5. Жёсткий диск

5.1. Устройство накопителя жесткого диска (hdd) и адресация элементов дискового пространства

Схема устройства накопителя на жёстком диске показана на рис. 5.1. Два носителя информации, имеющие форму дисков, помещены на шпиндель, который вращается с высокой скоростью. Рабочие поверхности носителей покрыты намагничивающимся материалом. Они пронумерованы, нумерация ведётся с нуля. На рис. 5.1 носители имеют четыре рабочих поверхности с номерами 0 – 3. Запись и чтение информации осуществляется головками чтения/записи, которые вследствие высокой скорости вращения парят над поверхностями на воздушной подушке. Позиционирование головок относительно поверхностей носителей производится перемещением основания головок специальными механизмами перемещения головок.

Рис. 5.1. Схема устройства накопителя на жёстком диске

На поверхности носителей нанесены концентрические дорожки, которые разбиты на секторы. Эта разбивка сделана потому, что на дорожке помещается слишком много информации для одной операции чтения/записи данных. Множество дорожек одинакового диаметра называются цилиндрами, а несколько подряд идущих секторов на дорожке называются кластерами. Кластеры на части при записи файлов не делятся, поэтому часть дискового пространства пропадает из-за того, что файл может не заполнять кластер целиком. Кластер явля­ется минимально адресуемой частью дискового пространства.

Для обращения к кластерам, секторам и блокам данных имеется две системы физических адресов элементов дискового пространства: CHS и LBA. В системе CHS координатами сектора являются: номер цилиндра (Cylinder), номер рабочей поверхности носителей (Нead), он же номер дорожки в цилиндре, номер сектора на дорожке (Sector).

В системе LBA (Logical Block Addressing) используется линейная адресацию секторов, начиная с сектора 1, головки 0, цилиндра 0 и заканчивая последним физическим сектором диска. Адрес начального сектора диска обозначается как LBA 0. Номер сектора в системе LBA определяется выражением:

LBA = (СхH_max + H)xSmax + S – 1

где С, H, S – координаты сектора в системе CHS, H_max – общее количество рабочих поверхностей дисков, S_max – число секторов на дорожке.

5.2. Логическая структура диска

Дорожки, секторы и кластеры являются понятиями, относящимися к физической структуре диска. Однако пользователю удобнее работать с диском на логическом уровне, т.е. иметь дело с именованными элементами дискового пространства вместо численных адресов секторов и кластеров. Структура диска, описанная таким образом, называется логической. Схематически логическая структура диска [1] показана на рис. 5.2. Жирный прямоугольник в центре рисунка изображает дисковое пространство реального физического устройства. Оно разбито на разделы (Partition). Разделы бывают первичные (Primery) и расширенные (Extended). На диске может быть только один расширенный раздел, который в свою очередь может быть разбит на разделы. На всех разделах создаются логические диски¹. На рис. 5.2 показаны один первичный раздел с логическим диском С: и расширенный раздел с логическими дисками D: и Е:. Один из разделов всегда активен, остальные – пассивны.

Г лавная таблица разделов
А дрес первичного раздела А дрес расширенного раздела Прочая информация NBS и Системный загрузчик		Загрузочный сектор диска С:		Первичный раздел с логическим диском С:
		Master Boot Record
Л огический диск D:		Загрузочный сектор диска D:
А дрес таблицы для диска E: Прочая информация Системный загрузчик
		Secondary Master Boot Record
				Расширенный раздел с логическими дисками D: и Е:
Л огический диск Е:		Загрузочный сектор диска Е:
0 – конец цепочки Прочая информация Системный загрузчик
		Secondary Master Boot Record
		Нераспределённое дисковое пространство

Рис. 5.2. Разделы жёсткого диска

На первом секторе каждого диска создаётся загрузочная запись Master Boot Record для логического диска первичного раздела и Secondary Master Boot Record для каждого логического диска расширенного раздела. На первом секторе логического диска С: располагается также специальная программа, которая называется внесистемным загрузчиком Non-Systeb Bootstrap (NSB). На любом из логических дисков может быть установлена операционная система.

Содержимое загрузочных записей логического диска показано в левой части рисунка. В этих записях содержатся главная и последующие таблицы разделов. Важнейшей информацией в этих таблицах являются:

• флаг активности раздела;

• номер головки начала раздела;

• номера сектора и цилиндра загрузочного сектора раздела (адрес начала раздела);

• кодовый идентификатор² операционной системы (например, 006h для FAT16);

• номер головки конца раздела;

• номера сектора и цилиндра последнего сектора раздела (адрес конца раздела);

• младшее и старшее двухбайтовые слова относительного номера начального сектора раздела;

• младшее и старшее двухбайтовые слова размера раздела в секторах.

При старте операционной системы в оперативную память автоматически загружается загрузочный сектор диска С:, и управление передаётся внесистемному загрузчику NBS, который выявляет активный раздел и с него производит загрузку операционной системы посредством системного загрузчика. Адреса начал логических дисков D:, E: и т.д. операционная система определяет по адресу конца раздела предшествующего диска. При установке на диск нескольких операционных систем выбор загружаемой системы осуществляется менеджером загрузки.