Диски, розділи, сектори, кластери
Основним типом пристрою, що використовується в сучасних обчислювальних системах для зберігання файлів, є дискові накопичувачі. Ці пристрої призначені для зчитування і запису даних на тверді та гнучкі магнітні диски. Жорсткий диск складається з однієї або декількох скляних або металевих пластин, кожна з яких покрита з однієї або обох сторін магнітним матеріалом. Таким чином, диск у загальному випадку складається з пакету пластин (рис. 5).
Рис. 5. Схема устрою жорсткого диску
На кожній стороні кожної пластини розмічені тонкі концентричні кільця – доріжки (traks), на яких зберігаються дані. Кількість доріжок залежить від типу диска. Нумерація доріжок починається з 0 від зовнішнього краю до центра диска. Коли диск обертається, елемент, який називають головкою, зчитує двійкові дані з магнітної доріжки або записує їх на магнітну доріжку.
Головка може позиціонуватися над заданою доріжкою. Головки переміщаються над поверхнею диску дискретними кроками, кожний крок відповідає зсуву на одну доріжку. Запис на диск здійснюється завдяки здатності головки змінювати магнітні властивості доріжки. У деяких дисках уздовж кожної поверхні переміщається одна головка, а в інших – є по головці на кожну доріжку. У першому випадку для пошуку інформації головка повинна переміщатися по радіусу диска. Зазвичай усі головки закріплені на єдиному механізмі переміщення і рухаються синхронно. Тому, коли головка фіксується на заданій доріжці однієї поверхні, всі інші головки зупиняються над доріжками з такими ж номерами. Отже, коли на кожній доріжці є окрема головка, ніякого переміщення головок з однієї доріжки на іншу не потрібно, за рахунок цього заощаджується час, затрачуване на пошук даних.
Сукупність доріжок одного радіусу на всіх поверхнях усіх пластин пакету називається циліндром (cylinder). Кожна доріжка розбивається на фрагменти, так звані сектори (sectors), або блоки (blocks), так що всі доріжки мають однакове число секторів, у які можна максимально записати те саме число байт. Сектор має фіксований для конкретної системи розмір, що виражається ступенем двійки. Найчастіше розмір сектора становить 512 байт. З огляду на, що доріжки різного радіусу мають однакове число секторів, щільність запису стає тим вище, чим ближче доріжка до центра.
Сектор – найменша адресована одиниця обміну даними дискового пристрою з оперативною пам’яттю. Для того щоб контролер міг знайти на диску потрібний сектор, необхідно задати йому всі складові адреси сектора: номер циліндра, номер поверхні і номер сектора. Оскільки прикладній програмі в загальному випадку потрібний не сектор, а деяка кількість байт, не обов’язково кратна розміру сектора, то типовий запит включає читання декількох секторів, що містять необхідну інформацію, і одного або двох секторів, що містять поряд з необхідними надлишкові дані (рис. 6).
Операційна система при роботі з диском використовує, як правило, власну одиницю дискового простору, яку називають кластером (cluster). При створенні файлу місце на диску йому виділяється кластерами. Наприклад, якщо файл має розмір 2560 байт, а розмір кластера у файловій системі визначено у 1024 байти, то файлу буде виділено на диску 3 кластери.
Рис. 6. Зчитування надлишкових даних при обміні з диском
Доріжки і сектори створюються в результаті виконання процедури фізичного, або низькорівневого, форматування диска, що передує використанню диска. Для визначення меж блоків на диск записується ідентифікаційна інформація. Низькорівневий формат диска не залежить від типу операційної системи, яка цей диск буде використовувати.
Розмітку диска під конкретний тип файлової системи виконують процедури високорівневого, або логічного, форматування. При високорівневому форматуванні визначається розмір кластера і на диск записується інформація, необхідна для роботи файлової системи, у тому числі інформація про доступний і невикористовуваний простір, про межі областей, відведених під файли і каталоги, інформація про ушкоджені області. Крім того, на диск записується завантажник операційної системи – невелика програма, що починає процес ініціалізації операційної системи після включення живлення або рестарту комп’ютера.
Перш ніж форматувати диск під певну файлову систему, його можна розбити на розділи. Розділ – це неперервна частина фізичного диску, яку операційна система надає користувачеві як логічний пристрій (використовуються також назви логічний диск і логічний розділ). Логічний пристрій функціонує так, ніби це є окремий фізичний диск. Саме з логічними пристроями працює користувач, звертаючись до них за символьними іменами, використовуючи, наприклад, позначення А:, В:, С:, SYS: тощо. Операційні системи різного типу використовують єдине для всіх їх подання про розділи, але створюють на його основі логічні пристрої, специфічні для кожного типу ОС. Так само як файлова система, з якою працює одна ОС, у загальному випадку не може інтерпретуватися ОС іншого типу, логічні пристрої не можуть бути використані операційними системами різного типу. На кожному логічному пристрої може створюватися тільки одна файлова система.
В окремому випадку, коли весь дисковий простір охоплюється одним розділом, логічний пристрій представляє фізичний пристрій у цілому. Якщо диск розбитий на кілька розділів, то для кожного з цих розділів може бути створений окремий логічний пристрій. Логічний пристрій може бути створений і на базі декількох розділів, причому ці розділи не обов’язково повинні належати одному фізичному пристрою. Об’єднання декількох розділів у єдиний логічний пристрій може виконуватися різними способами і переслідувати різні цілі, основні з яких: збільшення загального обсягу логічного розділу, підвищення продуктивності і відмовостійкості.
На різних логічних пристроях одного й того самого фізичного диску можуть розташовуватися файлові системи різного типу. На рис. 7 показано приклад диску, розбитого на три розділи, в яких установлені дві файлові системи NTFS (розділи С: і Е:) і одна файлова система FAT (розділ D:).
Рис. 7. Розбивка диску на розділи
Усі розділи одного диску мають однаковий розмір блоку, визначений для даного диску в результаті низькорівневого форматування. Однак у результаті високорівневого форматування в різних розділах того самого диску, представлених різними логічними пристроями, можуть бути встановлені файлові системи, у яких визначені кластери інших розмірів.
Операційна система може підтримувати різні статуси розділів, особливим чином відзначаючи розділи, які можуть бути використані для завантаження модулів операційної системи, і розділи, в яких можна встановлювати тільки додатки і зберігати файли даних. Один з розділів диску позначається як завантажувальний (або активний). Саме з цього розділу зчитується завантажник операційної системи.