22. Фізична і логічна організація жорстких дисків.

С аппаратной точки зрения любой диск можно представить как совокупность секторов, адресуемых тем или иным способом (CHS или LBA), и каждый сектор может быть записан и считан (только целиком) независимо от других. Однако для большинства прикладных программ интерес представляет не обращение к отдельным секторам, а возможность обращения к файлам, которые могут зани¬мать произвольное, причем, возможно, и не целое количество секторов. Для об¬легчения обращения к файлам и упорядочения использования пространства сек¬торов диска в состав любой операционной системы входит файловая система, тесно связанная с логической структурой диска.

Разделы и логические диски

Операционная система представляет дисковую память в виде набора логических дисков, или приводов (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 органи¬зацию физических дисков, чтобы понять, каким образом несколько логических дисков (например, С:, D: и Е:) могут оказаться расположенными на одном вин¬честере.

Логический диск — это совокупность секторов с последовательно нарастаю¬щими номерами. Самый первый сектор логического диска называется загрузоч¬ным (boot sector). В этом секторе всегда хранится описатель параметров диска и файловой системы. Дополнительно может содержаться программа загрузки опе¬рационной системы (загрузчик). Если на диске с загрузчиком присутствуют еще и сами файлы ОС, что обеспечивает возможность загрузки этой ОС на компью¬тер, такой диск называется системным.

Поскольку жесткий диск (hard drive) в общем случае не является съемным (иное его название — fixed disk — фиксированный диск), а операционных сис¬тем, которые хочется использоваться на одном компьютере, может быть несколько

и каждая из них претендует на свою логическую организацию диска, договори¬лись о возможности разбиения жесткого диска на несколько независимых разде¬лов. Дискеты в таком разбиении не нуждаются, поскольку их легко сменить, да и маленький объем не располагает к делению. Кроме обеспечения «плюрализма» операционных систем, разбиение диска на разделы позволяет уменьшить разме¬ры 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.

Физический жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition). Информация о структуре диска — таблица разделов (partition table) — хранится в главной загрузочной записи MBR (Master Boot Record), находящейся в общеиз¬вестном месте — цилиндр 0, головка 0, сектор 1. В начале этого сектора располо¬жена программа главного загрузчика (master boot), а за ней имеется таблица раз¬делов, содержащая четыре описателя разделов. Каждый описатель задает грани¬цы 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 че¬рез 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 за¬гружать. 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 разде¬лы только известных ей типов. Таблица разделов может заполняться как с нача¬ла, так и с конца. Если разделов меньше четырех, то свободные описатели обну¬лены. 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. 7.7. Далее ограничимся описанием разделов и логи¬ческих дисков для DOS/Windows 9x.

Разделы с кодами (01, 04, 06, 0В, ОС, ОЕ) яатяются первичными разделами (primary partition) DOS/Windows. Утилита FDISK из MS-DOS и Windows 9x позволяет создавать не более одного первичного раздела, хотя в принципе их может быть и больше. Первичный раздел содержит один логический диск (logical drive). В стандартном случае, когда на диске имеется один первичный раздел, для первого винчестера на нем будет диск С:, для второго — D: и т. д. Операци¬онные системы MS-DOS и Windows 9x «не любят», когда на одном диске более одного первичного раздела, а также когда первичный раздел не является первым в таблице разделов. Другие ОС (например, Linux) более лояльны к количеству и расположению разделов. В первом секторе логического диска (boot sector) нахо¬дится загрузчик, а также описатель типа файловой системы (FAT12, FAT16, FAT32) и структуры диска. Загрузчик загружает ОС, расположенную на данном диске (если он системный). За загрузчиком располагается несколько копий таб¬лицы размещения файлов FAT (File Allocation Table), корневой каталог и соб¬ственно область данных диска. Разные коды первичных разделов указывают на различную разрядность FAT (см. ниже), новые типы вводились по мере роста размеров винчестера. С Windows 95 OSR2 появились новые типы разделов для FAT32 и FAT16 (ОСЬ, OEh), специально для дисков, поддерживающих адресацию LBA. Заметим, что в каждом описателе разделов задаются как трехмерные гра¬ницы раздела (начальные и конечные номера цилиндра, головки и сектора), так и линейные (номер начального сектора и их количество), но долгое время по старинке использовали только трехмерные описатели.

Среди разделов DOS/Windows 9x активным может быть только первичный раздел (только его загрузчик может быть исполнен).

Расширенный раздел (extended partition, код 05 или OF) служит для организа¬ции произвольного количества логических дисков (на рис. 7.8 раздел 2 является расширенным). Первый сектор расширенного раздела аналогичен MBR (но заг¬рузчик отсутствует) и содержит расширенную таблицу разделов EPR (Extended Partition Record) той же структуры, но с некоторыми оговорками. Первый опи¬сатель задает вторичный (secondary) раздел, отведенный под очередной логический диск; в нем указывается код раздела с файловой системой (для DOS Windows это FAT с кодами 04h, 06h, OBh, ОСЬ или OEh, для других ОС — свои/. В этом описателе, как обычно, задаются координаты начала и конца раздела с логическим диском (трехмерные и линейные). Если этот логический диск зани¬мает не весь объем расширенного раздела, то второй описатель тоже имеет код 05 или OF и указывает на положение сектора со следующей расширенной табли¬цей разделов. Остальные описатели не используются (их коды нулевые). Если свободного места в разделе уже нет, то и второй описатель не используется. В следующей расширенной таблице разделов действуют те же правила. Эта цепоч¬ка заканчивается на расширенной таблице, у которой во втором описателе стоит нулевой код раздела. Заметим, что второй описатель в расширенных таблицах может указывать только на положение следующей расширенной таблицы. Часть пространства расширенного раздела может оставаться не распределенной, в даль¬нейшем она может быть использована под логические диски. Цепочка расши¬ренных таблиц разделов должна быть непрерывной, неветвящейся (используют¬ся только два описателя, и только второй может указывать на следующую таб¬лицу) и незацикленной (второй описатель не должен ссылаться на ту же табли¬цу или предыдущую в цепочке). Несоблюдение первых двух условий ведет «толь¬ко» к потере логических дисков (их система не найдет). Несоблюдение послед¬него условия может привести к «зависанию» ОС при загрузке: она зациклится на бесконечном определении повторяющихся логических дисков. Код (05 или OF) расширенного раздела не несет никакой информации о файловой системе, и данный тип раздела используется как указатель на расширенную таблицу ря¬дом ОС, в том числе и отличных от DOS/Windows. Координаты расширенных таблиц разделов обычно имеют вид N,0, 1.

По расположению на физическом диске расширенные разделы являются вло¬женными друг в друга; все они располагаются в области, описанной в главной таблице разделов как расширенный раздел. В главной таблице может быть опи¬сан лишь один расширенный раздел.

В трактовке описателей расширенных разделов, к сожалению, возможны раз¬ночтения. Например, FDISK из MS-DOS 6.22 «честно» расставляет трехмерные описатели (в логической геометрии CHS), но это возможно лишь для дисков объемом не более 8,4 Гбайт. При этом в расширенных таблицах линейные описа¬тели логических дисков (вторичных разделов) ставятся не относительно начала физического диска (сектора с MBR), а относительно сектора с EPR. Здесь же линейные ссылки (starting sector) на очередную таблицу EP"R (с кодом 05) ста¬вятся относительно первой в цепочке (линейного адреса расширенного раздела, описанного в MBR). Поле длины в описателе логического диска (вторичного раздела) относится именно к нему. В ссылке на очередную таблицу EPR поле длины определяет расстояние до следующей EPR. Сборка цепочки логических дисков именно по этому полю позволяет удалять логические диски из середины цепочки, не разрывая ее.

Если расширенные разделы имеют код OFh, то линейные адреса всех элемен¬тов таблиц будут указываться относительно начала физического диска (так по¬ступает новая версия утилиты FDISK, и это более естественно, поскольку при этом описатель LBA является эквивалентом описателя CHS).

Каждый логический диск из расширенного раздела имеет ту же структуру, что и вышеописанный первичный раздел. Он также начинается с загрузочного сектора (только загрузчик никогда не исполняется), в котором имеется описа¬ние структуры логического диска. Координаты загрузочных секторов логичес¬ких дисков обычно имеют вид N, 1, 1. Операционная система назначает логичес¬ким дискам расширенных разделов имена (буквы), остающиеся после дисков первичных разделов. Так, если имеется один жесткий диск и у него есть первич¬ный и вторичный разделы, причем последний разбит на два логических диска, то мы увидим следующее:

ш С: — первичный раздел;

ш D: — первый логический диск расширенного раздела;

ш Е: — второй логический диск расширенного раздела.

Теперь если добавить второй жесткий диск (всего с одним первичным разде¬лом), то картина изменится:

ш С: — первичный раздел первого диска (остался на месте);

ш D: — первичный раздел второго диска (новый);

и Е: — первый логический диск расширенного раздела первого диска (тот,

что был D:); » F: — второй логический диск расширенного раздела первого диска (тот,

что был Е:).

Если у нового диска был бы расширенный раздел со своими логическими дисками, то они бы заняли следующие буквы (G:, Н:, ...). О механизме присвое¬ния логических имен следует помнить, устанавливая программы на компьютер, к которому эпизодически подключают дополнительные винчестеры. Незыбле¬мое имя (С:) будет только у первичного раздела винчестера, подключенного ве¬дущим к первому контроллеру АТА (если используется SCSI, то все немного сложнее).