автоматически помечать поврежденные сектора как нерабочие, исключая последующую возможность запись в них информации. Вследствие такой сложной структуры данных, все современные жесткие диски проходят низкоуровневое форматирование только один раз — на заводе-изготовителе. Нет никакого способа в домашних условиях произвести настоящее низкоуровневое форматирование любого современного жесткого диска, будь это IDE/ATA, SATA или SCSI винчестер. Причем это невозможно сделать даже в условиях сервисного центра.
Старые жёсткие диски нуждались в неоднократном низкоуровневом форматировании на протяжении всей своей жизни, в связи с эффектами температурного расширения, связанного с применением шаговых моторов в приводе головок, у которых перемещение головок было разбито на сетку с фиксированным шагом. С течением времени у таких накопителей смещалось физическое расположение секторов и треков, что не позволяло правильно считывать информацию, применяя шаговый двигатель в приводе магнитных головок. Головка выходила на нужную, по мнению контроллера, позицию, в то время как позиция заданного трека уже сместилась, что приводило к появлению сбойных секторов. Эта проблема решалась переформатированием накопителя на низком уровне, перезаписывая треки и сектора по новой сетке шагов привода головок. В современных накопителях, использующих в приводе головок звуковую катушку, проблема температурного расширения ушла на второй план, вынуждая производить лишь температурную перекалибровку рабочих параметров привода головок.
Результатом выполнения «низкоуровневого» форматирования из BIOS может быть:
- Отсутствие результата, то есть полное игнорирование винчестером этой процедуры. Позиционирование будет отработано, но никаких действий на дисках произведено не будет.
- Запись нулей во все сектора, то есть простое стирание информации пользователя.
- Возникновение проблем с жёсткими дисками старых серий, не обеспечивающих надёжную защиту от пользователя. Некоторые старые жёсткие диски ёмкостью 40—80 Гб могут на команду 50h отвечать ошибкой, что может привести к маркировке всех секторов как «bad», или наоборот, записать нулями часть служебных треков, что приведёт к неработоспособности накопителя.
Информацию после проведения реального низкоуровневого форматирования восстановить нельзя никаким образом.
Высокоуровневое форматирование
В случае использования, к примеру, операционной системы DOS команда format выполняет эту работу, записывая в качестве такой структуры главную загрузочную запись и таблицу размещения файлов. Высокоуровневое форматирование выполняется после процесса разбивки диска на разделы (логические диски), даже если будет использоваться только один раздел, занимающий весь объём накопителя. В современных операционных системах процесс разбиения винчестера на разделы и форматирования может выполнятся как в процессе установки операционной системы, так и на уже установленной системе средствами самой системы или утилитами сторонних производителей, с использованием графического интуитивно понятного интерфейса.
После этого можно с чувством выполненного долга вытереть пот со лба и зафиксировать появление в голове новых знаний.
Давайте рассмотрим, что такое
Сервометки на диске
Для точного позиционирования головок записи-считывания используются так называемые сервометки (или сервокоды). Эти метки имеются на каждой дорожке и наносятся они на заводе-изготовителе.
На каждой дорожке имеется несколько таких меток, они содержат в себе служебные коды. При считывании данных из меток схема управления следит за уровнем сигнала.
Если он уменьшается, схема управления подает сигнал в систему позиционирования, корректируя положение головок. Для меток используется часть информационного пространства диска, поэтому количество информационных секторов уменьшается.
Никакие прикладные программы и форматирование не могут изменить информацию, находящуюся в сервометках.
«Битые» секторы
Несмотря на все технологические ухищрения в процессе работы данные из некоторых секторов перестают считываться. Да и изначально почти всегда есть «битые» секторы. В винчестеры самых первых моделей номера сбойных секторов писали прямо на корпусе винчестера!
Всегда имеется некоторое количество запасных секторов, которые до поры до времени не используются, и пользователю не видны. Но они видны управляющей программе винчестера.
Для оценки качества поверхности диска имеются специальные сервисные программы. При нахождении сбойного сектора сервисная программа сообщает встроенной программе винчестера о необходимости замены этого сектора резервным.
Последняя переназначает секторы, запоминая количество таких операций. Это число можно увидеть с помощью сервисной программы.
Если таких секторов появилось слишком много, пора всерьез подумать о резервном копировании данных (об этом, впрочем, надо помнить всегда!) или о замене винчестера.
Неисправные секторы и операционная система
Бывают ситуации, когда операционная система перестает загружаться. Часто это происходит именно из-за нечитаемых секторов!Дело может осложняться внезапным исчезновением напряжения. Таким образом, отсутствие источника бесперебойного напряжения чревато не только исчезновением данных и порчей операционной системы, но и увеличением количества сбойных секторов.
Способ лечения прост – надо заменить битые сектора резервными (операция remap) помощью служебной программы (например, Victoria), после чего запустить программу chkdsk.
Если при попытке установки системы она не устанавливается – есть смысл протестировать винчестер на битые секторы.
Справедливости ради нужно сказать, что система может не устанавливаться и из-за ошибок в модулях памяти (при этом он подлежит замене), но такое бывает гораздо реже.
Рассмотрим теперь чуть более подробно
Способы организации данных в винчестере
Вся информационная поверхности диска (как мы уже писали) разбита на дорожки и секторы.
Используется принцип зонной записи данных.
При этом поверхность диска разделена на несколько зон.
В пределах одной зоны количество секторов на дорожке одинаково.
Чем дальше зона от центра диска, тем больше на ней секторов.
Сектор на диске содержит 512 байт данных. В каждом секторе имеется служебная информация, содержащая порядковый номер и другие данные. Несколько секторов объединены в кластер.
Кластер — это минимальная единица (квант информации) дисковой памяти, к которой может обратиться операционная система.
Объем кластера (т. е. количество секторов) задается при форматировании диска. Если на диске будут храниться файлы большого размера, размер кластера можно выбрать побольше, если мелкие — поменьше.
Размер файла всегда превышает размер кластера, поэтому файлы «сшиваются» из кластеров посредством файловой системы. Таким образом, файл – это цепочка из кластеров, каждый из которых содержит фрагменты информации.
Файловых систем существует несколько. Чаще всего используются FAT и NTFS. FAT (File Allocation Files, таблица размещения файлов) досталась в наследство от устройств на гибких дисках (FDD).Сначала она была 16-разрядной, потом число разрядов увеличилось до 32.
Так, размер файла может достигать величины 16 Tb (в FAT32 – 4 Gb).
Именно поэтому, чтобы записать файлы большого размера (например, фильмы в HD качестве) на флэшку, ее форматируют в NTFS. Операционные системы Windows могут использовать как FAT, так и NTFS.
Логические диски
Обычно жесткий диск разделяют на несколько разделов или логических дисков.
Это удобно для пользователя: на одном диске можно хранить операционную систему, на втором — файлы данных пользователя, на третьем — инсталляционные пакеты и т. д.
При разрушении данных в каком-то разделе данные в других разделах остаются неповрежденными.
Каждому логическому диску присваивается буква латинского алфавита. Пользователь видит как бы несколько отдельных жестких дисков, но физически он один. В компьютер могут быть, естественно, установлены несколько винчестеров, и все они могут быть поделены на логические диски.
В таком случае все логические диски видятся общим массивом, и каждому из них присваивается своя буква. Логических дисков может быть больше, чем букв (теоретически их число может быть бесконечно большим), но обычно много их не требуется.
Иногда пользователи не разбивают диск на разделы и при падении операционной системы теряют свои данные.
Отметим: кое-что всегда можно спасти, но это требует специальных мер и определенной квалификации.
Нумерация секторов на диске
В первых моделях винчестеров секторы нумеровались в формате CHS. Координаты сектора включали в себя номер цилиндра (С, Cylinder), головки (H, Head) и сектора (S, Sector).
Цилиндр – это воображаемая конструкция, включающая дорожки на разных физических дисках («блинах») с одинаковым номером. Но объемы винчестеров все время росли, и система CHS перестала отвечать требованиям времени.
Поэтому стали использовать нумерацию LBA (Logical Block Adressing), при которой каждому сектору присваивался сплошной порядковый номер, без нумерации головок и цилиндров.
Для адресации LBA используется 48 разрядов, поэтому можно адресоваться к 2х10 48 секторам.
Таким образом, при размере сектора 512 байт можно обращаться к 2х10 57 байтам или 128 ПиБ (пебибайтам) дисковой памяти. Вы впервые услышали про такое огромное числа, да?
Главная загрузочная запись
Информация о разделах на диске содержится в самом первом секторе диска. Если использовать нумерацию CHS, то это первый сектор на нулевом цилиндре и нулевой головке. Здесь содержится так называемая MBR(Master Boot Record), главная загрузочная запись.
MBR содержит в себе таблицу разделов (Partition Table), которых может быть 4. Эти разделы называются первичными или основными. Из каждого такого раздела может быть загружена операционная система.
Для того, чтобы из раздела могла загружаться операционная система, он должен быть активным.
За признак активности или неактивности раздела отвечает специальный служебный байт.
Честно говоря, четырех разделов на физическом диске маловато. Поэтому придумали специальный раздел — расширенный (Extended), который может содержать (теоретически) неограниченное число логических дисков. Но на практике число дисков, естественно, ограничено. Про статус раздела — основной или расширенный — отвечает другой служебный байт.
В заключение скажем, что разделение жесткого диска на логические (и все остальные манипуляции с разделами) можно сделать с помощью служебных программ, например, «Acronis». Эта программа может и объединять разделы в один, изменять тип файловой системы, копировать разделы при клонировании жесткого диска и еще много чего.
На сегодня все, друзья.
Мы не рассмотрели SSD (Solide State Drive), твердотельные накопители. Ознакомимся с ними в будущих публикациях.
Читайте также: