Будова жорсткого диска

Жорсткий магнітний диск (будова, функціонування,INT13h)

Основним пристроєм зберігання інформації у комп'ютерній системі є жорсткий диск. Великий обсяг і енергонезалежність зробили його найбільш придатним для зберігання програм і даних.

Повна назва жорсткого диска — НЖМД — накопичувач на жорстких магнітних дисках. Іноді його ще називають вінчестером. Існує легенда, яка пояснює, чому за жорсткими дисками закріпилася така вигадлива назва. Перший жорсткий диск, випущений в Америці на початку 70-х років, мав об'єм на ЗО МБ інформації на кожній робочій поверхні. У ті самі часи широко відома знову ж таки в Америці магазинна гвинтівка О. Ф. Вінчестера мала калібр — 0.30. Напевно, перший вінчестер гуркотів під час роботи, як автомат, або порохом від нього пахло, але з того часу жорсткі диски почали називати вінчестерами.

Накопичувач на жорсткому диску зовні являє собою міцний металевий корпус. Він абсолютно герметичний і захищає дисковод від часточок пилу, які, потрапивши у вузький зазор між головкою й поверхнею диска, можуть пошкодити чутливий магнітний шар і вивести диск із ладу. Крім того, корпус екранує накопичувач від електромагнітних перешкод.

Усередині корпуса знаходяться всі механізми і деякі електронні вузли.

Механізми — це самі диски, на яких зберігається інформація, головки, що записують і зчитують інформацію з дисків, а також двигуни, що рухають весь пристрій.

Диск —це кругла металева пластина з дуже рівною поверхнею, вкрита тонким феромагнітним шаром. У багатьох накопичувачах використовується шар оксиду заліза (яким вкривається звичайна магнітна стрічка), але новітні моделі жорстких дисків працюють із шаром кобальту завтовшки приблизно в десять мікронів. Таке покриття більш міцне і, крім того, дозволяє значно збільшити Щільність запису. Технологія його нанесення близька до тієї, що використовується при виробництві інтегральних мікросхем.

Кількість дисків може бути різною — від одного до п'яти, кількість робочих поверхонь, відповідно, удвічі більшою (по дві на кожному диску). Останнє (як і матеріал, використаний для магнітного покриття) визначає об’єм жорсткого диска. Іноді зовнішні поверхні крайніх дисків (або одного з них) не використовуються, що дозволяє зменшити висоту накопичувача, але при цьому кількість робочих поверхонь зменшується й може виявитися непарною.

Магнітні головки зчитують і записують інформацію на диски. Принцип запису загалом схожий на той, що використовується у звичайному магнітофоні. Цифрова інформація перетворюється на змінний електричний струм, що надходить на магнітну головку, а потім передається на магнітний диск, але вже у вигляді магнітного поля, яке диск може сприйняти і «запам'ятати».

Магнітне покриття диска являє собою безліч дрібних областей довільної (спонтанної) намагніченості. Для наочності уявіть собі, що диск вкритий шаром дуже маленьких стрілок від компаса, спрямованих у різні сторони. Такі частинки-стрілки називаються доменами. Під впливом зовнішнього магнітного поля власні магнітні поля доменів орієнтуються відповідно до його напрямку. \ Після припинення дії зовнішнього поля на поверхні диска утворюються зони 1 залишкової намагніченості. У такий спосіб зберігається записана на диск інформація. Ділянки залишкової намагніченості, опинившись при обертанні диска І напроти зазору магнітної головки, викликають у ній електрорушійну силу, яка змінюється в залежності від величини намагніченості. Пакет дисків, змонтований на осі-шпинделі, рухається спеціальним двигуном, компактно розташованим під ним. Швидкість обертання дисків, як правило, складає 5400 об/хв, хоча існують диски і зі швидкістю обертання 7200, 10000 і навіть 15000 об/хв. Для того щоб скоротити час виходу накопичувача в робочий стан, двигун при вмиканні якийсь час працює у форсованому режимі. Тому джерело живлення комп'ютера повинно мати запас пікової потужності.

Тепер про роботу головок. Вони переміщаються за допомогою прецизійного крокового двигуна і ніби «пливуть» на відстані в частки мікрона від поверхні диска, не торкаючись його. На поверхні дисків у результаті запису інформації утворюються намагнічені ділянки, у формі концентричних кіл. Вони називаються магнітними доріжками. Переміщаючись, головки зупиняються над кожною наступною доріжкою. Сукупність доріжок, розташованих одна під одною на всіх поверхнях, називають циліндром. Усі головки накопичувача перемішаються одночасно, здійснюючи доступ до однойменних циліндрів з однаковими номерами.

Для того щоб обмінюватися даними з комп'ютером, жорсткий диск підключений кабелями управління, за допомогою яких передаються команди диску й дані.

Зберігання інформації

Зберігання і читання даних з диска вимагає взаємодії між операційною системою, контролером жорсткого диска й електронними й механічними компонентами самого нагромаджувача. Операційна система поміщає дані на зберігання й обслуговує каталог секторів диска,, закріплених за файлами. Коли ви даєте системі команду зберегти файл або прочитати його з диска, вона передає її у контролер жорсткого диска, який переміщає магнітні головки до таблиці розташування файлів відповідного логічного диска. Потім операційна система зчитує цю таблицю, здійснюючи в залежності від команди пошук вільного сектора диска, у якому можна зберегти новий створений файл, або початок призначеного для зчитування файла.

Інформація таблиці розміщення файлів надходить з електронної схеми нагромаджувача в контролер жорсткого диска і повертається операційній системі, після чого ОС генерує команду установки магнітних головок над відповідною доріжкою диска для запису або зчитування потрібного сектора. Записавши новий файл на вільні сектори диска, ОС повертає магнітні головки в зону розташування таблиці і вносить у неї зміни, послідовно перераховуючи всі сектори, на яких записаний файл.

Адресація секторів

Жорсткий диск, як і будь-який інший блоковий пристрій, зберігає інформацію фіксованими порціями, що називаються блоками. Блок є найменшою порцією даних, що має унікальну адресу на жорсткому диску. Для того щоб прочитати або записати необхідну інформацію в потрібне місце, треба представити адресу блока як параметр команди, що видається контролеру жорсткого диска. Розмір блока вже віддавна є стандартним для усіх жорстких 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, які операційна система розглядає як одне ціле.

Чому ж відмовилися від простої роботи із секторами? Перехід до кластерів відбувся тому, що розмір таблиці розміщення файлів був обмежений, а розмір Диска збільшувався. Наприклад, у файловій системі FAT16 для диска об'ємом 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 вказати всі три числа (номер циліндра, номер сектора на доріжці, номер головки). Такий спосіб адресації диска був широко розповсюджений і одержав згодом позначення абревіатурою CHS (cylinder, head, sector). Саме цей спосіб був спочатку реалізований у BIOS, тому згодом виникли обмеження, пов'язані з ним. Справа в тому, що BIOS визначив розрядну сітку адрес на 63 сектори, 1024 циліндри і 255 головок. Однак розвиток жорстких дисків у той час обмежувався використанням лише 16 головок у зв'язку зі складністю виготовлення. Звідси з'явилося перше обмеження на максимально припустиму для адресації ємність жорсткого диска: 1024x16x63x512 = 504 Мб.

Згодом виробники почали випускати HDD більшого розміру. Відповідно кількість циліндрів на них перевищила 1024, максимально допустиму кількість циліндрів (із погляду старих BIOS). Однак адресована частина диска продовжувала дорівнювати 504 Мб, за умови, що звертання до диска велося засобами BIOS. Це обмеження згодом було зняте введенням так званого механізму трансляції адрес.

Проблеми, що виникли з обмеженістю BIOS щодо частини фізичної геометрії дисків, призвели, зрештою, до появи нового способу адресації блоків на диску. Цей спосіб досить простий. Блоки на диску описуються одним параметром — лінійною адресою блока. Адресація диска лінійно одержала абревіатуру LBA (logical block addressing). Лінійна адреса блока однозначно пов'язана з його CHS-адресою:

Іbа = (Циліндр х Всього Головок + Головка) х Секторів + (Сектор-1). Введення підтримки лінійної адресації у контролери жорстких дисків дало можливість BIOS зайнятися трансляцією адрес. Суть цього методу полягає в тому, що якщо в наведеній вище формулі збільшити параметр Всього Головок, то буде потрібно менше циліндрів, щоб адресувати ту ж саму кількість блоків диска. Але зате буде потрібно більше головок. Однак головок використовувалося всього 16 з 255. Тому BIOS почали переводити надлишкові циліндри в головки, зменшуючи кількість одних і збільшуючи кількість інших. Це дозволило їм використовувати розрядну сітку головок повністю і відсунуло межу адресованого BIOS дискового простору до 8 ГБ.

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

Подальше збільшення адресованих об'ємів диска з використанням колишніх сервісів BIOS стало принципово неможливим. Справді, всі параметри задіяні за максимальною «планкою» (63 сектори, 1024 циліндри і 255 головок). Тоді був розроблений новий розширений інтерфейс BIOS, що враховує можливість дуже великих адрес блоків. Однак цей інтерфейс уже не сумісний з колишнім, унаслідок чого старі операційні системи, такі як DOS, що користуються старими інтерфейсами BIOS, не змогли і не зможуть переступити межу в 8 ГБ.

Практично всі сучасні системи вже не користуються BIOS, а використовують власні драйвери для роботи з дисками. Тому це обмеження на них не поширюється. Але слід розуміти, що, перш ніж система зможе використовувати власний драйвер, вона повинна, як мінімум, його завантажити. У зв'язку з цим на етапі початкового завантаження будь-яка система змушена користуватися BIOS. Це викликає обмеження на розміщення багатьох систем за межами 8 ГБ, вони не можуть звідтіля завантажуватися, але можуть читати й писати інформацію (наприклад DOS, який працює з диском через BIOS).

Розділи

Розглянемо розміщення операційних систем на жорстких дисках. Для організації систем дисковий адресний простір блоків ділиться на частини, що називаються розділами (partitions) Розділи повністю подібні до цілого диску в тому, що вони складаються із суміжних блоків. Завдяки такій організації для опису розділу досить указати початок розділу і його довжину в блоках Жорсткий диск може містити чотири первинні розділи.

Під час завантаження комп'ютера BIOS завантажує перший сектор головного розділу (завантажувальний сектор) і передає йому управління. На початку цього сектора розташований завантажник (завантажувальний код), що прочитує таблицю розділів і визначає завантажувальний розділ (активний). А далі все повторюється Тобто він завантажує завантажувальний сектор цього розділу на цю ж адресу і знову передає йому управління.

Розділи є контейнерами усього свого вмісту. Цим вмістом є. як правило, файлова система Під файловою системою, з точки зору диска, мається на увазі система розмічання блоків для зберігання файлів. Після того як на розділі створена файлова система й у ній розміщені файли операційної системи, розділ може стати завантажувальним Такий розділ має у своєму першому блоці невелику програму, що здійснює завантаження операційної системи. Однак для завантаження певної системи потрібно запустити її завантажувальну програму з першого блоку

Розділи з файловими системами не повинні перетинатися. Це пов'язано з тим, що дві різні файлові системи мають кожна своє уявлення про розміщення файлів, але коли це розміщення припадає на одне й те фізичне місце на диску, між файловими системами виникає конфлікт. Цей конфлікт виникає не відразу, а лише в міру того, як файли починають розміщатися в тому місці диска, де розділи перетинаються Тому треба уважно ставитися до розмічання диска на розділи.

Само по собі перетинання розділів нічим не загрожує. Але небезпечним є саме розміщення декількох файлових систем на перехресних розділах. Розмічання диска на розділи ще не означає створення файлових систем. Однак уже сама спроба створення порожньої файлової системи (тобто форматування) на одному з перехресних розділів може призвести до виникнення помилок у файловій системі іншого розділу Усе сказане стосується однаковою мірою всіх операційних систем, а не тільки найпопулярніших.

Диск розбивається на розділи за програмою, тобто ви можете створити довільну конфігурацію розділів Інформація про розмічання диска зберігається в першому блоці жорсткого диска, який називається головним завантажувальним записом (Master Boot Record (MBR))

Поиск по сайту: