7. Внешнее запоминающее устройство – накопитель на жестком магнитном диске. Понятие кластера. Логическая структура жесткого диска.

HDD (Hard Disk Drive - устройство управления жестких дисков), или винчестер, имеет также название накопитель для жестких дисков, просто жесткие диски, дисководы жестких дисков (на практике - винт), HMDD (Hard Magmetic Disk Drive) и предназначен для хранения основной информации пользователя. Первый жесткий диск имел 30 цилиндров и 30 секторов на цилиндре, поэтому назывался 30/30, по аналогии с автоматической винтовкой, почему и получил прозвище «винчестер», по названию патрона "30-30 Wincheste" которое прижилось до наших дней. Основным отличием жестких дисков от оперативной памяти является то, что при выключении компьютера данные сохраняются, а не уничтожаются, как в оперативной памяти.

Физически жесткие диски устроены аналогично гибким дискам, за исключением того, что в накопителе может находиться не одна пластина, а несколько, расположенных одна под другой, при этом у каждой пластины сверху и снизу находится по магнитной головке. Кроме того, для хранения информации используется не гибкие, а жесткие диски из аллюминия либо стеклянные, покрытые слоем магнитного материала (ферромагнетика из сплавов железа, марганца и др). Как и в гибких дисководах, головки жестко связаны между собой и расположены одна под другой. Для перемещения одной головки перемещаются и другие, поэтому совокупность головок называется блоком головок. При их фиксированном расположении каждая головка может считывать информацию только с одной дорожки (дорожка - это область в виде узкого кольца на диске, которая считывается головкой без ее смещения), эти дорожки в совокупности всех дисков называются цилиндром. Например, цилиндр 0 содержит все нулевые дорожки дисков, цилиндр 1 содержит первые дорожки и так далее. Обычно в портативных жестких дисках находится один диск, а в стационарных несколько. Каждая дорожка обычно разбита на секторы объемом 512 (в будущем 4096) байт.

Устройство считывания жестких дисков

HDD (Hard Disk Drive - устройство управления жестких дисков), или винчестер, имеет также название накопитель для жестких дисков, просто жесткие диски, дисководы жестких дисков (на практике - винт), накопитель на жестких дисках (НМЖД), HMDD (Hard Magmetic Disk Drive) и предназначен для хранения основной информации пользователя. Первый жесткий диск имел 30 цилиндров и 30 секторов на цилиндре, поэтому назывался 30/30, по аналогии с автоматической винтовкой, почему и получил прозвище «винчестер», по названию патрона "30-30 Wincheste" которое прижилось до наших дней. Основным отличием жестких дисков от оперативной памяти является то, что при выключении компьютера данные сохраняются, а не уничтожаются, как в оперативной памяти.

Одними из первых жестких дисков в компьютерах типа ХТ были диски емкостью 10Мб, сейчас выпускаются с емкостью, исчисляемой в терабайтах. Время доступа к данным при операциях чтения/записи медленнее, чем в оперативной памяти, но быстрее, чем у гиб­ких дисков. Некоторые компании-производители указывают емкость в Мегабайтах, из расчета, что 1 Мб=1 000 000 байт. Поэтому, если у вас имеется жесткий диск емкостью по документации, например, 500 Гб, то тестирующие программы могут фактически указать 465 Мб. То есть, при измерении в мегабайтах разница может составлять в 4.8%, в гигабайтах разница может составлять 7.6 %, в терабайтах – 9.95%.

Физически жесткие диски устроены аналогично гибким дискам, за исключением того, что в накопителе может находиться не одна пластина, а несколько, расположенных одна под другой, при этом у каждой пластины сверху и снизу находится по магнитной головке. Кроме того, для хранения информации используется не гибкие, а жесткие диски из аллюминия либо стеклянные (последние разрабатывались IBM, но оказались хрупкими), покрытые слоем магнитного материала (ферромагнетика из сплавов железа, марганца и др). Как и в гибких дисководах, головки жестко связаны между собой и расположены одна под другой. Для перемещения одной головки перемещаются и другие, поэтому совокупность головок называется блоком головок. При их фиксированном расположении каждая головка может считывать информацию только с одной дорожки (дорожка - это область в виде узкого кольца на диске, которая считывается головкой без ее смещения), эти дорожки в совокупности всех дисков называются цилиндром. Например, цилиндр 0 содержит все нулевые дорожки дисков, цилиндр 1 содержит первые дорожки и так далее. Обычно в портативных жестких дисках находится один диск, а в стационарных несколько. Каждая дорожка обычно разбита на секторы объемом 512 (в будущем 4096) байт.

Общий объем дисковода рассчитывается по формуле: емкость диска = число цилиндров (или дорожек на одной поверхности) х количество головок (или количество рабочих поверхностей) х размер кластера (512, 1024 и более).

Жесткие диски названы так потому, что твердые пластины с намагниченным слоем жестко устана­вливаются в устройстве на заводе и являются несъемными в отличие от гибких дисков. Из-за боль­шой скорости вращения дисков может возникнуть резонанс, поэтому устройство должно быть прочно укреплено в системном блоке, зафиксировано винтами во всех необходимых местах и находиться в горизонтальном или вертикальном положении. Еше одно неприятное действие вращающихся дисков - эффект гироскопа, потому скорость вращения дисков для ноутбуков несколько ниже, чем у стационарных компьютеров, у которых системный блок неподвижен. При работе считы­вающие головки расположены очень близко от рабочей поверхности. Для сравнения: человеческий во­лос в 5-10 раз толще, чем воздушная подушка между диском и головкой. Поэтому тряска винчесте­ра может привести к повреждению головки и рабочей поверхности дисков. Так как накопитель жестко установлен в системном блоке, то он не должен подвергаться ударным воздействиям. Винчестер не следует разбирать, так как попадание малейшей пыли выведет его из строя, и, кроме того, он центрирован на заводе, а в домашних условиях этого сделать невозможно.

Возможна работа и без жесткого диска, как это было в первом поколении компьютеров, но в этом случае можно работать только в системе ДОС и с небольшим числом программ, так как гибкие диски имеют небольшую емкость. Кроме того, работа будет намного медленнее из-за того, что время доступа к данным значительно больше, чем у жестких дисков.

В последнее время начали выпускаться жесткие диски типа SSP (Solid-State Drive – твердотельный накопитель), у которого вместо диска установлена память на основе флэш-памяти. Компьютер считает, что на нем имеются также оглавление, дорожки, сектора как на жестком диске. Контроллер жесткого диска адрес в виде дорожек, секторов преобразует во внутренний адрес и таким образом происходят операции с ним. Данный вид дисков более быстрый, бесшумный (нет движущихся частей), но более дорогой.

Жесткий диск находится, как правило, внутри системного блока, и пользователь его не видит. Гибкие диски предназначены для хранения и переноса информации с одного компьютера на другой. Рассмотрим вначале принцип действия жестких дисков. Принципы работы гибких дисков подобны жестким, поэтому рассмотрим их особенности далее. Чтобы получить справочную информацию о диске, нужно войти в режим: Мой компьютер →Имя диска, например, С: (правая кнопка) →Свойства →Общие, где будет указана общая емкость, занятого и свободного пространства, тип файловой структуры.

Логическая структура диска

Существует несколько видов файловой системы:

FAT имеет несколько стандартов: FAT12, FAT16, FAT32 и exFAT. Цифры обозначают число бит, используемых для адреса сектора. FAT12 имеет всего 2 12= 4 096 секторов. В силу того, что количество секторов небольшое, то данный формат использовался для гибких дисков. Следующий формат FAT16 может иметь большее количество секторов 2 в степени 16 = 65 536 (на самом деле 65 524), что является все равно недостаточным для современных компьютеров, поэтому данный формат уже не используется. FAT 32 позволяет использовать 268 435 445 секторов, но он имеет ограничения на размер файла, который не может быть более 4 гигабайт. Поэтому появился следующий формат – NTFS. А FAT используется для флеш носителей в новом формате под названием exFAT.

NTFS создана компанией Microsoft в 90х годах для Windows NT. В отличие от FAT в ней записывается список изменений в главной файловой таблице (MFT), что позволяет восстановить систему после сбоя. Максимальный размер файла – 2 в степени 64 байтов, максимальное число файлов – 2 в степени 32, максимальная длина имени файла 255 из 16 битных слов,

Имеются и другие системы: EXT2, EXT3, EXT4 (для системы Linux), HFS+ (для Apple).

Кластер на жестком диске состоит из нескольких секторов и может содержать 512 байт и больше, число должно быть равно степени числа два, например, 1024, 2048 и более байт.

Цилиндры располагаются от внешнего края к центру, то есть нулевой цилиндр находится у внешнего края. Сделано это потому, что в нулевом цилиндре находится управляющая информация о диске так как длина дорожки больше, чем у дорожки ближе к центру, поэтому она более надежна. Если же нулевой цилиндр будет испорчен, то диски работать не будут.

В самом начале каждого сектора находится управляющая информация, которая включает в себя адрес и признак нормального или дефектного сектора, а в конце за этой информацией - два байта с контрольными кодами для проверки правильности считывания информации. При записи в сектор записывается и контрольная информация. Считывается также и контрольная информация и проверяется при помощи специального алгоритма (CLC) корректность считывания. Если результат проверки отрицательный, то система пытается сама восстановить данные. Для этого используется информация из строки ECC. Предполагается, что испорченная информация обычно составляет несколько байт на сектор, что на практике и происходит, и эти биты можно восстановить. Структуру сектора смотрите ниже. При этом общая длина каждого сектора составляет 571 байт, из которых 512 отводятся под данные. В некоторых моделях дисков может быть и другой размер секторов, но они должны быть поддержаны BIOS компьютера.