6 Содержание отчета:

6.1 Название и цель лабораторной работы.

6.2 Формат записи данных на жесткий диск и назначение полей.

6.3 Ответы на контрольные вопросы.

7 Контрольные вопросы:

7.1 Что такое логический диск? Какие преимущества дает разбиение жесткого диска на разделы?

7.2 Что такое форматирование? Какие виды форматирования существуют? Какие функции при этом выполняются?

7.3 Что такое файловая система? Какие файловые системы бывают? Дайте им краткую характеристику.

7.4 Что такое сектора, дорожки и кластеры?

7.5 Почему дорожки делят на сектора?

7.6 Почему форматированная и не форматированная емкость диска отличаются?

7.7 Какова общая стандартная емкость сектора?

7.8 Объясните принцип зонной записи на жесткий диск. Что она дает?

7.9 Что такое дефрагментация жесткого диска? Что она дает?

7.10 Что такое коэффициент чередования секторов? На что он влияет?

7.11 Какие возможности дает программа Acronis Partition Expert 2003?

7.12 Для чего нужна команда Fdisk?

7.13 Что такое активный раздел?

7.14 Напишите команду форматирования диска В.

8 Приложение

Все магнитные диски делятся на сектора и дорожки. Дорожка — это одно “кольцо” данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. Например, дискета HD (High Density) формата 3,5 дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1–18).

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка используется так называемая запись No – ID, вмещающая в себя больший объем данных.

Заголовки и трейлеры (записи контрольной суммы) секторов не зависят от операционной и файловой систем, а также файлов, хранящихся на жестком диске. Помимо трейлеров и заголовков, существует множество промежутков в секторах, между секторами на каждой дорожке и между дорожками, но ни один из этих промежутков не может быть использован для записи данных. Промежутки создаются во время форматирования на низшем (физическом) уровне, при котором удаляются все записанные данные. На жестком диске промежутки выполняют точно такие же функции, как и на магнитофонной кассете, где они используются для разделения музыкальных записей. Начальные, завершающие и промежуточные пробелы представляют собой именно то пространство, которое определяет разницу между форматной и неформатной емкостью диска. Например, емкость дискеты объемом 4 Мбайт (3,5 – дюйма) после форматирования “уменьшается” до 2,88 Мбайт (форматная емкость). Дискета емкостью 2 Мбайт (до форматирования) имеет форматную емкость 1,44 Мбайт. Жесткий диск Seagate ST – 4038, имеющий неформатную емкость 38 Мбайт, после форматирования “уменьшается” до 32 Мбайт (форматная емкость). Низкоуровневое форматирование современных жестких дисков ATA/IDE и SCSI выполняется еще на заводе, поэтому изготовитель указывает только форматную емкость диска. Тем не менее, практически на всех дисках имеется некоторое зарезервированное пространство для управления данными, которые будут записаны на диске. Как видно, утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, не вполне корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки (header) и трейлеры (trailer), может быть разным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт.

На рисунке 1 показан формат записи данных на жестком диске.

Рисунок 1 – Формат записи данных на жесткий диск

Сигнал «Индекс» служит для определения начала дорожки. Послеиндексный интервал (на рисунке не показан) нужен для того, чтобы при перемещении головки на новую дорожку переходные процессы (установка) закончились до того, как она окажется перед ее первым сектором. В этом случае его можно начать считывать сразу, не дожидаясь, пока диск совершит дополнительный оборот. В некоторых накопителях, работающих с чередованием (interleave) 1:1, упомянутой задержки недостаточно. Дополнительное время можно обеспечить за счет смещения секторов таким образом, чтобы первый сектор дорожки под головкой появлялся с задержкой.

Наличие после индексного интервала далеко не всегда резервирует время, достаточное для перемещения головки. В этом случае накопитель получает дополнительное время за счет смещения секторов на различных дорожках, которое приводит к задержке появления первого сектора. Другими словами, процесс низкоуровневого форматирования приводит к смещению нумерации секторов, в результате чего секторы на соседних дорожках, имеющие одинаковые номера, смещаются друг относительно друга. Например, сектор 9 одной дорожки находится рядом с сектором 8 следующей дорожки, который, в свою очередь, располагается бок о бок с сектором 7 следующей дорожки и т.д. Оптимальная величина смещения определяется соотношением частоты вращения диска и радиальной скорости головки.

Сектора на одной дорожке так же могут стоять не по порядку, т. е. появляется понятие чередование секторов. Коэффициент чередования показывает, через какое количество физических секторов следует порядковый (логический) номер сектора. На рисунке 2 показан диск с коэффициентом чередования 1:1.

Рисунок 2 – Диск с коэффициентом чередования секторов 1:1

Из рисунка видно, что логические номера секторов совпадают с их физическими номерами. При такой нумерации быстродействие накопителя довольно низкое. Предположим, что на диск от контроллера пришла команда считать данные со всех 16 секторов дорожки. Когда головки установятся на нужную дорожку, необходимо дождаться, когда под нее подойдет сектор 1, т. е. произошла задержка. Как только нужный сектор подойдет, начинается считывание данных, которые потом отправляются в контроллер для обработки. После этого данные отправляются в материнскую плату. В то время как идет обработка данных сектора 1, диск крутится. Когда контроллер будет готов к считыванию данных из сектора 2, этот сектор пройдет под головками, и для дальнейшего считывания необходимо будет ждать, когда этот сектор вновь подойдет к головкам. Таким образом, будут считываться данные со всех секторов, что увеличивает время задержки и уменьшает быстродействие.

Теперь рассмотрим диск с коэффициентом чередования 3:1 (рисунок 3). На рисунке показано, что логическая нумерация не соответствует физическим номерам секторов. Так сектор с логическим номером 2, соответствует сектору с физическим номером 4. Теперь посмотрим, как такая нумерация скажется на быстродействии накопителя. Идет считывание данных со всех секторов дорожки. После считывания данных с сектора 1, они отправились в контроллер, от, куда после обработки отправились в материнскую плату. К тому моменту, как контроллер будет готов к считыванию данных из сектора 2, тот как раз подойдет под головку. Таким образом, время задержки уменьшается, быстродействие накопителя увеличивается.

Рисунок 3 – Диск с коэффициентом чередования секторов 3:1

Практически все современные накопители IDE и SCSI форматируются без чередования секторов (иногда говорят о коэффициенте чередования 1:1), т. к. в большинстве современных устройств (IDE и SCSI) встроены контроллеры, обрабатывающие данные с той же скоростью, с которой они поступают из накопителей.

Идентификатор сектора состоит из адресного поля в состав, которого входит: поле записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации из идентификатора. В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе низкоуровневого форматирования или анализа поверхности. Однако такой метод не является стандартным, и в некоторых устройствах дефектные секторы помечаются иначе. Но, как правило, отметка делается в одном из полей идентификатора. Кроме этого, в состав идентификатора входят: байт флага, который позволяет определить состояние дорожки (основная или запасная, исправная или дефектная); синхробайт, предназначенный для синхронной и синфазной работы адаптера накопителя; байт сравнения, предназначенный для правильного считывания данных из сектора.

Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора.

В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC (контрольный байт) для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок (Error Correction Code — ECC). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ECC (CRC).

Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи. При этом сектор, естественно, всякий раз будет немного длиннее, и для того, чтобы он не выходил за установленные при форматировании границы, их слегка “растягивают”, вводя упомянутый интервал. Его реальный размер зависит от разности частот вращения диска при форматировании дорожки и при каждом обновлении данных.

Прединдексный интервал необходим для компенсации неравномерности вращения диска вдоль всей дорожки. Размер этого интервала зависит от возможных значений частоты вращения диска и сигнала синхронизации при форматировании и записи.

Информация, записываемая в заголовке сектора, имеет огромное значение, поскольку содержит данные о номере цилиндра, головки и сектора. Все эти сведения (за исключением поля данных, байтов CRC и интервала отключения записи) записываются на диск только при форматировании низкого уровня.

Перед тем, как использовать магнитный диск, его необходимо подготовить к работе, т. е. отформатировать.

Различают два вида форматирования диска:

1. физическое, или форматирование низкого уровня;

2. логическое, или форматирование высокого уровня.

При форматировании гибких дисков с помощью программы Проводник (Windows Explorer) или команды DOS FORMAT выполняются обе операции.

Однако для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, — разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня (которые могут быть различными для разных операционных систем). Это позволяет совмещать несколько операционных систем на одном жестком диске. При организации нескольких разделов на одном накопителе каждый из них может использоваться для работы под управлением своей операционной системы либо представлять отдельный том (volume), или логический диск (logical drive). Тому, или логическому диску, система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.

1. Форматирование низкого уровня.

2. Организация разделов на диске.

3. Форматирование высокого уровня.

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. В первых контроллерах ST – 506/412 дорожки разбивались на 17 секторов, позднее в контроллерах этого же типа количество секторов увеличилось до 26. В накопителях ESDI на дорожке содержится 32 и более секторов. В накопителях IDE контроллеры встроенные, и, в зависимости от их типа, количество секторов колеблется в пределах 17–700 и более. Накопители SCSI — это накопители IDE со встроенным адаптером шины SCSI (контроллер тоже встроенный), поэтому количество секторов на дорожке может быть совершенно произвольным и зависит только от типа установленного контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска — разделение внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности (рисунок 4).

Рисунок 4 – Стандартная запись данных на жесткий диск

При стандартной записи данных пространство внешних дорожек используется крайне неэффективно, так как эти дорожки, отличающиеся значительно большей протяженностью, содержат то же количество данных, что и внутренние дорожки. Один из способов увеличения емкости жесткого диска при низкоуровневом форматировании состоит в создании большего количества секторов во внешних цилиндрах диска, чем во внутренних. Внешние цилиндры имеют большую длину окружности и поэтому могут содержать большее количество данных. В накопителях, не использующих метод зонной записи, в каждом цилиндре содержится одинаковое количество данных, несмотря на то, что длина дорожки внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. Это приводит к нерациональному использованию емкости запоминающего устройства, так как носитель должен обеспечивать надежное хранение данных, записанных с той же плотностью, что и во внутренних цилиндрах. В том случае, если количество секторов, приходящихся на каждую дорожку, фиксировано, как это бывает при использовании контроллеров ранних версий, емкость накопителя определяется плотностью записи внутренней (наиболее короткой) дорожки.

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более (рисунок 5).

Рисунок 5 – Зонная запись на жестком диске

Еще одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянная (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

Приведем в качестве примера организацию зон в жестком диске IBM Travelstar 32GH емкостью 32 Гбайт и размером 2,5 дюйма для портативных компьютеров (таблица 1).

Этот накопитель имеет 21664 дорожки на каждой поверхности диска; дорожки разделены на 15 зон по 1354 в каждой. В нулевой зоне содержится наибольшее количество секторов — 617 на каждую дорожку. Каждая дорожка в этой зоне имеет размер 315904 байт, а дорожка в 15 – й зоне содержит только 167424 байт.

При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 10225408 секторов (5235 байт на сторону). Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 327 секторами и, таким образом, каждая поверхность диска будет содержать 7084 128 секторов, или 3627 Мбайт. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 44%.

Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. Дорожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 28,49 Мбайт/с, что на 89% больше, чем 15,10 Мбайт/с во внутренней зоне (15). Именно это свойство диска объясняет различие в результатах измерения параметров диска с помощью программ тестовых пакетов, т.е. каждая программа измеряет скорость передачи данных в различных зонах.

Разделы, создаваемые на жестком диске, обеспечивают поддержку различных файловых систем, каждая из которых располагается на определенном разделе диска.

В каждой файловой системе используется определенный метод, позволяющий распределить пространство, занимаемое файлом, по логическим элементам, которые называются кластерами или единичными блоками памяти. На жестком диске может быть от одного (как минимум) до четырех разделов, каждый из которых поддерживает файловую систему какого – нибудь одного или нескольких типов. В настоящее время PC – совместимые операционные системы используют файловые системы трех типов.

1. FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расширения), а объем тома (логического диска) — до 2 Гбайт. Под Windows 9х/Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов — 255 символов. С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске — основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.

Таблица 1  Информация о зонах жесткого диска Hitachi Travelstar 7K60

Зона	Секторов на дорожку	Байтов на дорожку	Скорость передачи данных Мбайт/с
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	720 704 696 672 640 614 592 556 528 480 480 456 432 416 384 360	368640 360448 356352 344064 327680 314368 303104 284672 270336 245760 245760 233472 221184 212992 196608 184320	44,24 43,25 42,76 41,29 39,32 37,72 36,37 34,16 32,44 29,49 29,49 28,02 26,54 25,56 23,59 22,12

2. FAT32 (File Allocation Table, 32 – bit — 32 – разрядная таблица размещения файлов). Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32 – разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

3. NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна только в операционной системе Windows NT/2000/XP/2003. Длина имен файлов может достигать 256 символов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16x10¹⁸ байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector — VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже “обходит”, во избежание проблем, дефектные участки на диске.

В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. “Настоящее” форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. С помощью DOS – команды FORMAT для гибкого диска осуществляются сразу оба типа форматирования, а для жесткого — только форматирование высокого уровня. Чтобы выполнить низкоуровневое форматирование жесткого диска, необходима специальная программа, обычно предоставляемая производителем диска.