Тема: «Логическая структура гибкого и жесткого дисков»

Магнитные диски (МД) относятся к магнитным машинным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Все диски: и магнитные, и оптические характеризуются своим диаметром или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с форм-факторами 3,5" (89 мм) и 5,25" (133 мм). Диски с форм-фактором 3,5" при меньших габаритах имеют большую емкость, меньшее время доступа и более высокую скорость чтения данных подряд (трансфер), более высокие надежность и долговечность.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора, размером 128, 256, 512 или 1024 байт, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер - это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Данные на дисках хранятся в файлах, которые обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.

Файл - это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данный.

Поле памяти создаваемому файлу выделяется кратным определенному количеству кластеров. Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Жесткие диски:

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски (блины). В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси.

HDD — устройство блочное, с произвольной выборкой данных. Означает сие, что информация в нем хранится порциями (блоками), записывать/извлекать ее винчестер может не последовательно (как, например, магнитофон, прокручивая ленту), а произвольно обращаясь к любому из блоков. На круглой поверхности диска организовать блочную структуру можно единственным способом: расчертить на ней концентрические окружности, которые будут пересекать радиальные отрезки. Из школьного курса геометрии известно, что часть дуги, ограниченная двумя радиусами, называется сектор. Так вот, именно сектора являются единицей хранения информации на HDD. Концентрические окружности, именуемые дорожки, — место жизни секторов. Головка чтения/записи переходит с дорожки на дорожку в поиске нужного сектора.

А поскольку у диска две поверхности и у многих винчестеров больше чем один диск, то равноудаленные от центра дорожки на обеих поверхностях каждого диска именуются цилиндром.

Чтобы прочитать или записать данные, контроллер HDD должен понять, в каком из цилиндров, какой головкой чтения/записи обратиться к какому сектору. Поэтому адресация в винчестерах и именуется CHS(Cylinder, Head, Sector).

Именно CHS-адресация определяет геометрию диска: число его дорожек (а значит, и цилиндров) и головок чтения/записи. При этом физическая геометрия диска (о которой знает только его контроллер) частенько не совпадает с его логической геометрией (которую видит BIOS компьютера). BIOS и операционная система видят некий абстрактный диск с одинаковым числом секторов на дорожке (63) и условным числом головок (255), а то и вообще без CHS-адресации — в виде линейного адреса, задаваемого 64-разрядным числом.

Как контроллер HDD определяет, что головка чтения/записи находится над тем или иным физическим сектором? Очень просто. Каждый сектор — многослойный магнитный пирог, и данные пользователя хранятся в его сердцевине объемом 512 байт (в нынешнем году разработчики наконец-то порадовали нас дисками с гигантскими 4096-байтными секторами). Начинается каждый сектор специальной магнитной меткой (маркером), прочитав которую контроллер понимает, что он над сектором. Следующие три метки указывают ему адрес этого сектора в формате CHS. Чтобы убедиться, что сектор не поврежден с момента последнего обращения к нему, за адресом следует поле контрольной суммы (CRC, Cyclic redundancy code — циклический избыточный код). После этого следует пустой байт, чтобы контроллер успел подготовиться к чтению или записи данных, за которым следуют сами данные. После их 512 байт добавлены несколько десятков байт избытка для коррекции ошибок алгоритмом ECC (Error-correcting code — код коррекции ошибок). После снова следует поле CRC, теперь уже для контроля целостности данных. И завершает все пустой байт, за которым следует маркер нового сектора.

Создание такой структуры для всех секторов диска производится на заводе и называется низкоуровневое форматирование (low-level formatting).

Первые винчестеры работали с секторами, в буквальном смысле слова «перешагивая» головками чтения/записи с дорожки на дорожку. Шагали они с помощью специального шагового двигателя, каждый такт работы которого смещал головки на строго определенное расстояние. Но ухищрения разработчиков типа зонной записи, когда размеры дорожек стали разными, привели к тому, что от шаговых двигателей пришлось отказаться в пользу сервоприводов с обратной связью. Для их работы используются специальные магнитные сервометки, которые и дают информацию о текущей позиции головок. Располагаются сервометки вдоль радиальных линий, пересекающих дорожки, и образуют сервоформат диска.

За бешено вращающимися дисками и шныряющими над ними головками, спрятанными в темноте и стерильности гермоблока диска, пристально следит его мозг — контроллер. Фактически — это микрокомпьютер, выполняющий параллельно несколько микропрограмм. Одна из них — трансляция адресов блоков данных, поступающих от операционной системы в формат CHS. И этот микрокод — главный. Но и остальные микропрограммы не менее важны. Они выполняют сервисные функции, с помощью которых контроллер старается защитить диск от угрозы появления на его поверхности bad-блоков – повреждённых секторов.