Tooprogram.ru

Компьютерный справочник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Архитектура жесткого диска

Структура жёсткого диска

Сектора

Любой жёсткий диск можно представить как огромный «чистый лист», на который можно записывать данные и откуда потом их можно считать. Чтобы ориентироваться на диске, всё его пространство разбивают на небольшие «клеточки» — сектора. Сектор — это минимальная единица хранения данных на диске, обычно его размер составляет 512 байт. Все сектора на диске нумеруются: каждый из n секторов получает номер от 0 до n–1. Благодаря этому любая информация, записанная на диск, получает точный адрес — номера соответствующих секторов. Так что диск ещё можно представить как очень длинную строчку (ленточку) из секторов. Можете посчитать, сколько секторов на вашем диске размером в N гигабайт.

Разделы

Представлять жёсткий диск как единый «лист» не всегда бывает удобно: иногда полезно «разрезать» его на несколько независимых листов, на каждом из которых можно писать и стирать что угодно, не опасаясь повредить написанное на других листах. Логичнее всего записывать раздельно данные большей и меньшей важности или просто относящиеся к разным вещам.

Конечно, над жёстким диском следует производить не физическое, а логическое разрезание, для этого вводится понятие раздел (partition). Вся последовательность (очень длинная ленточка) секторов разрезается на несколько частей, каждая часть становится отдельным разделом. Фактически, нам не придётся ничего разрезать (да и вряд ли бы это удалось), достаточно объявить, после каких секторов на диске находятся границы разделов.

Таблица разделов

Технически разбиение диска на разделы организовано следующим образом: заранее определённая часть диска отводится под таблицу разделов, в которой и написано, как разбит диск. Стандартная таблица разделов для диска IBM-совместимого компьютера — HDPT (Hard Disk Partition Table) — располагается в конце самого первого сектора диска, после предзагрузчика (Master Boot Record, MBR) и состоит из четырёх записей вида « тип начало конец », по одной на каждый раздел. Начало и конец — это номера тех секторов диска, где начинается и заканчивается раздел. С помощью такой таблицы диск можно поделить на четыре или меньше разделов: если раздела нет, тип устанавливается в 0 .

Однако четырёх разделов редко когда бывает достаточно. Куда же помещать дополнительные поля таблицы разбиения? Создатели IBM PC предложили универсальный способ: один из четырёх основных разделов объявляется расширенным (extended partition); он, как правило, является последним и занимает всё оставшееся пространство диска.

Расширенный раздел можно разбить на подразделы тем же способом, что и весь диск: в самом начале — на этот раз не диска, а самого раздела — заводится таблица разделов, с записями для четырёх разделов, которые снова можно использовать, причём один из подразделов может быть, опять-таки, расширенным, со своими подразделами и т. д.

Разделы, упомянутые в таблице разделов диска, принято называть основными (primary partition), а все подразделы расширенных разделов — дополнительными (secondary partition). Так что основных разделов может быть не более четырёх, а дополнительных — сколько угодно.

Чтобы не усложнять эту схему, при разметке диска соблюдают два правила: во-первых, расширенных разделов в таблице разбиения диска может быть не более одного, а во-вторых, таблица разбиения расширенного раздела может содержать либо одну запись — описание дополнительного раздела, либо две — описание дополнительного раздела и описание вложенного расширенного раздела.

Тип раздела

В таблице разделов для каждого раздела указывается тип, который определяет файловую систему, которая будет содержаться в этом разделе. Каждая операционная система распознаёт определённые типы и не распознаёт другие, и, соответственно, откажется работать с разделом неизвестного типа.

Подробнее о файловых системах см. раздел Типы файловых систем.

Логические тома (LVM)

Работая с разделами, нужно учитывать, что производимые над ними действия связаны непосредственно с разметкой жёсткого диска. С одной стороны, разбиение на разделы — это наиболее традиционный для PC способ логической организации дискового пространства. Однако если в процессе работы появится потребность изменить логику разбиения диска или размеры областей (т. е. когда возникает задача масштабирования), работа с разделами не очень эффективна.

Например, при необходимости создать новый раздел или увеличить размер существующего, можно столкнуться с рядом трудностей, связанных с ограничением количества дополнительных разделов или перераспределением данных. Избежать их очень просто: нужно лишь отказаться от «привязки» данных к определённой области жёсткого диска. В Linux эта возможность реализуется при помощи менеджера логических томов (LVM — Logical Volume Manager). LVM организует дополнительный уровень абстракции между разделами с одной стороны и хранящимися на них данными с другой, выстраивая собственную иерархическую структуру.

Дисковые разделы (в терминологии LVM — физические тома) объединяются в группу томов, внутри которой создаются логические тома. Таким образом, группа томов выстраивает соответствие между физическим и логическим пространством диска.

Технологически это организуется следующим образом. Физические тома разбиваются на отдельные блоки — физические экстенты, которые объединяются в группу томов. Логические тома разбиваются на блоки такого же размера — логические экстенты. В разных группах томов размер экстента может быть различным.

Читать еще:  Недостаточно места на жестком диске

Отношения между логическими и физическими томами представлены в виде отображения логических экстентов в физические. Возможны два способа отображения — линейное и расслоённое (striped). В первом случае логические экстенты располагаются последовательно соответственно физическим, во втором поочерёдно распределяются между несколькими физическими томами.

В свою очередь, между логическим томом и группой томов возникают отношения, аналогичные таковым между разделом и жёстким диском, с отличием в уровне абстракции и, соответственно, колоссальной разнице в гибкости манипуляции. Поскольку раздел — конкретная область физического диска между двумя определёнными секторами, а том — логическая категория, принимаемая для удобства использования дискового пространства, производить манипуляции со вторым значительно проще. Можно свободно перераспределять логические тома внутри группы, изменять их размер, увеличивать размер группы томов за счёт внесения в неё нового раздела (только при линейном отображении) и многое другое.

Дисковые массивы (RAID)

Иногда обычной производительности жёсткого диска может не хватать. В случаях, когда во главу угла ставится скорость работы с данными (скорость записи и чтения) или надёжность их хранения, используется технология RAID (Redundant array of independent disks — избыточный массив независимых дисков). Технология RAID позволяет объединять несколько физических дисковых устройств (жёстких дисков или разделов на них) в дисковый массив. Диски, входящие в массив, управляются централизованно и представлены в системе как одно логическое устройство, подходящее для организации на нём единой файловой системы.

Существует два способа реализации RAID: аппаратный и программный. Аппаратный дисковый массив состоит из нескольких жёстких дисков, управляемых при помощи специальной платы контроллера RAID-массива. Программный RAID в Linux-системах (Linux Software RAID) реализуется при помощи специального драйвера (Multiple Device driver — драйвер MD-устройства). В программный массив организуются дисковые разделы, которые могут занимать как весь диск, так и его часть, а управление осуществляется посредством специальных утилит ( mdadm ).

Программные RAID-массивы, как правило, менее надежды, чем аппаратные, но обеспечивают более высокую скорость работы с данными (производительность процессора и системной шины обычно намного выше, чем у любого дискового контроллера). Также их преимущество по сравнению с аппаратными массивами: независимость от форматов данных на диске и как следствие — большая совместимость с различными типами и размерами дисков и их разделов. Использование программного RAID также позволяет сэкономить на покупке дополнительного оборудования. Однако обратной стороной медали станет увеличение нагрузки на процессор и системную шину, это следует иметь в виду, принимая решение об использовании программного RAID.

Уровни RAID

Существует несколько разновидностей RAID-массивов, так называемых уровней. В Linux поддерживаются следующие уровни программных RAID-массивов.

RAID0

Для создания массива этого уровня понадобится как минимум два диска одинакового размера. Запись осуществляется по принципу чередования: данные делятся на чанки (chunk) — порции данных одинакового размера, и поочерёдно распределяются по всем дискам, входящим в массив. Поскольку запись ведётся на все диски, при отказе одного из них будут утрачены все хранившиеся на массиве данные. Это цена выбора в пользу увеличения скорости работы с данными: запись и чтение на разных дисках происходит параллельно и, соответственно, быстрее.

RAID1

Массивы этого уровня построены по принципу зеркалирования, при котором все данные, записанные на одном диске, дублируются на другом. Для создания такого массива потребуется два или более дисков одинакового размера. Избыточность обеспечивает отказоустойчивость массива: в случае выхода из строя одного из дисков, данные на другом остаются неповреждёнными. Расплата за надёжность — фактическое сокращение дискового пространства вдвое. Скорость чтения и записи остаются на уровне обычного жёсткого диска.

RAID4

В массивах RAID4 реализован принцип чётности, объединяющий технологии чередования и зеркалирования. Один из трёх (или из большего числа) дисков задействуется для хранения информации о чётности в виде суперблоков с контрольными суммами блоков данных, последовательно распределённых на остальных дисках (как в RAID0). Достоинства этого уровня — отказоустойчивость уровня RAID1 при меньшей избыточности (из скольких бы дисков не состоял массив, под контрольную информацию задействуется лишь один из них). При отказе одного из дисков утраченные данные можно будет восстановить из контрольных суперблоков, причём, если в составе массива есть резервный диск, реконструкция данных начнётся автоматически. Очевидным недостатком, однако, является снижение скорости записи, поскольку информацию о чётности приходится высчитывать при каждой новой записи на диск.

RAID5

Этот уровень аналогичен RAID4, за тем исключением, что суперблоки с информацией о чётности располагаются не на отдельном диске, а равномерно распределяются по всем дискам массива вместе с блоками данных. Как результат — повышение скорости работы с данными и высокая отказоустойчивость.

Массивы всех уровней помимо блоков данных и суперблоков с контрольными суммами могут также содержать специальный суперблок (persistent superblock), который располагается в начале всех дисков массива и содержит информацию о конфигурации MD-устройства. Наличие отдельного суперблока позволяет ядру операционной системы получать информацию о конфигурации устройства RAID прямо с дисков, а не из конфигурационного файла, что может быть полезным, если файл по каким-то причинам перестанет быть доступным. Кроме того, наличие отдельного суперблока — необходимое условие автоопределения RAID-устройств при загрузке системы.

Читать еще:  Накопители на жестких магнитных дисках нжмд

Более подробная информация о RAID

Более подробную информацию можно найти в документации и статьях, посвящённых RAID:

Архитектура компьютера: жесткие диски

Производители жестких дисков и их классификация. Повышение плотности записи на винчестере. Дисковые массивы, некоторые аспекты реализации RAID-систем. Файловые системы FAT 16, FAT 32, NTFS. Диски со встроенным шифрованием. Форматирование жесткого диска.

РубрикаПрограммирование, компьютеры и кибернетика
Видкнига
Языкрусский
Дата добавления10.09.2013
Размер файла2,4 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Внутреннее устройство большинства дисковых накопителей. Форматирование жесткого магнитного диска (винчестера). Физическая архитектура и логическая структура дисковых накопителей. Функции файловой системы. Физические и логические параметры жестких дисков.

реферат [825,7 K], добавлен 19.02.2011

Форматирование диска на низком уровне, создание физических структур: треков, секторов, управляющей информации. Разбиение объема винчестера на логические диски. Высокоуровневое форматирование, запись логических структур, ответственных за хранение файлов.

статья [15,0 K], добавлен 05.04.2010

Современные внешние жесткие диски. Основные характеристики винчестера. Скорость вращения шпинделя. Скорость передачи данных при последовательном доступе. Состав и основные компоненты прибора. Установка и техническое обслуживание жесткого диска.

курсовая работа [728,1 K], добавлен 13.06.2012

Дисковые устройства ПК. Виды и характеристика. Сравнительные характеристики дисковых накопителей. Флэш-диски. EXCEL. Форматирование ячеек. Шрифты и форматирование текста. Форматирование числовых данных в ячейках. Применение условного форматирования.

контрольная работа [44,9 K], добавлен 17.01.2008

Особенности интерфейса IDE. Основная функция контроллера накопителя и его разновидности. Двухдисковая конфигурация, подключение HDD. Описание разъема шлейфа данных и питания в устройствах SATA. Устройство жесткого диска. Специфика записи данных на него.

презентация [830,0 K], добавлен 27.08.2013

Файловая система NTFS, информация о файлах и каталогах тома. Основная файловая таблица MTF, файлы метаданных NTFS (журнал, файл тома, загрузочный файл). Форматирование высокого уровня. Интерфейсы АТАРI и SCSI. Параметры параллельной шины ввода-вывода.

презентация [34,4 K], добавлен 27.08.2013

Технические характеристики 18 моделей винчестеров с плотностью записи 20 GB на пластину и выше. Тестирование жестких дисков EIDE. Текущая линейка жестких дисков для настольных систем различных производителей (Fujitsu, IBM, Seagate, Maxtor, WD, Samsung).

реферат [1,0 M], добавлен 03.05.2010

Электронные устройства памяти для хранения информации. Постоянные магнитные запоминающие устройства компьютера. Гибкие и жесткие диски, стримеры, лазерные компакт-диски. Файловая система хранения информации в компьютерах. Виды компьютерных преступлений.

контрольная работа [28,5 K], добавлен 12.02.2010

Анализ компьютерных устройств для хранения информации: винчестеры, компакт-диски, DVD (цифровой многоцелевой диск), HD DVD (DVD высокой четкости), голографические многоцелевые диски, минидиски (MD), а также устройства для записи компакт-дисков.

реферат [27,0 K], добавлен 23.09.2008

Физическая и логическая структура жёстких дисков персонального компьютера. Методы организации файлов. Процесс форматирования жёсткого диска. Разработка программы, реализующей функции файлового обмена, чтения и записи с образом файловой системы FAT16.

курсовая работа [166,3 K], добавлен 09.06.2015

Жесткий диск изнутри — логическая структура, что такое адресация и разметка

С внутренним устройством жёсткого диска HDD знакомы многие пользователи, включая тех, которым никогда не приходилось вскрывать гермоблок. Благо, это и не нужно, ведь на этот счёт в интернете имеется масса информации. А вот как именно устроена логическая структура диска знают лишь немногие. Физически жёсткий диск HDD представляет собой несколько закрепленных на центральном шпинделе магнитных пластин, имеющих особую «нарезку», именуемую треками.

Информация считывается и записывается на них в виде нулей и единиц, и в этом есть некая аналогия тому, как музыка записывается на старые виниловые пластинки.

Только вот в случае с жёсткими дисками всё намного сложнее. Как компьютер определяет, в каком месте диска лежит какой файл? Каким образом достигается отказоустойчивость, благодаря которой мы можем переустанавливать операционную систему, не затрагивая пользовательские файлы? Это было бы едва возможно, если бы данные не хранились на диске в упорядоченном виде. Тема логической структуры HDD-диска настолько глубока и обширна, что рассмотреть её в рамках одной статьи не представляется возможным, поэтому сегодня мы коснёмся только двух её самых важных аспектов — адресации и разметки.

Адресация жесткого диска

Поскольку данные записываются на диск в виде некой последовательности байтов, логично было бы предположить, что при поиске нужного файла считывающая головка пробегает диск от начала до конца. На самом деле ничего подобного не происходит , иначе чтение и запись производились бы очень медленно, а нагрузка на диск была бы просто огромной. И так бы оно и было, если бы в компьютерах не использовалась такая полезная штука как адресация.

Читать еще:  Жесткий диск не показывает полный объем

Первый механизм адресации, который использовался в ранних моделях жёстких дисков назывался CHS, что расшифровывалось как Cylinder, Head, Sectorцилиндр, головка, сектор. Что такое головка и сектор, надеемся, вам понятно. Под цилиндром же нужно понимать совокупность круговых дорожек одинакового радиуса на всех магнитных поверхностях пластин одного накопителя.

По сути, CHS это ничто иное, как трёхмерная система координат, где Cylinder это номер дорожки на поверхности диска, Head — номер считывающей головки, а Sector — номер конкретного сектора. Когда компьютеру нужно было прочитать некий файл, он делал запрос в формате CHS, и считывающая головка переходила как раз в нужный сектор, в котором этот файл был записан.

Очевидный минус технологии CHS заключался в поддержке дисков весьма ограниченного объёма, так как на низком уровне под адресацию изначально выделялось немного памяти. Максимальный объём диска с CHS не мог превышать 508 Мб. Поэтому, когда появились более объёмные диски, возникла нужда в новых механизмах адресации. Последующие механизмы адресации были основаны на CHS и представляли собой его расширенную версию.

Настоящим прорывом стал LBA (Logical block addressing), не нуждающийся в учёте геометрии жёсткого диска, вместо этого всем секторам от самого первого (нулевого) до самого последнего присваивался свой порядковый номер, служащий идентификатором. При этом под адресацию выделялось гораздо больше памяти. В общем, максимальный объём жёсткого диска, с которым может работать LBA составляет 128 Пиб , что намного больше объёма любых современных дисков, используемых в персональных компьютерах.

Разметка жёсткого диска

С адресацией всё более-менее ясно, теперь давайте перейдём к другому важному понятию — разметке жёсткого диска. Разметка — это разделение общего пространства диска на логические разделы иначе партиции, которые могут быть видны в операционной системе. Зачем вообще нужно такое разделение? Во-первых, это позволяет разграничивать загрузочные, системные и пользовательские файлы, во-вторых, использовать на каждом из разделов свой тип файловой системы, в-третьих — устанавливать на один ПК несколько разных операционных систем.

Существует две основных схемы разбиения на партиции. Самой распространённой является MBR. Называется она так потому, что в первых физических секторах жёсткого диска этого типа размещается особая область, содержащая загрузочный код и таблицу разделов. Эта область ещё именуется главной загрузочной записью, что на английском языке звучит как master boot record или сокращённо MBR.

Эта область диска не является ни одним из логических разделов, и она не доступна для просмотра средствами операционной системы. Загрузочный код передаёт управление компьютером системному разделу, а таблица разделов указывает, где именно начинается и заканчивается тот или иной логический раздел. Основной недостаток MBR заключается в том, что отводимая под него область диска является фиксированной , а это значит, что в него можно записать ограниченное количество информации. В свою очередь это становится следствием других ограничений, а именно:

• На MBR-диске нельзя создать более четырёх логических Primary-разделов (ограничение условно снимается посредством создания extended-партиции).
• Каким бы объёмным ни был диск, пользователю будет доступно только 2 Терабайта.

Менее распространённой, но зато более новой и надёжной схемой является GPT или GUID Partition Table. Если посмотреть на схематическое изображение GPT-диска, то можно увидеть, что его структура очень похожа на структуру диска MBR, но это сходство весьма условное. Приходящаяся на нулевой сектор область называется Protection MBR, и назначение её несколько иное, чем обычной MBR. Служит она для защиты схемы GPT от перезаписи утилитами, которые не понимают GPT. Если такой утилите «показать» GPT-диск, то благодаря Protection MBR она определит его как MBR-диск, на котором отсутствует свободное пространство. Следовательно, перезаписать она его уже не сможет.

В будущем, когда MBR уйдёт в прошлое, возможно, в Protection MBR больше не будет надобности, ведь процесс загрузки с GPT-дисков в EFI происходит несколько иначе. Помимо области Protection MBR, на GPT-дисках имеется другая область, именуемая GU >неограниченное количество логических разделов. Ограничения тут могут быть только на уровне операционной системы. Например, Windows не может работать с более чем с 128 партициями.

Другим важным отличием GPT-дисков является резервирование загрузочных данных и сведений о таблице разделов. Если в MBR-дисках они хранятся в одном месте — в первых физических секторах, то в дисках с разметкой GPT они могут храниться где-то ещё, но уже в виде копий. Если основные данные окажутся повреждены, механизм GPT восстановит их из бекапа. В MBR же это привело бы к невозможности загрузки компьютера или «потере» разделов, а вместе с ними и записанных данных.

И наконец, разметка GPT позволяет работать с дисками объёмом больше 2 Тб.

На этом пока всё. В следующий раз мы продолжим знакомится с логической структурой жестких дисков. В частности, вы узнаете, чем отличаются обычные диски от динамических, где последние применяются, а также что представляет собой файловая система.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector