Доріжки і сектора

Доріжка – це одне “кільце” даних на одній стороні диска. Доріжка запису на диску дуже велика, щоб використовувати її як одиницю зберігання інформації. У багатьох накопичувачах її місткість перевищує 100 тис. байт. Тому доріжки на диску розбивають на нумеровані відрізки, звані секторами.

Кількість секторів може бути різною залежно від густини доріжок і типу накопичувача. Сектори, створені за допомогою стандартних програм форматування, мають місткість 512 байт, але не виключено, що в майбутньому ця величина зміниться. Нумерація секторів на доріжці починається з одиниці, на відміну від головок і циліндрів, відлік яких ведеться з нуля.

При форматуванні диска на початку і кінці кожного сектора створюються додаткові області для запису їх номерів, а також іншої службової інформації, завдяки якій контролер ідентифікує початок і кінець сектора. Це дозволяє відрізняти неформатовану та форматовану місткості диска. Після форматування місткість диска зменшується.

На початку кожного сектора записується його заголовок (або префікс – prefix portion), по якому визначається початок і номер сектора, а в кінці – висновок (або суфікс – suffix portion), в якому знаходиться контрольна сума (checksum), необхідна для перевірки цілісності даних. У більшості нових дисководів замість заголовка використовується так званий запис No-ID, що вміщає в себе більший об’єм даних. Крім вказаних областей службової інформації, кожен сектор містить область даних місткістю 512 байт. При низькорівневому (фізичному) форматуванні всім байтам даних привласнюється деяке значення, наприклад F6h.

Стверджувати, що розмір будь-якого сектора рівний 512 байт, не цілком коректно. Насправді в кожному секторі можна записати 512 байт даних, але область даних – це тільки частина сектора. Кожен сектор на диску звичайно займає 571 байт, з яких під дані відводиться тільки 512 байт. У різних накопичувачах простір, що відводиться під заголовки (header) і висновки (trailer), може бути різним, але, як правило, сектор має розмір 571 байт.

Інформація, яка міститься в заголовках і висновках сектора, не міняється під час звичних операцій запису даних. Змінити її можна, тільки переформатувавши диск.

Жорсткий диск з об’ємом 1 Гбайт (за сучасним мірками – дуже маленький) може в дійсності містити дані об’ємом 1,1 Гбайт. Якщо об’єм складає рівно 1 Гбайт, тоді такий диск може записати інформації не більше 900 Мбайт корисної інформації. Частина, що залишилася, може використовуватися комп’ютером для вмісту додаткової інформації. Не існує строгого правила, що дозволяє точно визначити реальний об’єм жорсткого диску.

Форматування дисків

Форматування диску необхідне для подальшого використання його комп’ютером. При форматуванні весь об’єм диску структурується. З цією метою система використовує деякі ділянки диску, роблячи на них магнітні мітки, які містять керуючу інформацію. Крім того, під час форматування задіяні спеціальні електричні схеми жорсткого диску, здатні знаходити пошкоджені сектори, в яких інформації зберігатися не може. Така електрична схема визначає сбійні ділянки, а потім вносить їх адреси в загальну таблицю, з якої буде звірятися жорсткий диск і його контролер при записі даних. В результаті службова інформація може займати до 10% початкового об’єму диска. Тобто для корисної інформації залишається близько 90% фізичного об’єму.

Розрізняють два види форматування диска:

• фізичне, або форматування низького рівня;

• логічне, або форматування високого рівня.

Форматування жорсткого диска виконується в три етапи:

1. Форматування низького рівня.

2. Організація розділів на диску.

3. Форматування високого рівня.

Форматування низького рівня. В процесі форматування низького рівня доріжки диска розбиваються на сектори. При цьому записуються заголовки та висновки секторів (префікси і суфікси), а також формуються інтервали між секторами та доріжками. Область даних кожного сектора заповнюється фіктивними значеннями або спеціальними тестовими наборами даних.

Один із способів підвищення місткості жорсткого диска полягає у розділенні зовнішніх циліндрів на більшу кількість секторів в порівнянні з внутрішніми циліндрами. Теоретично зовнішні циліндри можуть містити більше даних, оскільки мають велику довжину кола. Проте в накопичувачах, що не використовують метод зонного запису, всі циліндри містять однакову кількість даних, не дивлячись на те що довжина кола зовнішніх циліндрів може бути удвічі більше, ніж внутрішніх. При зонному записі циліндри розбиваються на групи, які називаються зонами, причому у міру просування до зовнішнього краю диска доріжки розбиваються на все більше число секторів. У всіх циліндрах, що відносяться до однієї зони, кількість секторів на доріжках однакова. Можлива кількість зон залежить від типу і запису даних на зовнішніх доріжках виявляється вище, ніж на внутрішніх).

Метод зонного запису був прийнятий виробниками жорстких дисків, що дозволило підвищити місткість пристроїв на 20-50% в порівнянні з накопичувачами, в яких число секторів на доріжці є фіксованим. На сьогоднішній день зонний запис використовується майже у всіх накопичувачах IDE і SCSI.

Організація розділів на диску. При розбитті диска на області, звані розділами, в кожній з них може бути створена файлова система, відповідна певній операційній системі.

Файлова система – це методи і структури даних, які використовуються операційною системою для зберігання файлів на диску або його розділі. Перед тим, як розділ або диск можуть бути використані як файлова система, він повинен бути ініціалізований, а необхідні дані перенесені на цей диск. Цей процес називається створенням файлової системи.

Сьогодні в роботі операційних систем сімейства Windows частіше за інших використовується три файлові системи:

• FAT (File Allocation Table – таблиця розміщення файлів). У розділах FAT під DOS допустима довжина імен файлів – 11 символів (8 символів власне імені і 3 символи розширення), а об’єм тому (логічного диска) – до 2 Гбайт.

• FAT32 (File Allocation Table, 32-bit – 32-розрядна таблиця розміщення файлів). У таблицях FAT 32 осередкам розміщення відповідають 32-розрядні числа. При такій файловій структурі об’єм тому (логічного диска) може досягати 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

• NTFS (Windows NT File System – файлова система Windows NT). Довжина імен файлів може досягати 256 символів, а розмір розділу (теоретично) – 16 Ебайт (16x10 байт). NTFS забезпечує додаткові можливості, що не надаються іншими файловими системами, наприклад засоби безпеки.

У більшої частини файлових систем UNIX схожа структура, а їх деякі особливості дуже мало розрізняються. Основними поняттями є: суперблок, індексний дескриптор (inode), блок даних, блок каталогу та непрямий блок. У суперблоці міститься інформація про файлову систему в цілому, наприклад, її розмір (точна інформація залежить від типу файлової системи). У індексному дескрипторі зберігається вся інформація про файл, окрім його імені. Ім’я файлу зберігається в блоці каталогу, разом з номером дескриптора. Запис каталогу містить ім’я файлу і номер індексного дескриптора відповідного файлу. У цьому дескрипторі зберігаються номери декількох блоків даних, які використовуються для зберігання самого файлу. У inode є місце тільки для декількох номерів блоків даних, проте, якщо потрібна більша кількість, то простір для покажчиків на блоки даних динамічно виділяється. Такі блоки називаються непрямими. Для того, щоб знайти блок даних, потрібно спочатку знайти його номер в непрямому блоці.

Linux підтримує декілька типів файлових систем. Найбільш важливі з них розглянуті нижче.

• Minix. Вважається найстарішою і найнадійнішою файловою системою, але достатньо обмеженою в своїх можливостях (у файлів відсутні деякі тимчасові параметри, довжина імені файлу обмежена 30-у символами) і доступних об’ємах (максимум 64 Мб на одну файлову систему).

• Xia. Модифікована версія системи minix, в якій збільшена максимальна довжина імені файлу і розмір файлової системи, хоча вона не реалізує ніяких нових можливостей.

• ext2. Найбільш багата функціональними можливостями файлова система з сімейства сумісних з Linux. На даний момент вважається найпопулярнішою системою. Вона розроблена з урахуванням сумісності з подальшими версіями, тому для установки нової версії коду системи не потрібно встановлювати її наново.

• Ext. Попередня версія системи ext2, не сумісна з подальшими версіями. В даний час вона дуже рідко включається в пакети нових систем, що поставляються, оскільки більшість користувачів зараз користуються системою ext2.

• Msdos. Забезпечується сумісність з системою MS-DOS (а також OS/2 і Windows NT).

При форматуванні високого рівня (логічному форматуванні) створюється певна структура файлів, яку в подальшому використовує операційна система для впорядковування даних, які зберігаються на диску. Одним з найважливіших елементів, що характеризують файлову систему, являється розмір кластера (одиничного блоку) – мінімальна одиниця дискового простору, яка може бути виділена для розміщення файлу і яка використовується операційною системою при індексації диску (тобто формування адресного простору на жорсткому диску).