Министерство образования Российской федерации

Пермский государственный технический университет

И. А. Шмидт

Вычислительные машины и локальные сети

Раздел: Жесткие диски и их интерфейсы.

Пермь 2003

УДК

Рецензенты:

д-р. техн. наук, проф. С. В. Бочкарев (Пермский государственный технический университет).

канд. техн.наук, доцент В. П. Казанцев (Пермский государственный технический университет).

Шмидт И. А.

Вычислительные машины и локальные сети: конспект лекций. Раздел: жесткие диски и их интерфейсы/Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2003. 25 с.

Представлен раздел конспекта лекций по курсу «Вычислительные машины и локальные сети» для направления подготовки дипломированного специалиста 654500 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» дневного и заочного отделений.

Раздел конспекта лекций рекомендуется для студентов изучающих курсы: «Вычислительные машины и локальные сети» специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств».

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Конструкция HDD 5

Логическая структура диска 8

1.1 Главная загрузочная запись 8

1.2 Первичный и расширенный раздел 9

1.3 Пример логической организации диска 10

Файловые системы 11

1.4 Файловая система FAT 11

1.4.1 Загрузочная запись 12

1.4.2 Таблицы размещения файлов 13

1.4.3 Файлы и каталоги 13

1.4.4 Структура FAT 14

1.4.5 Длинные имена 15

1.5 NTFS 16

1.5.1 Возможности NTFS 16

1.5.2 Главная файловая таблица 16

1.5.3 Атрибуты файла NTFS 17

1.5.4 Каталоги 17

1.5.5 Журналирование 18

1.5.6 Сжатие 18

1.5.7 Безопасность 19

1.5.8 Шифрование (NT5) 19

1.6 Сравнение файловых систем 19

1.7 Загрузка операционной системы 21

1.8 ФОРМАТИРОВАНИЕ 21

Интерфейсы жестких дисков 21

1.9 Интерфейс SCSI 21

1.10 Интерфейс ATA 22

ТЕРМИНЫ ПО ЖЕСТКОМУ ДИСКУ 24

Введение

Для хранения программ и данных практически все компьютеры используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Накопители со сменными носителями по способу записи и чтения информации можно подразделить на следующие группы:

Магнитные;

Накопители на гибких (флоппи) дисках;

Накопители на сменных жестких дисках;

Накопители на сменных гибких дисках, исползующих эффект Бернулли;

Магнитооптические;

Оптические;

Накопители на оптических компакт дисках (CD ROM);

Накопители на оптических перезаписысываемых дисках (CD RW, CD RWR);

Накопители на оптических DVD дисках;

Среди накопителей с несменными носителями в настояшее время используется только один тип – накопители на жестких дисках (HDD), которые часто называют винчестерами.

Конструкция hdd

Д

Рисунок 1 Конструкция hdd

иск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом, сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Головки перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии 0.00005 - 0.0001 милиметра от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

Рисунок 2 Строение hdd

Жесткие диски, как и дискеты, разделяются на сектора и дорожки. Сектора имеют сквозную нумерацию, начиная с 1. Их число зависит от интерфейса, используемого для связи с винчестером. Характерная скорость вращения,измеряемая в оборотах в минуту, позволяет косвенно судить о производительности (внутренней скорости). Чем выше скорость вращения, тем больше скорость обмена информацией с диском, но высокие скорости вращения порождают проблемы, связанные с балансировкой, тепловыделением, гироскопическим эффектом и аэродинамикой головок. Сущетвуют следующие характерные скорости вращения: 3600 об/мин, 5400 об/мин, 7200 об/мин, 10000 об/мин, 15000 об/мин. Для магнитных головок весьма критично расстояние от головки до поверхности. Непосредственный контакт между ними допустим лишь при малых скоростях движения носителя. Головки винчестеров поддерживаются на микроскопическом расстоянии от рабочей поверхности аэромической подъемной силой. Высота «полета» головки должна поддерживаться довольно строго, иначе магнитные поля головок будут «промахиваться» мимо рабочего слоя. Высота определяется тем положением, когда подъемная сила, определяемая скоростью вращения, формой «крыла» головки и плотностью воздуха, уравновесит давление прижимающей головку пружины. Емкость диска представляет собой объем хранимой полезной информации – сумму полей данных всех доступных секторов. Указывается для стандартного размера сектора – 512 байт. Емкость находится по следующей формуле – C*H*S*512 байт

Секторы на треке нумеруются последовательно. После того как требуемый сектор прошел под головкой, и его данные попали в контроллер, который проверил их достоверность по контрольному входу, данные из контроллера передаются в память компьютера. После анализа состояния выполнения операции контроллер получает указание на считывание следующего сектора, но он к этому времени уже может пролететь над головкой. Тогда контроллеру придется ждать почти полный оборот диска, пока сектор не подойдет снова. Выходом в такой ситуации является применение чередования секторов(interleaving). Секторы с соседними номерами располагаются не рядом, а через несколько секторов. В современных накопителях со встроенными быстродействующими контроллерами, способными за одну операцию записать или считать все секторы трека, чередование секторов не применяют. Изменение Interleave-фактора возможно только специальными программ­ными средствами и, как следствие, приводит к полной потере данных, так как изменяется логическое разбиение диска.

Рисунок 3 Interleave 1:1 Interleave 1:3

Для компенсации различной плотности записи используют метод зонно-секционной записи (Zone Bit Recording). Метод заключается в том, что все рабочее пространство магнитного диска делится на зоны: 8 и более. В самой младшей зоне, т. е. на дорожке, которая расположена дальше всех от центра диска, содержится большее количество секторов. К центру диска количество секторов уменьшается. Поскольку диск вращается с неизменной скоростью, от внешних зон поступает значительно больший объем инфор­мации, чем от внутренних. Неравномерность поступления данных компен­сируется путем увеличения скорости работы канала считывания/преобра­зования данных и использования специальных перестраиваемых фильтров. Для частотной коррекции по зонам, а также путем применения производи­тельных однокристальных микроконтроллеров.

Жесткие диски, работающие таким образом, нельзя объявлять в CMOS Setup с их фактическими параметрами (Native Mode). Для этих дисков есть опция, называемая Translation Mode. Ее установка означает, что значение, Указанное в CMOS Setup, пересчитывается контроллером в параметры соот­ветствующих цилиндров и секторов.