Низкоуровневая структура жестких дисков

Поверхность диска никогда не используется для записи произвольным образом. Данные всегда записываются в виде концентрических окружностей, называемых дорожками, состоящих из нескольких меньших отрезков - секторов. Каждой дорожке и каждому сектору на каждой из сторон диска присваивается свой порядковый номер. Расположенные одна над другой несколько дорожек с одинаковыми номерами, называются цилиндрами. Например, накопитель на жестких магнитных дисках Fujitsu MPG 3409 имеет 2 диска и все четыре стороны рабочие, следовательно, каждый его цилиндр состоит из четырех дорожек. Такое деление дискового пространства на участки называется форматом нижнего уровня и выполняется на заводе-изготовителе накопителя на жестких магнитных дисках. В процессе низкоуровневого форматирования дисков может выясниться, что на поверхности пластин имеется один или несколько маленьких участков, чтение или запись в которые сопровождается ошибками. Однако из-за этого диск не выбрасывают и не считают его испорченным, а всего лишь помечают эти секторы особым образом, и они в дальнейшем игнорируются. Накопитель на жестких магнитных дисках содержит некоторое количество запасных дорожек, которыми электроника накопителя «на лету» подменяет дефектные участки поверхности, делая их абсолютно прозрачными для операционной системы и таких программ, как, например, дисковые редакторы, ScanDisk и Norton Disk Doctor.

Но не вся область диска отведена для записи данных. Часть информационной поверхности используется накопителем для собственных нужд. Это область служебной, как ее еще иногда называют, инженерной информации. Она скрыта от пользователей и становится доступной при переводе накопителя на жестких магнитных дисках в специальный технологический режим, осуществляемый при помощи стендового оборудования и особых утилит.

Служебную информацию можно разделить на несколько типов:

1. скорость вращения дисков, поиска секторов и точной установки головок на дорожки.

2. информация, служащая для адресации секторов с данными пользователя и контроля целостности этих данных

. рабочие программы (микрокод), предназначенные для управления работой всех систем накопителя;

. паспорт накопителя на жестких магнитных дисках, в котором записана информация о количестве дисков, головок, название фирмы-производителя и модели накопителя, дата его изготовления, страна изготовитель, номер конвейера, номер рабочей смены и многое другое; здесь же хранится и уникальный серийный номер накопителя на жестких магнитных дисках;

. таблица дефектных секторов, служащая для аппаратной подмены сбойных участков поверхности из резерва. Эта информация используется электроникой накопителя на жестких магнитных дисках в процессе работы и является важнейшей его частью, без которой физически полностью исправный накопитель был бы бесполезным.

В состав контроллера входят следующие функциональные узлы: схема управления двигателем, схема управления позиционированием головок, канал чтения-записи, цифровой сигнальный процессор, микропроцессор управления, буфер памяти накопителя и интерфейсная логика. Микропроцессор управления представляет собой очень быструю специализированную микро-ЭВМ, имеющую свою оперативную память, постоянную энергонезависимую память и программное обеспечение, состоящее из нескольких модулей. Оно образует специализированную операционную систему. Некоторые из ее компонентов могут располагаться в микросхеме ПЗУ на плате электроники, а другие записаны непосредственно на дисках в служебной области. При включении питания первым включается микропроцессор управления и тестирует электронику накопителя на жестких магнитных дисках. Если все в порядке, подается команда на включение электродвигателя.

Это самый сложный момент в работе накопителя, так как при этом головки соприкасаются с диском в зоне парковки и изнашиваются. Кроме того, двигатель в момент разгона работает в форсированном режиме, что сопровождается большим потреблением тока и повышенной нагрузкой на электронику. После "всплытия" головок осуществляется процесс их распарковки: в обмотку соленоида подается импульс тока, перемещающий головки в информационную зону дисков. Начинается поиск сервометок, которые, в данном случае, используются для определения скорости вращения. Убедившись в том, что блины крутятся с нужной скоростью, микропроцессор перемещает головки в зону, где записана служебная информация, и считывает с диска в свою память микропрограмму, которая анализирует конфигурационные параметры и таблицу дефектных секторов. Затем выполняется еще несколько внутренних тестов, термокалибровка, чтение таблицы S.M.A.R.T.-параметров.

Тестирование правильности позиционирования головок путем чтения нескольких дорожек, расположенных в разных местах диска (при этом слышен характерный треск, а иногда писк, вызываемый работой катушки перемещения головок). В процессе работы накопителя на жестких магнитных дисках через обмотки двигателя и катушку позиционирования текут очень большие импульсные токи, поэтому процессор управляет ими не напрямую, а через микросхемы усилителей тока. В современных накопителях данные читаются и записываются на диск не в цифровой, а в аналоговой форме методом частотной модуляции, поэтому в канале чтения-записи применяется цифровой сигнальный процессор, включающий в себя АЦП и ЦАП, преобразующие прочитанные головками ультразвуковые сигналы в "цифру" и наоборот. Микропроцессор накопителя на жестких магнитных дисках функционирует все время, пока на него подано питание.

Под его контролем все системы накопителя работают дружно, образуя несколько замкнутых систем авторегулирования, поддерживающих постоянную скорость вращения дисков и обеспечивающих точное попадание головок на дорожки и доступ к любому сектору независимо от физического износа механики и внешних ударных или тепловых воздействий. Для питания накопителей настольных компьютеров обычно используется два напряжения: +5В (для схем усиления и обработки сигналов) и +12 В (для силовых цепей). Это позволяет уменьшить помехи от двигателей и упростить схему. Обычно требования к стабильности источника +5В гораздо выше, чем к +12В. Это справедливо и для многих других устройств. При внезапном выключении питания, электроника накопителя на жестких магнитных дисках продолжает некоторое время работать, получая энергию от двигателя, который, вращаясь по инерции, вырабатывает электрический ток, достаточный для успешной парковки головок. Некоторые накопители умеют сами скрывать вновь образующиеся дефекты поверхности. Например, очень популярная серия Quantum Fireball оборудована по этому поводу запасными секторами в каждой дорожке. В связи с тем, что длина внешних и внутренних дорожек на дисках отличается, то и секторов на них помещается разное количество.

Когда накопитель на жестких магнитных дисках работает, его микропроцессор производит пересчет физических параметров о числе головок, числе секторов в дорожке и количестве цилиндров в вид, воспринимаемый внешними устройствами. Этот параметр называется геометрией накопителя, а процесс пересчета - трансляцией, и служит для удобства работы внешних устройств. Именно эти "стандартные" параметры и указываются на корпусе накопителя на жестких магнитных дисках (например, 16 головок и 63 сектора в дорожке, хотя на самом деле головок может быть всего 2). Емкость накопителя на жестких магнитных дисках в байтах можно подсчитать, перемножив число головок, число секторов в дорожке, число цилиндров и размер сектора, который равен 512 байт. Например, 16*63*39714*512=20,4 Гб (конечно, имеются в виду "неправильные" гигабайты производителей - по миллиарду байт). После успешного завершения всех внутренних тестов микропроцессор производит разблокировку интерфейса, сообщая об этом материнской плате компьютера.

Файловые системы

Информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому операционная система или другая программа должена при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках.

Файловая система - это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации. Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами

Файловая система определяет:

1. как хранятся файлы и каталоги на диске;

2. какие сведения хранятся о файлах и каталогах;

. как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие - нет;

. формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Для использования дисков, записанных с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.

Информация хранится в основном на дисках, а применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на жестких магнитных дисках.

В операционных системах семейства MS Windows используются следующие файловые системы - FAT, FAT 32, NTFS.

1.7.1 Файловая система FATявляется наиболее простой из поддерживаемых Windows NT файловых систем. Основой файловой системы FAT является таблица размещения файлов, которая помещена в самом начале тома. На случай повреждения на диске хранятся две копии этой таблицы. Кроме того, таблица размещения файлов и корневой каталог должны храниться в определенном месте на диске (для правильного определения места расположения файлов загрузки). Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные. Такая запись в таблице размещения файлов сигнализирует о том, что это последний кластер файла, или указывает на следующий кластер.

Обновление таблицы размещения файлов имеет большое значение и требует много времени. Если таблица размещения файлов не обновляется регулярно, это может привести к потере данных. Длительность операции объясняется необходимостью перемещения читающих головок к логической нулевой дорожке диска при каждом обновлении таблицы FAT. Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».

На компьютере под управлением Windows NT в любой из поддерживаемых файловых систем нельзя отменить удаление. Программа отмены удаления пытается напрямую обратиться к оборудованию, что невозможно при использовании Windows NT. Однако если файл находился в FAT-разделе, то, запустив компьютер в режиме MS-DOS, удаление файла можно отменить. Файловая система FAT лучше всего подходит для использования на дисках и разделах размером до 200 МБ, потому что она запускается с минимальными накладными расходами.

Как правило, не стоит использовать файловую систему FAT для дисков и разделов, чей размер больше 200 МБ. Это объясняется тем, что по мере увеличения размера тома производительность файловой системы FAT быстро падает. Для файлов, расположенных в разделах FAT, невозможно установить разрешения. Разделы FAT имеют ограничение по размеру: 4 ГБ под Windows NT и 2 ГБ под MS-DOS.