Аппаратное обеспечение хранения данных и функционирования файловой системы

Пользователь представляет файловую систему в виде дерева каталогов и расположенных в них файлах. Это представление далеко от реального расположения данных на диске — физической организации ФС. Файл очень часто разбросан фрагментами по всему диску, файлы из одного каталога не всегда расположены в смежных областях. Различные файловые системы имеют различную физическую организацию.

Операционные системы работают с различными типами внешних запоминающих устройств. Рассмотрим их.

Накопители на магнитных дисках имеют две разновидности — накопители на жестких магнитных дисках и накопители на гибких магнитных дисках. Дисковые накопители являются основным устройством для хранения данных. Эти устройства могут считывать и записывать данные на жесткие и гибкие магнитные диски. Принцип записи на магнитные носители основан на явлении электромагнитной индукции. Запись производится головками чтения/записи, которые работают как электромагнит. Полярность магнитного поля в головках определяется направлением электрического тока, который по ним пропускается. Магнитное поле проникает в магнитный слой диска, упорядочивает его магнитные частицы (домены) то в одном, то в другом направлении, т.е. создает на носителе зоны с различной по знаку намагниченностью. Так производится запись. При чтении головка регистрирует импульсы тока при прохождении зоны смены знака намагниченности.

Накопители на жестких магнитных дисках включают следующие устройства:

· электромеханический привод, вращающий диски;

· накопители на гибких магнитных дисках;

· блок магнитных головок для чтения и записи;

· система позиционирования магнитных головок для записи и чтения;

· электронный блок для управления и кодирования сигналов.

Накопитель на магнитных дисках помещен вместе с диском и контроллером в герметический корпус, который крепится в системный блок компьютера.

Жесткий диск изготовлен из композитного материала на основе стекла и керамики, покрыт магнитным слоем. Жесткий диск состоит из нескольких керамических колец, нанизанных на один шпиндель. Каждая сторона диска размечена на дорожки — концентрические окружности, вдоль которых записываются данные. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру. Диск вращается, головка чтения/записи позиционируется на заданную дорожку и записывает данные на диск или считывает их.

Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях дисков называется цилиндром. Дорожка размечается на сектора или блоки. Чаще всего сектор содержит 512 байт информации. Сектор — наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Для обмена контроллеру диска нужно указать адрес сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора. ОС при работе с диском использует свою единицу дискового пространства — кластер, размер которого обычно 1024 байта.

Дорожки и секторы создаются в результате процедуры низкоуровневого форматирования диска. На диск записывается информация для определения границ блоков. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа операционной системы, в которой диск будет использоваться, и производится на заводе-изготовителе.

Разметку диска под конкретную операционную систему производит процедура высокоуровневого форматирования. Здесь определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая ОС для работы файловой системы.

Накопители на гибких магнитных дисках — устройства со сменными дисками. Имеют невысокую информационную емкость (1,44 Мб), но дают возможность транспортировать информацию и обеспечивают конфиденциальность информации. Дискета представляет собой тонкий пластиковый диск с магнитным покрытием, информация записывается вдоль дорожек — концентрических окружностей, дорожки размечены на сектора. Перед первым использованием дискета форматируется, т.е. размечается для использования операционной системой.

Магнитные накопители для резервного копирования данных существуют в двух видах: накопители на магнитных дисках и накопители на магнитных лентах.

Резервные накопители на магнитных дисках являются автономным устройством, подключаемым к компьютеру по мере необходимости.

Накопители на магнитных лентах надежно хранят неоперативную информацию больших объемов (например, 320 Гб). Являются устройствами с последовательным доступом.

Накопители на оптических дисках предназначены для распространения дистрибутивов программ, для хранения и транспортировки конфиденциальной информации. Существует несколько типов накопителей на оптических дисках.

Диск CD-ROM переводится как компакт-диск, предназначенный только для чтения. Это поликарбонатная пластина, одна сторона которой покрыта алюминиевой пленкой, играющей роль зеркального отражателя. Информация записывается вдоль одной спиралевидной дорожки. На дорожку наносятся углубления — штрихи. При считывании диск освещается лучом лазера, штрихи поглощают свет, плоская поверхность хорошо отражает свет. Стандартная емкость диска — 650 Мб.

Различают пишущие накопители двух типов — CD-R и CD-RW. Эти диски уже не имеют рельефа в виде штрихов. На рабочий слой диска лучом лазера наносят пятна, которые поглощают свет как штрихи. Диск CD-R позволяет сделать однократную запись с персонального компьютера, диск CD-RW предназначен для многократной записи. Эти диски потеснили магнитные устройства резервного копирования, так как значительно превосходят их по долговечности хранения.

Диск DVD — цифровой универсальный диск, имеет большую емкость, стандартный диск содержит 4,7 Мб. Для записи и чтения информации здесь используется лазер с меньшей длиной волны, что позволяет производить более плотную запись информации на диск. Увеличение емкости дисков достигается применением многослойных и двухсторонних дисков, специальных программ сжатия информации.

Диск CD-MO — магнитооптический диск, также предназначен для многократной перезаписи информации. Запись на диск производится лазерным лучом и магнитным полем. При считывании диск освещается лучом лазера и регистрируются изменения коэффициента отражения от участков диска с различной намагниченностью. При стирании информации лазерный луч разогревает диск и разрушает магнитную запись.

Устройства Flash-памяти — это энергонезависимые полупроводниковые запоминающие устройства емкостью 1 Гб; благодаря небольшим габаритам они основательно потеснили гибкие магнитные диски и реально соперничают с CD-дисками.

Мы рассмотрели основные внешние запоминающие устройства персонального компьютера, с которыми должна общаться операционная система, используя файловую модель данных.

Каждое устройство внешней памяти снабжено специализированным блоком управления — контроллером. Контроллер взаимодействует с системным программным модулем — драйвером, управляющим устройством. Контроллер получает от драйвера выводимую на устройство информацию и команды управления, которые сообщают, что нужно сделать с информацией, например, записать в определенный сектор диска. Под управлением контроллера устройство выполняет операции чтения или записи информации.

Литература

1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2001, 554 с.

2. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: Учебное пособие для педагогических вузов / Под ред. Е.К. Хеннера. М.: Академия, 2004, 848 с.