§ 1.3. Основные характеристики и логическая структура жестких дисков

Первой важнейшей характеристикой любого жесткого диска явля­ется его емкость, то есть фактически количество информации, которое на него можно записать. При этом следует учитывать, что различают два типа емкости:

• Форматированная емкость (Formatted Capacity) представляет собой объем хранимой полезной информации, то есть сумму полей данных всех доступных секторов.

• Неформатированная емкость (Unformatted Capacity) представляет собой максимальное количество бит, записываемых на всех треках диска, включая и служебную информацию (заголовки секторов, контрольные коды полей данных). Сюда же следует отнести свободное пространство, зарезервированное для переноса дефектных секторов.

Соотношение форматированной и неформатированной емкости определяется форматом трека (размером сектора), но, поскольку для рядового пользователя свободы выбора формата нет, практический интерес представляет только форматированная емкость диска, которая указывается для стандартного размера сектора (512 байт).

Существуют три режима определения работы винчестера, определяющие его емкость: Normal, Large, LBA.

Емкость HDD в режиме Normal определяется формулой: , где C — число цилинд­ров (цилиндром называется количество дорожек равного радиуса, на­ходящихся на разных пластинах диска), H — число головок запи­си/считывания, S — количество секторов на которые разбивается каждый цилиндр и 512 — емкость сектора в байтах. Это ограничение емкости было вызвано тем, что в основном диски производились для IBM PC совместимых компьютеров, работающих под управлением операционной системы MS DOS (PC DOS, DR DOS).

Для преодоления этого ограничения был разработан режим Large. В этом режиме вдвое уменьшалось число цилиндров и соответственно увеличивалось число головок, и общая емкость диска могла составлять . Обратное преобразование происходит с помощью INT 12. Жесткие диски в данном режиме дос­таточно широко использовались в системах, работающих под управ­лением операционной системы UNIX.

Вторым и основным способом преодоления ограничения на емкость винчестера стала логическая адресация блоков (LBA, Logical Block Addressing). В этом случае все сектора нумеруются подряд, начиная с сектора (0,0,1), которому присваивается логический адрес 0, т. е. адрес CHS преобразуется в 28-битное число, используемое для нумерации секторов.

Так как размер каждого сектора равен 512 байт, то максимальная емкость, винчестера вычисляемая по приведенной выше формуле может составлять . К сожалению, для операционной системы необходимы пересчитанные значения секторов, поэтому специальная программа, записанная в ПЗУ (BIOS), сначала определяет общее количество секторов, а затем пересчитывает их. Однако в BIOS существовали некоторые огра­ничения, поэтому в сначала максимальная общая емкость диска была равна 8,4 Гб, позже — 32 Гб. В настоящее время ограничения на максимальную емкость HDD EIDEсоставляют достигают 0,5 Тб, SCSI — 2 Тб.

Следует заметить, что жесткие диски, работающие таким образом, нельзя объявлять в CMOS Setup с их фактическими параметрами (Na­tive Mode). Для этих дисков есть опция, называемая Translation Mode. Если ее установить, то значение, указанное в CMOS Setup пересчи­тывается контроллером в соответствии с расположением цилиндров и секторов.

Второй важной характеристикой винчестера является быстродействие, однако его невозможно определить только одной цифрой, по­этому для описания скорости работы винчестера принято использовать несколько параметров:

• Скорость вращения магнитных дисков. Чем выше скорость вращения дисков, тем быстрее с него можно считывать информацию и тем меньшее время необходимо ждать винчестеру, пока нужный сектор попадет под считывающую головку. Подавляющее большинство современных винчестеров использует скорости 4500, 5400, 7200, 10000 оборотов в минуту.

• Среднее время запаздывания — время, которое напрямую свя­зано со скоростью вращения дисков и представляет собой среднее вре­мя ожидания подхода сектора под головку при условии нахождения головки над нужной дорожкой.

• Скорость чтения с магнитных дисков зависит от скорости вра­щения дисков, методов записи и ряда других параметров.

• Скорость передачи данных из кэш-памяти винчестера в опера­тивную память компьютера. В идеальном случае эта скорость должна быть выше, чем скорость чтения с магнитных дисков. Зависит от так­товой частоты, на которой работает шина, по которой передаются все данные, и от режима обмена (кэш-память винчестера — память ком­пьютера).

Для передачи данных между HDD и RAM используются два основных режима передачи данных. Первым является режим, программного ввода/вывода (Programmed Input/Output, PIO).

В режиме PIO каждый байт информации с жесткого диска сна­чала считывается центральным процессором и только потом записыва­ется в оперативную память. В зависимости от длительности цикла счи­тывания и количества секторов, передаваемых за одно обращение к диску, различают режимы PIO 0 (PIO Mode 0), PI0 1, PIO 2, PIO 3, PIO 4, РIO 5. Например, в режиме PIO 0 за одно обращение к диску обычно передается содержимое одного сектора (512 байт), а в режиме PIO 4 — 16 (или больше), за счет чего достигается высокая скорость передачи данных.

Режимы PIO используются в однозадачных операционных системах, когда процессор компьютера производит считывание или запись данных в буферную память накопителя на жестких дисках стандартов IDE или EIDE, а затем эти данные передаются в оперативную память.

Режим прямого доступа к памяти (Direct Memory-Access, DMA)

В многозадачных операционных системах целесообразно использовать режимы прямого доступа к оперативной памяти (Direct Memory Access, DMA). Ввод/вывод данных в это режиме осуществляется в оперативную память PC, минуя CPU. Этот процесс происходит под управлением контроллера накопителя на жестких дисках в паузах между обращениями CPU к оперативной памяти, что несколько снижает скорость передачи данных, но экономит процессорное время. Для реализации режимов PIO и DMA необходимы специальные контроллеры и драйверы.

Рассмотрим подробнее логическую организацию хранения информации на жестких дисках. Каждый диск делится на дорожки и сектора, причем дорожка однозначно определяется номером головки и порядковым номером на диске относительно внешнего края. Сектора идентифицируются своим порядковым номером относительно начала дорожки. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, а головок и цилиндров — с нуля. Количество секторов может быть различным (от 17 до 150) в зависимости от типа накопителя. Каждый сектор содержит некоторую служебную информацию и данные. Обычно объем сектора составляет 571 байт. В начале каждого сектора записывается заголовок (Prefix portion), по которому определяется начало сектора и его номер, а в конце сектора (Suffix portion — заключении сектора) содержится контрольная сумма, необходимая для проверки целостности данных. Между заголовком и заключением сектора находится область данных объемом 512 байт (для DOS). Запись информации на дорожках осуществляется блоками по 512 байт.

Число дисков, головок и дорожек винчестера устанавливается изготовителем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя Количество секторов на диске зависят от метода записи, а плотность — от носителя: чем лучше материал диска, тем плотнее могут быть записаны данные. Современные винчестеры содержат до 150 секторов на дорожке. Общая емкость в значительной степени ограничивается логической структурой дисков, так как требуется некоторая дисковая память, необходимая для управления размещением данных. У дисков объемом 200 Мбайт это различие между емкостью "нетто" и "брутто" может составлять 3 Мбайт. Описанное выше форматирование диска называется низкоуровневым (Low Level Format).

Следует заметить, что процедура низкоуровневого форматирования выполняется изготовителем устройства, причем для различных моделей HDD существуют свои программы, для проведения данной процедуры.

Новый жесткий диск следует разбить на разделы, причем может быть не более четырех разделов. Сравнительно недавно широко использовалось разбиение на следующие разделы: первичный DOS (Primary DOS), расширенный DOS (Extended DOS) и не-DOS (Non DOS). При таком разбиении использовались операционные системы Widows 9x и файловая система FAT. Раздел не-DOS предназначался для установки операционной системы отличной от Widows 9x. Разбиение производится специальными программами (утилитами), входящими в состав операционной системы, например Fdisk (в Windows, Linux), или аналогичной им. Расширенный раздел DOS мог отсутствовать или быть разбит на логические диски.

Далее на диске следует создать структуру для работы с файлами, то есть выполнить так называемое форматирование высокого уровня. Данная операция производится средствами ОС, либо утилитой, входящей в операционную систему, например Format из DOS. Windows 9x. При использовании последней в каждый раздел заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector, VBS), таблица размещения файлов (File Allocation Table, FAT) и корневой каталог (ROOT Directory).

Структуру данных на диске после проведения форматирования высокого уровня можно представить схемой:

Рис.1.3.1. Структура расположения информации на жестком диске

Таблица разделов (РТ — Partition table) состоит из четырех разделов (отсюда и ограничения на их количество). Операционные системы DOS и Windows используют только два первых раздела, в которых содержится информация о головках, дорожках и секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и т. п. В первом секторе содержится также программа для загрузки ОС — Master Boot Record, MBR. Восстановить стандартный загрузчик можно командой Fdisk/mbr. В загрузочном секторе тома (VBS, Boot Record) содержится описание файловой системы: размер кластера, размер, количество и тип FAT и др.

Корневой каталог (ROOT Directory) включает описания файлов, расположенных на диске: их имена, типы, даты создания и изменения, атрибуты, размер и др. Кроме того, в него входит указатель на первый кластер файла. Каталоги в корневом каталоге описываются как файлы. Также корневой каталог содержит указатель на первый кластер самого корневого каталога и на первый кластер родительского каталога.

В таблице размещения файлов (FAT) имеется информация о связях между кластерами, в которые записан файл.