Как найти секторы на дорожке

Современные жесткие диски имеют дорожки различной длины (дорожки ближе к центру имеют меньше секторов), и, что более важно, физическая геометрия несъемного диска (количество головок, дорожки и т.д.) Не подвергается воздействию внешнего мира, каким он был в 1980-х гг.

Руководство TrueCrypt относится к «дорожке логического диска» или «логической геометрии». Это совершенно другая вещь. Как я уже говорил, все современные жесткие диски и твердотельные накопители открывают для внешнего мира только сектора (без дорожек или чего-либо еще). Секторы адресуются линейно: # 0, # 1, # 2, …
Это называется LBA (логическая блочная адресация).

Но было время, когда стандарт LBA был новым и молодым (середина 1990-х годов), и люди привыкли получать доступ к своим жестким дискам через старый интерфейс (CHS), изобретенный IBM для первых компьютеров IBM в 1980 году. CHS позволяет читать / записывать сектора на диске, указав Cylider, Head и Sector. Из-за ограничений IBM PC BIOS, цилиндр должен быть в диапазоне 0..1023, напор должен быть в диапазоне 0..255, а сектор должен быть в диапазоне 1..63 (даже сегодня). Секторы сгруппированы в дорожки (каждая дорожка обозначена буквами C и H). Все это не имеет ничего общего с физической геометрией диска, это просто альтернативный способ доступа к диску LBA, поэтому он называется «логическая геометрия».

Не так много данных можно адресовать через CHS: 512 байт на сектор * 63 сектора * 256 головок * 1024 цилиндров <8 Гбайт. Таким образом, CHS был просто взломом совместимости и быстро вышел из употребления, когда на рынке появились большие жесткие диски. Windows 98 используется для доступа к жесткому диску через LBA, это точно. DOS 6.22 и Windows 3.11 использовали CHS. Я не уверен насчет Windows 95.

Таким образом, в наши дни ВСЕ жесткие диски имеют максимальное количество логических головок (256) и секторов на дорожку (63). Таким образом, первая «логическая дорожка» — это просто группа секторов жесткого диска # 0. # 62. Все операционные системы от DOS до Windows XP использовали для создания первого раздела сразу после этой «первой логической дорожки» в секторе # 63, что вызывает смещение и медленную работу на жестких дисках 4Kb-сектора. Это дерьмо было полностью удалено в Vista/Win7/Win8: все разделы, созданные современным FDISK, выровнены по 1Mb.

Таким образом, руководство TrueCrypt относится только к сектору LBA # 62 (или 512-байтовому блоку, начиная со смещения 31744). Но в некоторых модных BIOS со значением сектора сектора на дорожку CHS меньше 63 (крайне маловероятно), это может быть любой сектор от # 1 до # 62 (сектор # 0 — MBR). Я видел некоторые BIOS середины 2000-х годов, которые использовали для назначения 32 сектора на дорожку USB-накопителям (не фиксированным HDD).

Дорожки и секторы

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.

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. Помимо указанных областей
служебной информации, каждый сектор
содержит область данных емкостью 512
байт. При низкоуровневом (физическом)
форматировании всем байтам данных
присваивается некоторое значение,
например F6h.

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 заключения
(trailer), может быть разным, но, как правило,
сектор имеет размер 571 байт.

Чтобы
очистить секторы, в них зачастую
записываются специальные последовательности
байтов. Заметим, что, кроме промежутков
внутри секторов, существуют промежутки
между секторами на каждой дорожке и
между самими дорожками. При этом ни в
один из указанных промежутков нельзя
записать «полезные» данные. Префиксы,
суффиксы и промежутки — это как раз то
пространство, которое представляет
собой разницу между неформатированной
и форматированной емкостями диска и
«теряется» после его форматирования.

Для
ясности…

Для
наглядности представьте, что секторы
— это страницы в книге. На каждой странице
содержится текст, но им заполняется не
все пространство страницы, так как у
нее есть поля (верхнее, нижнее, правое
и левое). На полях помещается служебная
информация, например названия глав (в
нашей аналогии это будет соответствовать
номерам дорожек и цилиндров) и номера
страниц (что соответствует номерам
секторов). Области на диске, аналогичные
полям на странице, создаются во время
форматирования диска; тогда же в них
записывается и служебная информация.
Кроме того, во время форматирования
диска области данных каждого сектора
заполняются фиктивными значениями.
Отформатировав диск, можно записывать
информацию в области данных обычным
образом. Информация, которая содержится
в заголовках и заключениях сектора, не
меняется во время обычных операций
записи данных. Изменить ее можно, только
переформатировав диск.

А
теперь перейдем к описанию некоторых
областей сектора и дорожки записи.
Послеиндексный интервал 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.

Идентификатор
(ID) сектора состоит из полей записи
номеров цилиндра, головки и сектора, а
также контрольного поля CRC для проверки
точности считывания информации ID. 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 ID.

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 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.

Предындексный
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.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Кластер на диске. Что это?

Сектор, кластер, дорожка (трек) на компьютерном диске

Компьютерный диск наподобие виниловой пластинки имеет множество дорожек (треков). И ещё диск поделён на сектора. Сектор — то часть дорожки. Также можно сказать, что это элементарная частица памяти на компьютерном диске.

Ячейка памяти, расположенная на одной из дорожек и состоящая из одного или нескольких секторов, называется КЛАСТЕРОМ.

Файлы, как известно, бывают разного размера, и в зависимости от объёма, они располагаются на соответствующем количестве ячеек (кластеров) на диске. И этот объём файла распределён по кластерам, имеющим, в свою очередь, свой постоянный размер.

Все кластеры объединены в одну общую файловую систему. Размер кластеров зависит от применяемой файловой системы (например, FAT или NTFS), от версии операционной системы (например, DOS 6.2 или Windows 10) и от размера тома.

Справка:

• ТОМ — это часть логического диска. Например, у Вас на компьютере жёсткий диск по умолчанию имеет 2 тома — диск C:/ и диск D:/
• Размер одного кластера в NTFS (New Technоlоgy File System, в переводе с англ. Новая Технология Файловой Системы) составляет в завиcимоcти от версии операционной системы и размера тома по умолчанию от 512 байт до 64 килобайт.

• Размер одного кластера в FAT (File Allocation Table, в переводе с англ. Таблица Размещения Файлов) составляет в FAT12 и FAT32 по умолчанию от 512 байт до 32 килобайт и также зависит от размера тoма и версии операционной системы.

Файл записывается в память компьютера таким образом, чтобы его можно было максимально быстро найти на диске.

Каждый файл, сохраняемый на компьютерный диск, имеет своё имя, дату создания, рaзмер, aтрибуты и, главное, АДРЕС, то есть указание места своего расположения на диске.

Вся эта информация в файловой системе упорядочена в виде указания начального и конечного номера дорожки или кластера, где и расположен файл.

Причём, в одном кластере могут располагаться данные только одного файла, не более.

Ошибки файловых систем

Когда в системе происходит сбой, могут возникнуть файлы с общими кластерами, то есть на oдин и тoт же кластер могут ссылаться два разных файла. Это результат, приводящий к ошибке на диске.

Ошибка в виде потерянных цепочек кластеров возникает в результате, например, некорректного удаления данных. Случается так, что файл удалили, а данные остались, но с неправильным адресом.

Такое часто происходит с временными файлами. Делo в тoм, что, программы сохраняют временные файлы в cпециальных папках, а затем их некорректно удаляют. При перемещении файлов в Корзину, на диске остаются физические данные, удаляется только информация об имени, размере, дате файла и т.п.

Эти данные заменяются на другие, которые сохраняются в папке /recicled.
И вот, когда Вы очищаете Корзину, то пока Вы не запишете на место удалённых данных
другие файлы, старые данные почти все остаются на своих местах.

При этом в нaчaле каждого кластера изменяется только заголовок, oбoзначающий, что кластер пуст и не имеет отношения к данному файлу.
Когда этот загoлoвoк во временных файлах какой-то программы не удалён, то возникают ошибки в виде потерянных цепочек кластеров.

Читайте также:

Проверка и ремонт диска в Windows 10

Проверка и ремонт жесткого диска. Программы Microsoft

Не загружается Windows

Диспетчер задач Windows

Проверка оперативной памяти компьютера на ошибки

Полная очистка системного диска С

9.2. Дорожки, секторы и цилиндры

Информация на каждом магнитном диске должна быть разбита на порции и “разложена” по заранее определенным ячейкам, расположенным стандартным образом. Каждая сторона магнитного диска может рассматриваться как двумерное пространство, на котором определены две координаты — например, длина и ширина или радиус и позиционный угол. Данные на носителе записываются вдоль концентрических окружностей, поэтому более удобными являются полярные координаты, одной из которых является положение участка на окружности (угол, отсчитанный от точки, принятой за нуль отсчета), а второй — радиус этой окружности. Головки записи/воспроизведения накопителя могут перемещаться вдоль радиусов вращающихся носителей при записи или считывании необходимых данных за время порядка миллисекунд. Каждое из концентрических колец с записанными данными на рабочих поверхностях дисков называется дорожкой. У современных дисков количество дорожек лежит, как правило, в пределах от 2048 до 16000 и более. На рис. показан принцип организации данных на простейшей “стопке” из трех магнитных дисков. Заметим, что каждый из носителей является двусторонним, т.е. помимо показанных на рисунке верхних поверхностей, у них есть еще и нижние, на которых тоже записываются данные.

Хотя каждая поверхность магнитного диска представляет собой двухмерное пространство, наличие в накопителе нескольких поверхностей-носителей (4, 6, 8 и более) позволяет ввести третью размерность размещения данных — “высоту” nак как одноименные дорожки на всех носителях расположены на одинаковом расстоянии от оси вращения “стопки”, то их совокупность можно представить в виде цилиндра, проходящего через все магнитные диски. Количество цилиндров равно количеству дорожек на одной стороне магнитного диска.

После завершения считывания или записи данных на одной дорожке головка записи/воспроизведения должна переместиться на следующую, чаще всего смежную с ней. Эти пошаговые переходы, будучи достаточно быстрыми, тем не менее, занимают определенное время. Его называют временем поиска, и при переходе между соседними дорожками, цилиндрами задержка обычно не превышает 1мс.

В приводах с подвижной катушкой, которые используются в современных накопителях, головки перемещаются по дуге, — они могут быть установлены на любом расстоянии от оси вращения дисков (естественно, в пределах рабочих участков поверхностей носителей). Если начала и концы дорожек на всех цилиндрах расположить вдоль одного радиуса, то вполне может случиться так, что к моменту окончания перехода головок начало дорожки нового цилиндра уже “проскочит” вперед. В итоге накопитель вынужден будет ждать почти полный оборот, прежде чем под головкой пройдет метка начала новой дорожки. Сместив начала и концы дорожек на разных цилиндрах на некоторый угол друг относительно друга, можно создать запас времени, необходимый для перемещения головок с одного цилиндра на другой, и избавиться от необходимости выжидать, пока диски совершат холостой оборот (рис.). Этот метод смещения цилиндров (или концентрического смещения) позволяет существенно увеличить быстродействие накопителей на жестких дисках.

Дорожки записи разделены на более мелкие одинаковые сегменты, которые называются секторами. Как и на отформатированных под DOS дискетах, в каждом секторе содержится по 512байт данных. Кроме полезной информации, во все секторы записываются служебные данные, используемые для идентификации секторов и дорожек, а также байты результатов расчетов по методу избыточного циклического контроля (CRC— Cyclic Redundancy Check) и байты кодов коррекции ошибок (ЕСС— Error Correction Code), предназначенные для контроля правильности считывания. Информация о расположении секторов, их идентификаторы, записывается при низкоуровневом форматировании насителя на предприятии-изготовителе. После форматирования жесткого диска подлежат изменению (перезаписи) только содержащиеся в секторе полезные данные и байты ЕСС. Если идентификатор сектора будет случайно перезаписан или поврежден, вся информация, содержащаяся в этом секторе, будет потеряна.

На рис. показана сртруктура сектора типичного накопителя на жестких дисках фирмы Maxtor. Нетрудно заметить, что его полный размер существенно превышает 512байт. Начало каждого сектора отмечается специальной меткой. Метка, помечающая первый сектор дорожки, называется индексной меткой или маркером. Каждый сектор разбит на две части: зону адреса и зону данных. В зоне адреса записываются данные, необходимые для идентификации сектора. Эта информация чрезвычайно важна, так как накопитель в любой момент времени должен точно знать, на каком цилиндре, какой головкой и в каком секторе производится запись или считывание данных. Информация о расположении сектора записывается в поле адреса, за которым следуют два байта CRC. После считывания координат текущего сектора в накопителе рассчитывается код CRC, который сравнивается затем с аналогичным кодом, записанным на диске. Если эти коды соответствуют друг другу, то полученные координаты считаются истинными, и операция считывания или записи продолжается. В противном случае данные воспринимаются как ошибочные, и весь сектор рассматривается как поврежденный. В таких ситуациях на экран компьютера обычно выводится сообщение DOS о неустранимой ошибке.

Служебные поля сектора используются для синхронизации систем накопителя и компенсации различных задержек. Как уже говорилось выше, в поле данных может быть записано до 512байт полезной информации. В процессе считывания эти данные обрабатываются по методу Рида-Соломона для получения 11байтов кода ЕСС. Вычисленный результат сравнивается с кодом ЕСС, записанным надиске. Если эти коды совпадают, то данные считаются достоверными, и работа накопителя продолжается. В противном случае данные рассматриваются как ошибочные. В процессе записи старый код ЕСС заменяется новым значением, которое вычисляется на основе записываемых данных. Еще раз отметим, что после форматирования диска перезаписи подлежат только поля данных и ЕСС. Все остальные поля остаются неизменными до тех пор, пока диск не будет переформатирован заново. Эта процедура производится только в тех случаях, когда по мере старения диска и потери остаточной намагниченности перестают читаться данные в области адресов у значительного количества секторов.

9.2.1. Зонная запись

Рекомендуемые материалы

В первых накопителях на жестких дисках каждая дорожка была разбита на одно и то же количество секторов — 64, пронумерованных от 0 до 63². Эти системы работали неплохо, но разработчикам не давал покоя тот факт, что при постоянной скорости вращения дисков плотность записи данных оказывалась более высокой на внутренних дорожках, где длина окружности меньше. При этом внешние дорожки с большей длиной окружности недоиспользовались, поскольку плотность записи на них была далека от максимально достижимой. Поэтому в последующих моделях накопителей количество секторов в цилиндрах было сделано переменным, зависящим от радиуса дорожки. Этот метод был назван зонной записью, поскольку рабочие поверхности носителей разбили на 16 областей (зон). У всех дорожек, относящихся к одной зоне (т.е. имеющих примерно одинаковые радиусы), количество секторов одинаково, при этом у дорожек, лежащих во внутренних зонах, оно наименьшее, а во внешних — наибольшее. Зонная запись позволяет более эффективно использовать пространство накопителя для хранения информации. Процессом зонной записи управляет контроллер самого накопителя, поэтому при настройке в BIOS параметров жесткого диска вводится только одно постоянное значение параметра “Sectorper Track” (количество секторов на дорожке). У современных накопителей количество физических секторов на дорожке варьируется от 195 до 312.

9.2.2. Резервирование секторов (компенсация дефектов)

На любом жестком диске существуют секторы, непригодные для использования. При форматировании накопителя дефектные секторы должны быть помечены и исключены из рассмотрения. Метод резервирования секторов позволяет сохранить на каждой дорожке то количество рабочих секторов, которое определено для нее в соответствии с принципом зонной записи. При так называемом последовательном резервировании один из секторов на каждой дорожке оставляется в качестве запасного. Он не включается в общий список секторов и ни BIOS, ни операционная система не знают о его существовании. Если в процессе форматирования диска на дорожке обнаруживается поврежденный сектор, то вместо него “подставляется” запасной, а нумерация последующих секторов сдвигается на единицу. Если на дорожке обнаруживается более одного дефектного сектора, то она целиком помечается как непригодная для записи. Последовательное резервирование, однако, не получило широкого распространения. Чаще всего используется пространственное резервирование, при котором запасные секторы на дорожках не выделяются. Если в процессе форматирования на дорожке обнаруживается хотя бы один поврежденный сектор, то она сразу помечается как неиспользуемая, а вместо нее “подставляется” запасная дорожка с одного из резервных цилиндров, специально выделенных для этих целей. Этот метод используется практически во всех EIDE и UDMA накопителях на жестких дисках. В них предусмотрены 16 резервных цилиндров — по одному для каждой зоны записи (часто их называют зоной компенсации дефектов).

Единственная область накопителя, где дефектные секторы абсолютно недопустимы, — это нулевая дорожка (с номером 00). Она используется для записи информации о разбиении жесткого диска и положении FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Если нулевая дорожка не читается или на нее невозможно что-либо записать, то накопитель перестает работать. Если в процессе эксплуатации повреждается сектор на этой дорожке, то даже низкоуровневое переформатирование диска с целью исключения плохого сектора не обязательно восстановит его работоспособность. К сожалению, при такой неисправности чаще всего приходится заменять накопитель.

9.2.3. Парковка головок

Головки записи/воспроизведения “парят” над поверхностями носителей на микроскопических расстояниях от них. Поддерживающая их воздушная подушка формируется воздушными потоками, возникающими при вращении магнитных дисков. Когда накопитель выключается, магнитные диски постепенно останавливаются. Интенсивность воздушных потоков быстро снижается, и головки “падают” на поверхности носителей. При таких “падениях” поверхности магнитных дисков изнашиваются, что, может привести к появлению поверхностных дефектов и безвозвратной потере данных. К тем же последствиям могут привести сотрясения работающих накопителей, при которых одна или несколько головок могут задеть рабочую поверхность. Хотя после таких аварий диск обычно удается переформатировать, поврежденные участки будут помечены как непригодные для использования, что может привести к снижению емкости накопителя (если исчерпан резерв запасных цилиндров). Кроме того, переформатирование жесткого диска чаще всего означает полную переустановку операционной системы и всех программ.

Чтобы избежать ударов головок о поверхности носителей при выключении накопителя и остановке дисков, выделяется специальный цилиндр (либо внутренний, ближайший к оси вращения, либо внешний), который играет роль посадочной полосы (LZ — landing, zone) для головок. Этот цилиндр не предназначен для хранения данных, поэтому соприкосновения головок с поверхностями дисков на этом участке вполне безопасны. Все современные накопители на жестких дисках имеют систему автоматической парковки — перевода головок на посадочную полосу по мере уменьшения частоты вращения магнитных дисков, а также их надежной фиксации до момента следующего включения накопителя. Фиксация головок необходима для того, чтобы они не смещались на рабочие дорожки при сотрясениях неработающего накопителя. Для старых накопителей в программах настройки BIOS предусматривалась специальная строка — “LZ” или ‘Landingzone”. Для современных дисков можно либо просто ввести “О” в строке “LZ”, либо позволить системе автоматически определить значение этого параметра.

9.2.4. Предварительная компенсация при записи

Магнитные диски накопителя вращаются с постоянной угловой скоростью. Это обстоятельство существенно упрощает схему питания шпиндельного электродвигателя, однако порождает определенные проблемы, связанные с качеством и надежностью записи данных на всей поверхности рабочего слоя. Дорожки, расположенные ближе к оси вращения дисков, короче, чем дорожки, расположенные около их краев. Чем меньше длина дорожки — тем короче дуга, отводимая под каждый из секторов (если в накопителе не используется метод зонной записи, то это утверждение справедливо для всей рабочей поверхности носителей; в противном случае геометрические размеры секторов сокращаются в пределах каждой зоны). Поскольку, информационная емкость секторов постоянна, на внутренних дорожках плотность записи будет существенно выше, чем на наружных, т.е. , количество зон смены знака остаточной намагниченности на единицу длины дорожки на внутренних цилиндрах будет больше, а размеры участков с постоянной остаточной намагниченностью — меньше. Из-за взаимного влияния этих участков происходит их частичное “саморазмагничивание”, зоны смены знака становятся более размытыми и, в результате, снижается уровень и возникают нежелательные фазовые сдвиги сигнала, поступающего с головки записи/воспроизведения при считывании данных.

Чтобы избежать этого неприятного явления, между импульсами тока записи, подаваемыми на головки записи/воспроизведения при работе на внутренних цилиндрах, вводятся небольшие паузы.

(Вводить задержки между токовыми импульсами записи на всей поверхности диска нельзя, поскольку во время паузы не происходит перемагничивания рабочего слоя носителя (ток через обмотку головки не протекает). В результате на внешних цилиндрах, где за время паузы головка успевает “пробежать” достаточно большое расстояние, будут оставаться участки с прежним уровнем остаточной намагниченности, не имеющим отношения к записываемым данным.)

Для различных последовательностей данных оптимальные длительности этих пауз могут быть разными, но их можно рассчитать и запрограммировать заранее и в итоге получить более явно выраженные переходы между зонами смены знака остаточной намагниченности рабочего слоя дисков.’ В результате при считывании данных из внутренних секторов сигнал с головок записи/воспроизведения получаться более четким и хорошо различимым на фоне шумов. Описанный метод называется предварительной компенсацией при записи (WP — Write Precompensation). Дорожка, начиная с которой должны вводиться предварительная компенсация, указывается в таблице параметров жесткого диска при настройке BIOS. Предварительная компенсация при записи играла существенную роль в старых накопителях, в которых использовались носители с оксидным рабочим слоем. Переход к тонкопленочным рабочим слоям в сочетании с методикой зонной записи в современных накопителях устранл необходимость в предварительной компенсации (хотя соответствующий параметр в BIOS еще остался). В большинстве случаев при настройке BIOS следует просто ввести “О” в строке “WP” или позволить системе автоматически определить номер дорожки, начиная с которой должна вводиться предварительная компенсация.

9.2.5. Параметры дисководов и их преобразование

Для того чтобы компьютер мог взаимодействовать с установленным в нем жестким диском, он должен знать его основные параметры. Всего таких параметров шесть: количество цилиндров, головок и секторов, номер дорожки, начиная с которой должна вводиться предварительная компенсация при записи, номер дорожки, используемой в качестве посадочной полосы и, наконец, общая емкость отформатированного накопителя. Эти параметры хранятся в памяти CMOS компьютера и могут быть изменены в процессе настройки BIOS. При установке нового жесткого диска с помощью той же программы настройки BIOS можно просмотреть его параметры и, при необходимости, их скорректировать. Просмотрев параметры, определяемые в BIOS, вы можете получить достаточно полное представление о накопителе. Например, у жесткого диска 88400D8 фирмы Maxtor, 16 головок, 16278 дорожки (цилиндра), 63 сектора на каждой дорожке, а его емкость вычисляется как произведение указанных величин на размер сектора (512байт): 16278 х 16 х 63 х 512 = 8 401 010 688байт (т.е. примерно 7,8Гбайт).

У некоторых накопителей можно отметить две характерные черты. Во-первых, для них не надо указывать номера дорожек, начиная с которых должна вводиться предварительная компенсация при записи, и номера цилиндров, выполняющих роль посадочных полос. Как и в большинстве современных жестких дисков, парковка головок в этих накопителях осуществляется автоматически и является “внутренним делом” самих устройств. Вторая особенность перечисленных накопителей заключается в том, что их параметры являются логическими, а не физическими. Достаточно очевидно, что при 15 или 16 головках в них должно было бы быть установлено по 8 магнитных дисков носителей (каждая головка работает с одной из сторон диска). Поверить в это, глядя на современные миниатюрные модели накопителей, довольно трудно, поскольку “стопка” из 8 дисков оказалась бы достаточно высокой. Кроме того, практически во всех накопителях сейчас используется метод зонной записи, и количество секторов на дорожке является переменной величиной. Это означает, что те параметры диска, которые вводятся в BIOS, являются условными. Контроллер накопителя сам преобразует установленные параметры в реальные физические координаты расположения секторов.

9.2.6. Двоичные и десятичные мегабайты

Все знают, что емкость жесткого диска измеряется в мегабайтах (обозначаются как М, MB или Мбайт) или гигабайтах (Г, GB или Гбайт). Однако и начинающие, и опытные пользователи часто не понимают разницу между “двоичными” и “десятичными” мегабайтами и гигабайтами. Предположим, что вы установили в компьютер новый жесткий диск, в паспорте которого указана емкость 4 Гбайт. Вы тут же заметите, что некоторые программы — в частности, программа настройки BIOS, FDISK и Проводник Windows (Explorer) — выводят одно значение емкости накопителя (3,73Гбайт), а другие программы — например, CHKDSK — ее паспортную величину (4Гб). Такие разночтения могут сбить с толку кого угодно. Происходят они из-за того, что производители аппаратных средств и программного обеспечения по-разному подсчитывают емкости дисков. Формально емкость жесткого диска в байтах вычисляется как произведение количества цилиндров, секторов и головок, умноженное на количество байт в секторе 512, то есть:

Емкость = цилиндры х секторы х головки х 512

Например, емкость накопителя АС2850 с 1654 цилиндрами, 16 головками и 63 секторами окажется равной:

1654 х 16 х 63 x 512  = 853 622 784байт

Для сравнения, емкость накопителя АС34000 (7752. цилиндра, 16 головок 63сектора) будет равна:

7752 x 16 x 63 x 512 = 4 000 776 192байт

Все дальнейшие расхождения объясняются лишь трюками с кратными единицами. Производители аппаратных средств выражают емкости своих жестких дисков в десятичных мегабайтах (или гигабайтах). Чтобы перейти к мегабайтам, надо полученные выше значения разделить на 1 000 000, а для перехода к гигабайтам — на 1 000 000 000. Для накопителя АС2850 получим:

853 622 784 / 1 000 000 = 853,6Мб

а для накопителя АС34000:

4 000 776 192 / 1 000 000 000 = 4,0Гб

Разработчики же программного обеспечения при подсчете емкостей накопителей используют двоичные мегабайты и гигабайты. Двоичный мегабайт равен 1 048 576байт, а двоичный гигабайт — 1 073741 824байт. Именно поэтому большинство программ сообщит, что емкость накопителя АС2850 равна: 853 622 784 / 1 048 576 = 814Мбайт, а накопителя АС34000: 4 000 776 192 / 1 073 741 824 = 3,73Гбайт

Таким образом, мы имеем дело с представлением одной и той же величины, емкости накопителя, в разных единицах измерения — и оба эти способа правильные. К сожалению, изменить что-либо в сложившейся ситуации не представляется возможным. Просто надо помнить о существовании разных мегабайтов и не впадать в панику по поводу несуществующх неисправностей жесткого диска.

9.2.7. Представление о технологии S.M.A.R.T.

S.M.A.R.T. (Self—MonitoringAnalysis and Reporting Technology) — это система автономной диагностики, которая позволяет персональному компьютеру прогнозировать приближающиеся сбои в работе его компонентов — в частности, дисковых накопителей. При получении предупреждения о возможном сбое пользователь или системный администратор, не дожидаясь потери данных, может выполнить резервное копирование, заменить подозрительный компонент и сэкономить массу времени. Использование технологии S.M.A.R.T. — это наилучший способ повысить сохранность и доступность данных в персональном компьютере.

Технология S.M.A.R.T. была реализована различными фирмами и под разными названиями. Метод PFA (Predictive Failure Analysis — упреждающий анализ отказов) и соответствующий термин были предложены их разработчиком — корпорацией IBM. Метод PFA реализован во всех больших компьютерах фирмы IBM. Фирма Compaq была одной из первых компаний, которая внедрила S.M.A.R.T. в свои жесткие диски под названием DFP (Drive Failure Prediction — прогнозирование отказов накопителей). Впоследствии первоначальная версия S.M.A.R.T. фирмы Compaq была скорректирована и представлена на рассмотрение в качестве основного отраслевого стандарта Комитетом по малым компьютерам (Small Form Factor Committee). Сейчас технология S.M.A.R.T. включена Американским национальным институтом стандартов (ANSI — American National Standards Institute) в стандарт АТА-4 (ANSI X3T13 ATAATAPI-4).

Для реализации технологии S.M.A.R.T. ее поддержка должна обеспечиваться либо системной BIOS компьютера, либо соответствующими драйверами. В том и в другом случае система должна иметь возможность обмениваться S.M.A.R.T. — командами с регистрами АТА-интерфейса. Популярность технологии S.M.A.R.T. постоянно растет, и сейчас, например, к ее использованию подготовлены все накопители фирмы Maxtor. Дополнительную информацию о реализации технологии S.M.A.R.T., разработанной фирмой Maxtor, можно найти по адресу: www.maxtor.com/products/DiamondMax/techsupport/misc/smart.html. Интересную информацию о программном обеспечении S.M.A.R.T. фирмы StorageSoft вы можете найти по адресу: support.storagesofl.com.

9.2.8. Представление о кэшировании диска

Идеальный накопитель должен работать без задержек — данные должны быть доступны в тот же момент, когда они были запрошены. К сожалению, мгновенный доступ и передача данных невозможны даже при использовании самых современных магнитных и оптических технологий их хранения. Реакция механических узлов (шпиндельного двигателя и привода головок) не может быть сколь угодно быстрой вследствие фундаментальных законов физики, поэтому механические задержки всегда будут замедлять работу накопителя. Проблема, с которой столкнулись сейчас разработчики компьютеров, состоит в том, что механическая система накопителя, какой бы прецизионной и быстродействующей она не была, все равно будет работать значительно медленнее, чем электронные схемы обработки информации. В компьютерном мире миллисекунда — это очень большое время. Работая под DOS, вам наверняка довольно часто приходилось ждать, пока закончится дисковая операция — и лишь после этого начиналась следующая. Такие задержки раздражают пользователей, снижают производительность системы — особенно в тех случаях, когда с диска загружаются большие программные файлы или файлы данных, характерные для современных пакетов программного обеспечения. Чтобы повысить “внешнее” быстродействие накопителей, используется прием, называемый кэшированием диска.

Суть кэширования сводится к тому, что непосредственно в накопителе устанавливается полупроводниковое ОЗУ небольшого объема, которое используется для временного хранения данных (в качестве промежуточного буфера). В кэш загружается информация, которая, как предполагается, будет запрошена системой. Когда инициируется считывание с диска, кэш проверяется на содержание в нем искомой информации. Если она там присутствует (в этом случае говорят о попадании в кэш), то данные передаются из кэш-буфера в систему со скоростью, характерной для электронных схем. В этом случае не происходит считывания данных непосредственно с носителей, за счет чего и достигается высокое быстродействие. Если искомой информации в кэше нет промах, то данные считываются с магнитных дисков с обычными для накопителя задержками и производительность системы не увеличивается. В настоящее время в накопителях на жестких дисках в качестве встроенного кэша используются высокоэффективные ОЗУ EDO-типа (Extended Data Out — с расширенной выдачей данных) емкостью до 1Мбайт (память такого же типа устанавливается на многих системных платах с процессорами Pentium).

Плата электроники — съемная, подключается к геpмоблоку чеpез один-два разъема различной конструкции. Hа плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ, цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. В одних винчестерах программа процессора полностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области диска. Hа диске также могут быть записаны параметры накопителя (модель, серийный номеp и т.п.). Hекотоpые винчестеpы хpанят эту инфоpмацию в электрически pепpогpаммиpуемом ПЗУ (EEPROM).

Многие винчестеpы имеют на плате электpоники специальный технологический интерфейс с разъемом, чеpез котоpый пpи помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисные операции с накопителем — тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п. У современных накопителей маpки Conner технологический интеpфейс выполнен в стандаpте последовательного интеpфейса, что позволяет подключать его чеpез адаптеp к алфавитно-цифpовому теpминалу или COM-поpту компьютеpа. В ПЗУ записана так называемая тест-монитоpная система (ТМОС), которая воспринимает команды, подаваемые с терминала, выполняет их и выводит результаты обратно на терминал.

Пpи включении питания пpоцессоp винчестеpа выполняет тестиpование электpоники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. Пpи достижении некотоpой критической скорости вpащения плотность увлекаемого повеpхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над повеpхностями дисков головки ”всплывают — парят”. С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки ”висят” на воздушной подушке и совершенно не касаются поверхностей дисков.

После достижения дисками скорости вpащения, близкой к номинальной (обычно — 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин и более) головки выводятся из зоны парковки и начинается поиск сеpвометок — специальных кодовых последовательностей особого вида, записанных в промежутках между участками данных. Сеpвометки используются для стабилизации скорости вpащения дисков и точной установки головок на доpожки. В более ранних моделях под метки выделялась отдельная поверхность — это снижало плотность записи и требовало большей жесткости подвесной системы головок.

Затем выполняется считывание инфоpмации из служебной зоны в частности, таблицы пеpеназначения дефектных участков. Пpи низко уpовневом фоpматиpовании винчестеpа на заводе почти всегда обнаpуживаются дефектные сектоpа, котоpые заносятся в эту таблицу, и вместо них выделяются новые из заpезеpвиpованных на каждой доpожке или в областях pезеpвиpования. Благодаpя этому новый совpеменный винчестеp создает видимость полного отсутствия дефектов повеpхности, хотя на самом деле они есть почти всегда.

В завершение инициализации выполняется тестиpование позиционеpа путем перебора заданной последовательности дорожек если оно проходит успешно, пpоцессоp выставляет на интеpфейс признак готовности и пеpеходит в pежим работы по интерфейсу.

Во вpемя работы постоянно работает система слежения за положением головки на диске: из непpеpывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, котоpый подается в схему обpатной связи, упpавляющую током обмотки позиционеpа. В pезультате отклонения головки от центра доpожки в обмотке возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место.

Пpи отключении питания пpоцессоp, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, выдает команду на установку позиционеpа в парковочное положение, которая успевает выполниться до снижения скорости вpащения ниже критической. В некоторых винчестерах для автоматического возврата служит помещенное между дисками коpомысло, постоянно испытывающее давление воздуха. Пpи отключении системы слежения противодействие исчезает и коpомысло толкает позиционеp в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой. Движению головок в стоpону шпинделя способствует также центростремительная сила, возникающая из за вpащения дисков.

9.2.9. Ограничение емкости накопителей на уровне 504 Мбайт в классическом IDE-интерфейсе.

Люди также интересуются этой лекцией: 11 Диаграммы деятельности.

Предел в 504 Мбайт (528 Мб в десятичных единицах), являющейся, возможно, наиболее существенным ограничением в рамках традиционной IDE-архитектуры, возник из за несогласованности действий разработчиков BIOS и создателей архитектуры контроллера накопителей WD1003. Чтобы уяснить суть этого ограничения, необходимо понять, как осуществляется адресация данных в IDE — накопителях. Классической схемой адресации является схема CHS (Cylinder, Head, Sector— цилиндр, головка, сектор). Проще говоря, необходимо ввести в регистры контроллера WD1003 необходимые вам номер цилиндра, номер головки и номер сектора, а затем через программное прерывание INT13 вызвать из BIOS процедуру, перемещающую головки накопителя на заданный сектор для считывания или записи информации.

В теории все выглядит прекрасно, но на практике возникает проблема. Дело в том, что предельные значения количества цилиндров, головок и секторов в BIOS и в контроллере WD1003 разные. В BIOS определены следующие максимальные значения: 1024 цилиндров, 256 головок и 63 сектора на дорожку. Если перемножить все эти числа, а результат затем умножить на 512 (количество байт в секторе), то получается, что теоретический предел ограничения емкости накопителя на уровне BIOS составит 8 455 716 864байт (примерно 7,88 Гбайт или 8,4 Гб в десятичных единицах). Контроллер WD1003 может работать с 65536 цилиндрами, 16 головками и 256 секторами на дорожке, т.е. теоретическая емкость накопителя составляет 128Гбайт (137 Гб).

Проблема заключается в том, что каждый из параметров накопителя ограничивается на минимальном уровне. Так, максимально доступное количество цилиндров оказывается равным 1024, максимальное количество головок — 16, а максимальное количество секторов — 63. Если перемножить эти три числа, а результат умножить на 512, то получим величину 504Мбайт (528Мб). Если бы разработчики BIOS и контроллера WD1003 заранее договорились о единых предельных значениях параметров накопителей, то проблема была бы устранена, даже не возникнув, и предел емкости IDE-накопителей изначально оказался бы равным 128Гбайт. Но реальность, увы, такова, что доступное дисковое пространство стандартных IDE-накопителей в сочетании со старыми версиями BIOS составляет всего лишь 504Мбайт.

Из приведенных расчетов становится ясно, почему к IDE — интерфейсу можно без проблем подключать накопители емкостью до 504Мбайт — и не более. Конечно, существуют методы преодоления этого ограничения. Поскольку BIOS по своей сути является программным обеспечением, наиболее простой и экономичный способ преодоления барьера состоит в расширении возможностей процедур INT13, за счет запуска специализированного драйвера в момент загрузки компьютера. Доработка процедур, вызываемых через прерывание INT13, позволяет работать с накопителями, емкость которых превышает 7,88Гбайт. Наиболее популярными драйверами такого типа являются Drive Rocket и Disk Manager фирмы Ontrack, которые позволяют персональному компьютеру обращаться ко всему дисковому пространству больших IDE-накопителей, а не только к первым 504Мбайт.

Для интерфейсов EIDE и UDMA допускается работа с оверлейными (обеспечивающими адресацию дискового пространства свыше 504 Мбайт) драйверами, причем драйвер Disk Manager (или подобные ему) часто входят в комплект поставки современных жестких дисков большой емкости. Однако есть несколько причин, по которым нежелательно использовать такие оверлейные драйверы. Во первых, они обычно занимают часть очень ценной области оперативной памяти в пределах первых 640Кбайт, поскольку далеко не во всех системах для них находится свободное место в верхней памяти (UMA — Upper Memory Area). Во вторых, старые оверлейные драйверы не всегда хорошо работают с операционными системами Windows, что приводит к традиционным проблемам совместимости жестких дисков большой емкости с Windows. В третьих, оверлейные драйверы могут конфликтовать с загруженными в память драйверами других устройств и резидентными программами.

В конечном счете, наиболее предпочтительным способом введения поддержки накопителей большой емкости в интерфейсах EIDE и U DMA является модернизация BIOS до версии с усовершенствованными процедурами, вызываемыми через прерывание INT13. Фирмы AMI и Micro Firmware первыми начали выпускать системные BIOS, совместимые с EIDE, однако впоследствии поддержка стандарта EIDE стала неотъемлемым свойством всех BIOS и контроллеров накопителей. В настоящее время общепринятой нормой стала поддержка режима UDMA/66/100/133 при соблюдении обратной совместимости с EIDE и IDE. Хотя замена BIOS — операция более сложная, чем установка драйвера, в большинстве случаев она себя полностью оправдывает (экономится память и обеспечивается лучшая совместимость с операционными системами). Разумной альтернативой модернизации системной BIOS может стать замена контроллера накопителей, т.е. установка нового адаптера с собственной встроенной BIOS и модернизированными процедурами, вызываемыми через прерывание INT13.