Архітектура комп'ютерів

Логічний пристрій твердих  дисків

Твердий диск, як і всякий інший  блоковий пристрій, зберігає інформацію фіксованими порціями, що називаються  блоками. Блок є найменшою порцією даних, що має унікальну адресу на твердому диску. Для того щоб  чи прочитати записати потрібну інформацію в потрібне місце, необхідно представити адреса блоку як параметр команди, видаваної контролеру твердого диска. Розмір блоку вже досить віддавна   є стандартним для усіх твердих дисків – 512 байт.

НА жаль, досить часто відбувається плутанина між такими поняттями  як "сектор", "кластер" і "блок". Фактично, між "блоком" і "сектором" різниці немає. Правда, одне поняття  логічне, а друге топологічне. "Кластер" – це кілька секторів, розглянутих операційною системою як одне ціле. Чому не відмовилися від простої роботи із секторами? Відповім. Перехід до кластерів відбувся тому, що розмір таблиці FAT був обмежений, а розмір диска збільшувався. У випадку FAT16 для диска обсягом 512 Мб кластер буде складати 8 Кб, до 1 Гб – 16 Кб, до 2 Гб – 32 Кб і так далі.

Для того щоб однозначно адресувати блок даних, необхідно указати всі  три числа (номер циліндра, номер  сектора на доріжці, номер голівки). Такий спосіб адресації диска  був широко розповсюджений і одержав згодом позначення абревіатурою CHS (cylіnder, head, sector). Саме цей спосіб був спочатку реалізований у BІOS, тому згодом виникли обмеження, зв'язані з ним. Справа в тім, що BІOS визначив розрядну сітку адрес на 63 сектори, 1024 циліндра і 255 голівок. Однак розвиток твердих дисків у той час обмежилося використанням лише 16 голівок у зв'язку зі складністю виготовлення. Звідси з'явилося перше обмеження на максимально припустиму для адресації ємність твердого диска: 1024*16*63*512 = 504Mb.

Згодом, виробники стали робити HDD більшого розміру. Відповідно число циліндрів на них перевищило 1024, максимально припустиме число циліндрів (з погляду  старих BІOS). Однак, адресуемая частина диска продовжувала дорівнювати 504 Мбайтам, за умови, що звертання до диска велося засобами BІOS. Це обмеження згодом  було знято введенням так називаного механізму трансляції адрес, про яке трохи нижче.

Проблеми, що виникли з обмеженістю BІOS по частині фізичної геометрії  дисків, привели зрештою   до появи  нового способу адресації блоків на диску. Цей спосіб досить простий. Блоки на диску описуються одним параметром – лінійною адресою блоку. Адресація диска лінійно одержала абревіатуру LBA (logіcal block addressіng). Лінійна адреса блоку однозначно зв'язаний з його CHS адресою:

lba = (cyl*HEADS + head)*SECTORS + (sector-1);

Уведення підтримки лінійної адресації  в контролери твердих дисків дало можливість BіOS'aм зайнятися трансляцією  адрес. Суть цього методу полягає  в тому, що якщо в приведеній вище формулі збільшити параметр HEADS, те буде потрібно менше циліндрів, щоб адресувати та ж сама кількість блоків диска. Але зате буде потрібно більше голівок. Однак теголівкте саме  використовувалося всего 16 з 255. Тому BіOS'ы стали переводити надлишкові циліндри в голівки, зменшуючи число одних і збільшуючи число інших. Це дозволило їм використовувати розрядну сітку голівок цілком. Це відсунуло границю адресуемого BіOS'ом дискового простору до 8Gb.

Не можна не сказати кілька слів і про Large Mode. Цей режим роботи призначений для роботи твердих дисків обсягом до 1 Гб. У Large Mode кількість логічних голівок збільшується до 32, а кількість логічних циліндрів зменшується вдвічі. При цьому звертання до логічних голівок 0..F транслюються в парні фізичні циліндри, а звертання до голівок 10..1F – у непарні. Вінчестер, розмічений у режимі LBA, несумісний з режимом Large, і навпаки.

Подальше збільшення адресуемых обсягів  диска з використанням колишніх сервисов BІOS стало принципово неможливим. Дійсно, усі параметри задіяні  по максимальній "планці" (63 сектора, 1024 циліндра і 255 голівок). Тоді був розроблений новий розширений інтерфейс BІOS, що враховує можливість дуже великих адрес блоків. Однак цей інтерфейс уже не сполучимо з колишнім, унаслідок чого старі операційні системи, такі як DOS, що користаються старими інтерфейсами BІOS, не змогли і не зможуть переступити границі в 8GB. Практично всі сучасні системи вже не користаються BіOS'ом, а використовують власні драйвера для роботи з дисками. Тому дане обмеження на них не поширюється. Але варто розуміти, що перш ніж система зможе використовувати власний драйвер, вона повинна як мінімум його завантажити. Тому на етапі початкового завантаження будь-яка система змушена користатися BіOS'ом. Це і викликає обмеження на розміщення багатьох систем за межами 8GB, вони не можуть відтіля завантажуватися, але можуть читати і писати інформацію (наприклад, DOS який працює з диском через BІOS).

Розділи, чи Partіtіons

Звернемося тепер до розміщення операційних систем на твердих дисках. Для організації систем дисковий адресний простір блоків розділяється на частині, називані розділами (partіtіons). Розділи цілком подібні цілому диску в тім, що вони складаються із суміжних блоків. Завдяки такій організації для опису роздягнула досить указівки початку роздягнула і його довжини в блоках. Твердий диск може містити чотири первинних роздягнула.

Під час завантаження комп'ютера, BІOS завантажує перший сектор головного  розділу (завантажувальний сектор) за адресою 0000h:7C00h і передає йому керування. НА початку цього сектора розташований завантажник (завантажувальний код), що прочитує таблицю розділів і визначає  розділ, що завантажується, (активний). А далі усе повторюється. Тобто  він завантажує завантажувальний сектор цього розділу на цю же адресу і знову передає йому керування.

Розділи є контейнерами усього свого  вмісту. Цим умістом є, як правило, файлова система. Під файловою системою з погляду  диска розуміється  система розмітки блоків для збереження файлів. Після того, як на розділі  створені файлова система й у  ній розміщені файли операційної системи, розділ може стати що завантажується.  Розділ, що завантажується, має у своєму першому блоці невелику програму, що робить завантаження операційної системи. Однак для завантаження визначеної системи потрібно явно запустити її завантажувальну програму з першого блоку. ПРО те, як це відбувається, буде розказано трохи нижче.

Розділи з файловими системами  не повинні перетинатися. Це зв'язано  з тим, що дві різні файлові  системи мають кожна своє представлення  про розміщення файлів, але коли це розміщення приходиться на те саме   фізичне місце на диску, між файловими системами виникає конфлікт. Цей конфлікт виникає не відразу, а лише в міру того, як файли починають розміщатися в тім місці диска, де розділи перетинаються. Тому варто уважно відноситися до поділу диска на розділи.

Саме по собі перетинання розділів не небезпечно. Небезпечно саме розміщення декількох файлових систем на пересічних розділах. Розмітка диска на розділи  ще не означає створення файлових систем. Однак, уже сама спроба створення порожньої файлової системи (тобто  форматування), на одному з пересічних розділів може привести до виникнення помилок у файловій системі іншого розділу. Усе сказане відноситься в однаковому ступені до всіх операційних систем, а не тільки самим популярної.

Диск розбивається на розділи програмним шляхом. Тобто , Ви можете створити довільну конфігурацію розділів. Інформація про  розбивку диска зберігається в найпершому  блоці твердого диска, називаним  головним завантажувальним записом (Master Boot Record (MBR)).

MBR

MBR є основним засобом завантаження  з твердого диска, підтримуваним  BІOS. Для наочності представимо  вміст завантажувальної області  у виді схеми.

 Усі те що знаходиться  по зсуві 01Beh–01FDh називається таблицею розділів. Ви бачите, що в ній чотири розділи. Тільки один з чотирьох розділів має право бути позначеним як активний, що буде означати, що програма завантаження повинна завантажити в пам'ять перший сектор саме цього розділу і передати туди керування. Останні два байти MBR повинні містити число 0xAA55. По наявності цієї сигнатури BІOS перевіряє, що перший блок була завантажена успішно. Сигнатура ця обрана не випадково. Її успішна перевірка дозволяє установити, що всі лінії даних можуть передавати і нулі, і одиниці.

Програма завантаження переглядає таблицю розділів, вибирає з них  активний, завантажує перший блок цього  розділу і передає туди керування.

Давайте подивимося як улаштований дескриптор роздягнула:

З погляду  розділів диска найбільш популярної донедавна   була і  залишається MS-DOS. Вона забирає у  своє користування два з чотирьох розділів: Prіmary DOS partіtіon, Extended DOS partіtіon. Перший з них, (prіmary) це звичайний  досовый диск C:. Другий – це контейнер логічних дисків. Вони усі знаходяться там у виді ланцюжка підрозділів, що так і іменуються: D:, E:, ... Логічні диски можуть мати і сторонні файлові системи, відмінні від файлової системи DOS. Однак, як правило, инородность файлової системи зв'язана присутністю ще однієї операційної системи, що, узагалі говорячи, варто було б помістити у свій власний розділ (не extended DOS), але для таких витівок часто виявляється занадто маленької таблиця розділів.

Відзначимо ще одну важливу обставину. Коли на чистий твердий диск установлюється DOS, те при завантаженні немає ніяких альтернатив у виборі операційних систем. Тому завантажник виглядає дуже примітивно, йому не треба запитувати в користувача, яку систему той хоче завантажити. З бажанням мати відразу кілька систем виникає необхідність заводити програму, що дозволяє вибирати систему для завантаження.

Пристрій CD-ROM.

Диски CD-ROM (Compact Dіsk Read Only Memory) мають  ємність до 3 Гб, високою надійністю збереження інформації, довговічністю (прогнозований термін його служби при якісному виконанні – до 30-50 років). Діаметр диска може бути як 5,25 дюйма, так і 3,5. Процес виготовлення складається з декількох етапів. Спочатку підготовляють інформацію для майстра-диска (першого зразка), виготовляють його і матрицю тиражування. Принцип запису і зчитування – оптичний. Закодована інформація наноситься на майстра-диск лазерним променем, що створює на його поверхні мікроскопічні западини, поділювані плоскими ділянками. Цифрова інформація представляється чергуванням западин (невідображаючих плям) і   острівців, що відбивають світло. Копії негатива майстер-диск (матриці) використовуються для пресування самих компакт-дисків. Тиражируемый компакт-диск складається з полікарбонатної основи, що відбиває і захисного шарів. У якостей  поверхні, що відбиває, звичайно використовується тонко напиленный алюміній. НА відміну від магнітних дисків, доріжки яких являють собою концентричні окружності, CD-ROM має всего одну фізичну доріжку у формі спирали, що йде від зовнішнього краю диска до внутрішнього.

Зчитування інформації з компакт-диску  відбувається за допомогою лазерного  променя, що, потрапляючи на  світло, що відбиває, острівець, відхиляється на фотодетектор, що інтерпретує його як двоичную одиницю. Л лазера, що попадає в западину, розсіюється і поглинається – фотодетектор фіксує двоичный нуль.

У той час як усі магнітні диски  обертаються з постійним числом оборотів у хвилину, тобто  з незмінною  кутовою швидкістю, CD-ROM обертається  звичайно з перемінною кутовою швидкістю, щоб забезпечити постійну лінійну швидкість при читанні. Таким чином, читання внутрішніх секторів здійснюється при більшому числі оборотів, чим читання зовнішніх. Саме цим порозумівається досить низька швидкість доступу до даних для CD-ROM (від 150 до 400 мс при швидкості обертання до 4500 про/хв) у порівнянні, наприклад, з вінчестером.

Швидкість передачі даних, обумовлена швидкістю обертання диска і  щільністю записаних на ньому  даних, складає не менш 150 Кб/з і  доходить до 1,2 Мб/с.

Для завантаження компакт-диску в дисковод використовується або один з різновидів висувної панелі, або спеціальна прозора касета. Випускають пристрою в зовнішнім виконанні, що дозволяють самостійно записувати спеціальні компакт-диски. НА відміну від звичайних, дані диски мають шар, що відбиває, із золота. Це так називані перезаписувані СО-Р. Подібні диски звичайно служать як майстри-диски для подальшого  чи тиражування створення архівів.

Резерв підвищення ємність-підвищення щільності запису шляхом зменшення  довжини хвилі лазера. Так з'явилися компакт-диски, здатні зберігати майже 4,7 Гб інформації на одній стороні і 10 Гб - на двох сторонах. Планується також створення двошарової схеми запису, тобто  коли на одній стороні носія будуть дві рознесені по глибині поверхні з записаними даними. У цьому випадку інформаційна ємність компакт-диску зростає до 8,5 Гб на одній стороні.

Одним із самих життєздатних пристроїв, призначених для збереження даних, можуть виявитися магнитооптические  диски. Справа в тім, що З-РОМ зручні для збереження інформації, а в роботі з нею вони виявляються повільніше, ніж тверді магнітні диски. Тому звичайно з компакт-дисків інформацію переписують на МД, з яким і працюють. Така система не годить, якщо робота зв'язана з базами даних, що через велику інформаційну ємність саме  вигідніше розміщати на         Диски CD-ROM (Compact Dіsk Read Only Memory) мають ємність до 3 Гб, високою надійністю збереження інформації, довговічністю (прогнозований термін його служби при якісному виконанні – до 30-50 років). Діаметр диска може бути як 5,25 дюйма, так і 3,5. Процес виготовлення складається з декількох етапів. Спочатку підготовляють інформацію для майстра-диска (першого зразка), виготовляють його і матрицю тиражування. Принцип запису і зчитування – оптичний. Закодована інформація наноситься на майстра-диск лазерним променем, що створює на його поверхні мікроскопічні западини, поділювані плоскими ділянками. Цифрова інформація представляється чергуванням западин (невідображаючих плям) і   острівців, що відбивають світло. Копії негатива майстер-диск (матриці) використовуються для пресування самих компакт-дисків. Тиражируемый компакт-диск складається з полікарбонатної основи, що відбиває і захисного шарів. У якостей  поверхні, що відбиває, звичайно використовується тонко напиленный алюміній. НА відміну від магнітних дисків, доріжки яких являють собою концентричні окружності, CD-ROM має всего одну фізичну доріжку у формі спирали, що йде від зовнішнього краю диска до внутрішнього.

Зчитування інформації з компакт-диску відбувається за допомогою лазерного променя, що, потрапляючи на  світло, що відбиває, острівець, відхиляється на фотодетектор, що інтерпретує його як двоичную одиницю. Л лазера, що попадає в западину, розсіюється і поглинається – фотодетектор фіксує двоичный нуль.