4. Организация хранения данных на носителях информации
Операционная система представляет внешнюю память в виде набора логических дисков (logical drive). Каждому логическому диску присваивается свое логическое имя: А, В — для дискет, С, D, Е и следующие буквы — для жестких дисков, CD-ROM и прочих устройств. Рассмотрим логическую организацию физических дисков, чтобы понять, каким образом несколько логических дисков (например, С, D и Е) могут оказаться на одном винчестере.
Логический диск — это совокупность секторов с последовательно нарастающими номерами. Самый первый сектор логического диска называется загрузочным (boot sector). В этом секторе всегда хранится описатель параметров диска и файловой системы. Дополнительно может содержаться программа загрузки операционной системы (загрузчик). Если на диске с загрузчиком присутствуют еще и сами файлы ОС, что обеспечивает возможность загрузки этой ОС на компьютер, такой диск называется системным.
Поскольку жесткий диск (hard drive) в общем случае не является съемным (иное его название — fixed disk — фиксированный диск), а операционных систем, которые хочется использоваться на одном компьютере, может быть несколько, и каждая из них претендует на свою логическую организацию диска, договорились о возможности разбиения жесткого диска на несколько независимых разделов. Дискеты в таком разбиении не нуждаются, поскольку их легко сменить, да и маленький объем не располагает к делению. Помимо обеспечения «плюрализма» операционных систем, разбиение диска на разделы позволяет уменьшить размеры логических дисков, что бывает выгодно из-за ограничений файловых систем. Путем разбиения винчестера на логические диски добиваются упорядочивания использования дискового пространства. Структуру жесткого диска поясняет рис. 9.3.
Физический жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition). Информация о структуре диска — таблица разделов (partition table) — хранится в главной загрузочной записи (Master Boot Record, MBR), находящейся в общеизвестном месте — цилиндр 0, головка 0, сектор 1. В начале этого сектора располагается программа главного загрузчика (master boot), а за ней — таблица разделов, содержащая четыре описателя разделов. Каждый описатель задает границы разделов, причем в двух системах: CHS (координаты начала и конца) и LBA (начало и длина). Разделы, как правило, начинаются точно по границе цилиндра (координаты N, 0, 1), кроме первого, начинающегося обычно с первой головки нулевого цилиндра (0, 1, 1), поскольку под нулевой головкой расположен сектор с MBR. Заканчиваться разделы должны на границе цилиндра, что позволяет через номера конечной головки и конечного сектора определить число головок и секторов на треке.
Описатель задает и атрибуты раздела — системный код и флаг активности. Флаг активности указывает главному загрузчику, какой раздел ему следует загружать. Флаг активности может быть установлен только для одного раздела диска (или вообще не устанавливаться). Системный код определяет тип раздела; операционная система для своей файловой системы может использовать разделы только известных ей типов. Таблица разделов может заполняться как с начала, так и с конца. Если разделов меньше четырех, то свободные описатели обнуляются. Свободные описатели, равно как и занятые, могут располагаться в любом месте таблицы (в начале, середине, конце). Формирование таблицы разделов — конфигурирование жесткого диска — как правило, выполняется утилитой FDISK.
Структура раздела зависит от его типа. Некоторые системные коды (типы разделов) приведены в табл. 9.4. Далее ограничимся описанием разделов и логических дисков для DOS/Windows 9х.
При формировании системы хранения данных накопитель должен пройти ряд этапов, после чего на него можно будет записывать данные.
Первый этап – форматирование низкого уровня. На этом этапе у накопителя формируются дорожки (на HDD – цилиндры) и сектора, устанавливаются сервометки, позволяющие контролеру HDD позиционировать головки в определённые места. Иными словами, создаётся своего рода координатная система, которая будет использоваться при обращении к данным накопителя. Можно провести с помощью специальных утилит, но к современным накопителям применять не рекомендуется, осуществляется производителем устройства.
Второй этап – выбор схемы раздела. Может потребоваться в зависимости от конкретной ситуации. Например, при установке определённой операционной системы. Реализуется средствами современной операционной системы или современными утилитами.
Первая схема – MBR (Master Boot Record) используется на старых платформах, максимально может содержать до 4 основных разделов, максимальный размер раздела – 2 Тб.
Может содержать первичный раздел (primary partition) – от 0 до 4. Он содержит файловую систему и предназначен для установки операционной системы.
Может содержать расширенный раздел (extended partition) – от 0 до 1. Содержит расширенную загрузочную запись – EBR (Extended Boot Record), также иногда называется EPBR (Extended Partition Boot Record), в которой записаны логические разделы, количество их не ограничено, но практически программы разметки не позволят создать более 10. Хотя на логический раздел можно установить операционную систему, лучше этого не делать, так как часть системных файлов всё равно будет записана на первичный раздел.
Вторая схема – GPT (GUID (Globally Unique Identifier) Partition Table) используется на новых платформах, в системах Windows может содержать до 128 разделов, в GNU/Linux ядро поддерживает до 256 разделов, максимальный размер раздела – 18 Эб.
Третий этап – формирование раздела. Количество разделов, доступных для создания, и их тип зависят от схемы раздела, особенностей операционной системы (систем) и потребностей пользователя. Целесообразно для каждой операционной системы формировать системный раздел, том для приложений и диск для пользовательских данных (последний можно сделать общим для всех операционных систем, если обеспечивается совместимость по файловым системам). Следует принимать во внимание, что некоторые операционные системы создают сервисные тома для своих задач в автоматическом режиме.
Четвёртый этап – форматирование высокого уровня. Во время этого процесса формируется файловая система, перед этим можно задать размер единицы распределения (кластера). Первое форматирование должно обязательно быть стандартным (инициализация раздела), последующие могут быть быстрыми (очистка оглавления).
После проведения вышеуказанных операций раздел готов к записи пользовательских данных.
Разметку накопителя можно осуществить средствами операционной системы (например, при запуске дистрибутива). Однако использование специальных утилит позволит осуществить более гибкую настройку.
Для установки нескольких операционных систем необходимо использовать менеджер загрузки – специальное программное средство. Также есть возможность использовать встроенные средства операционных систем (если вторая и последующая устанавливаемые системы являются «новыми»).
При установке операционной системы её установщик размещает в главной загрузочной записи флаг активности на раздел установки. Следующая устанавливаемая система ставит флаг на свой раздел, но если эта система «новая», она записывает в свой загрузчик ссылку на загрузчик той системы, которая обладала флагом до этого. Тем самым после установки обеспечивается возможность (после включения или перезагрузки) выбора между установленными системами.
Таким образом, на накопителе со схемой MBR желательно устанавливать не более 4 операционных систем (по одной на каждом первичном разделе).
Замечание. Для установки любой операционной системы необходим дистрибутив этой системы, который должен запускаться после загрузки системы аналогичного семейства и не ниже по разрядности. Например, для установки Windows XP 64 потребуется накопитель (HDD, оптический диск, USB-устройство и т. д.), содержащий как минимум соответствующий дистрибутив и загрузочную Windows XP 64 (32-битная или иначе «x86» не подойдёт). Причём достаточно редуцированной сборки этой системы – главное, чтобы там содержалось ядро, позволящее запустить файл дистрибутива.