Урок «Логическая структура диска» (конспект+презентация+пр.р.)

Тема урока: логическая структура дисков 10 класс

Цели урока:

Образовательная – помочь учащимся получить представление о файлах и файловых системах, познакомиться с понятием структура диска, дать основные понятия, необходимые для грамотной работы на компьютере.

Развивающая – развитие познавательных интересов, навыков работы на компьютере, самоконтроля, умения конспектировать.

Воспитательная – воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

План урока:

1. Орг. Момент.

2. Проверка домашнего задания

3. Объяснение нового материала

4. Выполнение практической работы №9

5. Итоги урока

6. Домашнее задание

Ход урока:

Оборудование:

доска, компьютер, компьютерная презентация.

План урока:

1. Орг. момент

2. Проверка домашнего здания

3. Объяснение нового материала

4. Д/з

5. Итог урока.

Ход урока:

I. Орг. момент.

II. Проверка домашнего задания:

1. Что такое файл?

2. Что такое файловая система?

3. Какая файловая система применяется в компьютерах?

4. Приведите примеры файловых менеджеров.

III. Объяснение нового материала:

На этом уроке мы познакомимся с тем как хранятся файлы на дисках.

Физическая и логическая структура дисков.

Форматирование дисков.

Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска.

Формирование физической структуры диска состоит в создании на диске концентрических дорожек, которые, в свою очередь, делятся на секторы. Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.

Логическая структура гибких дисков.

Логическая структура магнитного диска представляет собой совокупность секторов, каждый из которых имеет свой порядковый номер. Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки. При записи файла на диск будет занято всегда целое количество секторов, соответственно минимальный размер файла — это размер одного сектора, а максимальный соответствует общему количеству секторов на диске. Полная информация о секторах, которые занимают файлы, содержится в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table). Количество ячеек FAT соответствует количеству секторов на диске, а значениями ячеек являются цепочки размещения файлов, то есть последовательности адресов секторов, в которых хранятся файлы.

Виды форматирования.

Существуют два различных вида форматирования дисков: полное и быстрое форматирование. Полное форматирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее разметку на дорожки и секторы), так и логическое форматирование (создание каталога и таблицы размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена.

Быстрое форматирование производит лишь очистку корневого каталога и таблицы размещения файлов. Информация, то есть сами файлы, сохраняется и в принципе возможно восстановление файловой системы.

Логическая структура жестких дисков.

Логическая структура жестких дисков несколько отличается от логической структуры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом жесткого диска является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа используемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска.

На жестком диске минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит несколько секторов.

Эта проблема частично решается с помощью использования таблицы FAT32, в которой объем кластера принят равным 8 секторам или 4 килобайтам для диска любого объема.

В последнее время в основном на компьютерах с ОС Windows используется файловая система NTFS. Файловая система NTFS – улучшенная файловая, обеспечивающая уровень быстродействия и безопасности, а также дополнительные возможности, недоступные ни в одной версии файловой системы FAT. Например, для обеспечения целостности данных тома в файловой системе NTFS используются стандартные технологии записи и восстановления транзакций. В случае сбоя компьютера целостность файловой системы восстанавливается с помощью файла журнала NTFS и данных о контрольных точках.

Дефрагментация дисков.

Физические и логические диски.

При использовании файловых систем FAT размер кластера зависит от объема диска. Получается чем больше жесткий диск, тем больше места на нем пропадает в пустую из-за не совершенной системы адресации файлов. Для борьбы с нерациональными потерями или, просто, для удобства, часто жесткий диск разбивают на несколько разделов. Каждый логический диск имеет свою собственную таблицу размещения файлов, поэтому на нем действует своя система адресации. В итоге потери из-за размеров кластеров становятся меньше.

4. Итоги:

Вопросы:

Что такое форматирование диска?

Почему отличаются реальный информационный объем файла и объем, который он занимает на диске?

Чем отличается полное и быстрое форматирование?

Для чего необходимо проводить дефрагментацию диска?

Что такое логический диск?

5. Дома: записи и практическая работа с анализом

infourok.ru

Структура жесткого диска

Обычно пользователи имеют в своем компьютере один встроенный накопитель. При первой установке операционной системы производится разбивка его на определенное количество разделов. Каждый логический том отвечает за хранение определенной информации. Кроме этого он может быть форматирован в разные файловые системы и в одну из двух структур. Далее мы бы хотели максимально детально описать программную структуру жесткого диска.

Что касается физических параметров — HDD состоит из нескольких частей, объединенных в одну систему. Если вы хотите получить развернутую информацию по этой теме, рекомендуем обратиться к отдельному нашему материалу по следующей ссылке, а мы же переходим к разбору программной составляющей.

Читайте также: Из чего состоит жесткий диск

Стандартные буквенные обозначения

Во время разбивки жесткого диска на разделы по умолчанию для системного тома устанавливается буква C, а для второго —

D. Буквы A и B пропускаются, поскольку так обозначаются дискеты разных форматов. При отсутствии второго тома жесткого диска буквой D будет обозначаться DVD-привод.

Пользователь сам разбивает HDD на разделы, присваивая им любые доступные буквы. О том, как создать такую разбивку вручную, читайте в другой нашей статье по следующей ссылке.

Подробнее:
3 способа разбить жесткий диск на разделы
Способы удаления разделов жесткого диска

Структуры MBR и GPT

С томами и разделами все предельно просто, однако присутствуют еще и структуры. Более старым логическим образцом называется MBR (Master Boot Record), а ему на замену пришел усовершенствованный GPT (GUID Partition Table). Давайте остановимся на каждой структуре и рассмотрим их детально.

MBR

Диски со структурой MBR постепенно вытесняются GPT, но все еще популярны и используются на многих компьютерах. Дело в том, что Master Boot Record — это первый сектор HDD объемом 512 байт, он зарезервирован и никогда не перезаписывается. Отвечает этот участок за запуск ОС. Удобна такая структура тем, что позволяет без проблем разделять физический накопитель на части. Принцип запуска диска с MBR происходит так:

1. При запуске системы BIOS обращается к первому сектору и отдает ему дальнейшее управление. Этот сектор имеет код 0000:7C00h.
2. Следующие четыре байта отвечают за определение диска.
3. Далее происходит смещение до 01BEh — таблицы томов HDD. На скриншоте ниже вы можете видеть графическое объяснение считывания первого сектора.

Теперь, когда произошло обращение к разделам диска, нужно определить активный участок, с которого и будет загружаться ОС. Первый байт в этом образце считывания определяет нужный раздел для старта. Следующие выбирают номер головки для начала загрузки, номер цилиндра и сектора, а также количество секторов в томе. Порядок считывания показан на следующей картинке.

За координаты расположения крайней записи раздела рассматриваемой технологии отвечает технология CHS (Cylinder Head Sector). Она считывает номер цилиндра, головки и секторы. Нумерация упомянутых частей начинается с 0, а секторы с 1. Именно путем считывания всех этих координат и определяется логический раздел жесткого диска.

Недостаток такой системы заключается в ограниченности адресации объема данных. То есть во время первой версии CHS раздел мог иметь максимум 8 ГБ памяти, чего в скором времени, конечно же, перестало хватать. На замену пришла адресация LBA (Logical Block Addressing), в которой была переработана система нумерации. Теперь поддерживаются диски объемом до 2 ТБ. LBA была еще доработана, но изменения коснулись только GPT.

С первым и последующими секторами мы успешно разобрались. Что касается последнего, то он также зарезервирован, называется AA55 и отвечает за проверку MBR на целостность и наличие необходимой информации.

GPT

Технология MBR обладала рядом недостатков и ограничений, которые не могли обеспечить работу с большим количеством данных. Исправлять ее или изменять было бессмысленно, поэтому вместе с выходом UEFI пользователи узнали о новой структуре GPT. Она была создана с учетом постоянного увеличения объема накопителей и изменений в работе ПК, поэтому на текущее время это самое передовое решение. Отличается от MBR она такими параметрами:

• Отсутствие координат CHS, поддерживается работа только с доработанной версией LBA;
• GPT хранит на накопителе две свои копии — одна в начале диска, а другая в конце. Такое решение позволит реанимировать сектор через хранящуюся копию в случае повреждения;
• Переработано устройство структуры, о чем мы поговорим далее;
• Проверка корректности заголовка происходит с помощью UEFI c использованием контрольной суммы.

Читайте также: Исправляем ошибку CRC жесткого диска

Теперь хотелось бы детальнее рассказать о принципе работы этой структуры. Как уже было сказано выше, используется здесь технология LBA, что позволит без проблем работать с дисками любых объемов, а в будущем расширить диапазон действия, если потребуется.

Читайте также: Что означают цвета жестких дисков Western Digital

Стоит отметить, что сектор MBR в GPT тоже присутствует, он является первым и имеет размер в один бит. Необходим он для корректной работы HDD со старыми комплектующими, а также не позволяет программам, которым неизвестен GPT, разрушить структуру. Поэтому этот сектор называется защитным. Далее располагается сектор размером в 32, 48 или 64 бита, отвечающий за разметку на разделы, называется он первичным GPT-заголовком. После этих двух секторов идет считывание содержимого, вторая схема томов, а замыкает все это копия GPT. Полная структура представлена на скриншоте ниже.

На этом общая информация, которая может быть интересной обычному пользователю, заканчивается. Дальше — это тонкости работы каждого сектора, и эти данные уже никак не касаются рядового юзера. Что касается выбора GPT или MBR — вы можете ознакомиться с другой нашей статьей, где обсуждается выбор структуры под Windows 7.

Читайте также: Выбираем структуру диска GPT или MBR для работы с Windows 7

Еще хочется добавить, что GPT — более совершенный вариант, и в будущем в любом случае придется переходить на работу с носителями такой структуры.

Читайте также: Чем отличаются магнитные диски от твердотельных

Файловые системы и форматирование

Говоря о логической структуре HDD, нельзя не упомянуть о доступных файловых системах. Конечно, их существует много, но остановиться мы бы хотели на разновидностях для двух ОС, с которым чаще всего работают обычные пользователи. Если компьютер не может определить файловую систему, то жесткий диск приобретает формат RAW и именно в нем отображается в ОС. Доступно ручное исправление этой проблемы. Мы предлагаем ознакомиться с деталями выполнения этой задачи далее.

Читайте также:
Способы исправления RAW формата у HDD дисков
Почему компьютер не видит жесткий диск

Windows

1. FAT32. Компания Microsoft начала выпуск файловых систем с FAT, в будущем эта технология претерпела множество изменений, и последней версией на данный момент является FAT32. Ее особенность заключается в том, что она не предназначена для обработки и хранения больших файлов, а также на нее будет довольно проблематично установить тяжелые программы. Однако FAT32 универсальна, и при создании внешнего жесткого диска она используется для того, чтобы сохраненные файлы можно было считать с любого телевизора или проигрывателя.
2. NTFS. Майкрософт представила NTFS, чтобы полностью заменить FAT32. Сейчас эта файловая система поддерживается всеми версиями Windows, начиная от XP, также отлично работает на Linux, однако на Mac OS можно только считать информацию, записать ничего не получится. Выделяется NTFS тем, что не имеет ограничений на размер записываемых файлов, обладает расширенной поддержкой разных форматов, возможностью сжатия логических разделов и легко восстанавливается при различных повреждениях. Все остальные файловые системы в большем роде подходят для небольших съемных носителей и достаточно редко применяются в жестких дисках, поэтому мы не будем их рассматривать в рамках этой статьи.

Linux

С файловыми системами Windows мы разобрались. Хотелось бы обратить внимание еще на поддерживаемые типы в ОС Linux, поскольку она также является популярной среди пользователей. Линукс поддерживает работу со всеми файловыми системами Виндовс, однако саму операционку рекомендуется устанавливать на специально разработанную для этого ФС. Отметить стоит такие разновидности:

1. Extfs стала самой первой файловой системой для Linux. Она имеет свои ограничения, например, максимальный размер файла не может превышать 2 ГБ, а его имя должно находиться в диапазоне от 1 до 255 символов.
2. Ext3 и Ext4. Мы пропустили предыдущие две версии Ext, поскольку сейчас они совсем неактуальны. Расскажем лишь о более-менее современных версиях. Особенность этой ФС заключается в поддержке объектов размером до одного терабайта, хотя в при работе на старом ядре Ext3 не поддерживала элементы размером более 2 ГБ. Еще одной особенностью можно назвать поддержку считывания программного обеспечения, написанного под Windows. Следом вышла новая ФС Ext4, которая позволила хранить файлы объемом до 16 ТБ.
3. Главным конкурентом Ext4 считается XFS. Ее преимущество заключается в особом алгоритме записи, он называется «Отложенное выделение места». Когда данные отправляются на запись, они сначала помещаются в оперативную память и ждут очереди на сохранение в дисковом пространстве. Перемещение на HDD осуществляется только тогда, когда ОЗУ заканчивается или занимается другими процессами. Такая последовательность позволяет сгруппировать мелкие задачи в крупные и уменьшить фрагментацию носителя.

Что касается выбора файловой системы под установку ОС, обычному пользователю лучше выбрать рекомендуемый вариант при инсталляции. Обычно это Etx4 или XFS. Продвинутые юзеры уже задействуют ФС под свои нужды, применяя ее различные типы для выполнения поставленных задач.

Изменяется файловая система после форматирования накопителя, поэтому это достаточно важный процесс, позволяющий не только удалить файлы, но и исправить возникшие неполадки с совместимостью или чтением. Мы предлагаем вам прочесть специальный материал, в котором максимально детально расписана правильная процедура форматирования HDD.

Подробнее: Что такое форматирование диска и как правильно его делать

Кроме этого файловая система объединяет группы секторов в кластеры. Каждый тип делает это по-разному и умеет работать только с определенным количеством единиц информации. Кластеры отличаются по размеру, маленькие подходят для работы с легкими файлами, а большие имеют преимущество — менее подвержены фрагментации.

Фрагментация появляется из-за постоянной перезаписи данных. Со временем разбитые на блоки файлы сохраняются в совершенно разные части диска и требуется производить ручную дефрагментацию, чтобы выполнить перераспределение их местоположения и повысить скорость работы HDD.

Подробнее: Все, что нужно знать о дефрагментации жесткого диска

Информации по поводу логической структуры рассматриваемого оборудования присутствует еще немалое количество, взять те же форматы файлов и процесс их записи в секторы. Однако сегодня мы постарались максимально просто рассказать о самых важных вещах, которые будет полезно знать любому пользователю ПК, желающему изучить мир комплектующих.

Читайте также:
Восстановление жесткого диска. Пошаговое руководство
Опасные воздействия на HDD

Мы рады, что смогли помочь Вам в решении проблемы.
Опишите, что у вас не получилось. Наши специалисты постараются ответить максимально быстро.

Помогла ли вам эта статья?

ДА НЕТ

lumpics.ru

Методическая разработка по информатике и икт (10 класс) по теме: разрабоька урока «Логическая структура диска»

Урок №2.5.15        10 класс        _________

---

Тема урока: логическая структура дисков

---

Цели урока:

---

Образовательная – помочь учащимся получить представление о файлах и файловых системах, познакомиться с понятием структура диска, дать основные понятия, необходимые для грамотной работы на компьютере.

Развивающая – развитие познавательных интересов, навыков работы на компьютере, самоконтроля, умения конспектировать.

Воспитательная – воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

План урока:

1. Орг. Момент.
2. Проверка домашнего задания
3. Объяснение нового материала
4. Выполнение практической работы №9
5. Итоги урока
6. Домашнее задание

Ход урока:

Оборудование:

доска, компьютер, компьютерная презентация.

План урока:

1. Орг. момент
2. Проверка домашнего здания
3. Объяснение нового материала
4. Д/з
5. Итог урока.

Ход урока:

I. Орг. момент.

II. Проверка домашнего задания:

1. Что такое файл?

2. Что такое файловая система?

3. Какая файловая система применяется в компьютерах?

4. Приведите примеры файловых менеджеров.

III. Объяснение нового материала:

На этом уроке мы познакомимся с тем как хранятся файлы на дисках.

Физическая и логическая структура дисков.

Форматирование дисков. 

Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска.

Формирование физической структуры диска состоит в создании на диске концентрических дорожек, которые, в свою очередь, делятся на секторы. Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.

Логическая структура гибких дисков.

Логическая структура магнитного диска представляет собой совокупность секторов, каждый из которых имеет свой порядковый номер. Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки. При записи файла на диск будет занято всегда целое количество секторов, соответственно минимальный размер файла — это размер одного сектора, а максимальный соответствует общему количеству секторов на диске. Полная информация о секторах, которые занимают файлы, содержится в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table). Количество ячеек FAT соответствует количеству секторов на диске, а значениями ячеек являются цепочки размещения файлов, то есть последовательности адресов секторов, в которых хранятся файлы.

Виды форматирования. 

Существуют два различных вида форматирования дисков: полное и быстрое форматирование. Полное форматирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее разметку на дорожки и секторы), так и логическое форматирование (создание каталога и таблицы размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена.

Быстрое форматирование производит лишь очистку корневого каталога и таблицы размещения файлов. Информация, то есть сами файлы, сохраняется и в принципе возможно восстановление файловой системы.

Логическая структура жестких дисков. 

Логическая структура жестких дисков несколько отличается от логической структуры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом жесткого диска является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа используемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска.

На жестком диске минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит несколько секторов.

Эта проблема частично решается с помощью использования таблицы FAT32, в которой объем кластера принят равным 8 секторам или 4 килобайтам для диска любого объема.

В последнее время в основном на компьютерах с ОС Windows используется файловая система NTFS. Файловая система NTFS – улучшенная файловая, обеспечивающая уровень быстродействия и безопасности, а также дополнительные возможности, недоступные ни в одной версии файловой системы FAT. Например, для обеспечения целостности данных тома в файловой системе NTFS используются стандартные технологии записи и восстановления транзакций. В случае сбоя компьютера целостность файловой системы восстанавливается с помощью файла журнала NTFS и данных о контрольных точках.

Дефрагментация дисков. 

Физические и логические диски.

При использовании файловых систем FAT размер кластера зависит от объема диска. Получается чем больше жесткий диск, тем больше места на нем пропадает в пустую из-за не совершенной системы адресации файлов. Для борьбы с нерациональными потерями или, просто, для удобства, часто жесткий диск разбивают на несколько разделов. Каждый логический диск имеет свою собственную таблицу размещения файлов, поэтому на нем действует своя система адресации. В итоге потери из-за размеров кластеров становятся меньше.

4. Итоги:

Вопросы:

Что такое форматирование диска?

Почему отличаются реальный информационный объем файла и объем, который он занимает на диске?

Чем отличается полное и быстрое форматирование?

Для чего необходимо проводить дефрагментацию диска?

Что такое логический диск?

5. Дома: записи

nsportal.ru

Организация файлов, организация файловой системы, логическая структура дисков.

В этой статье, мы поговорим на такие темы, как организация файлов, затронем тему организации файловой структуры, а также изучим логическую структуру дисков.

Организация файлов

В общем случае, данные,   содержащиеся в файле, имеют некоторую логическую структуру. Эта структура является базой при разработке программы, предназначенной для обработки этих данных.

Например, чтобы текст мог быть правильно выведен на экран, программа должна иметь возможность  выделить отдельные слова, строки, абзацы и т.д. Признаками, отделяющими один структурный элемент от другого, могут служить определенные кодовые последовательности или просто известные программе значения смещений этих структурных элементов, относительно начала файла. Поддержание структуры данных может быть либо целиком возложено  на приложения либо в той или иной степени может взять на себя ФС (файловую систему).

В первом случае, когда все действия, связанные со структуризацией и интерпретацией содержимого файла  целиком относятся к ведению приложения. Файл представляется ФС неструктурированной последовательностью данных. Приложение формулирует запросы к ФС на ввод/вывод, используя общие для всех приложений системные средства. Например, указывая смещение от начала файла и количество байт, которые необходимо считать или записать.

Модель файла, в соответствии с которой содержимое файла представляется неструктурированной последовательностью (потоком) байт, стала популярной вместе с ОС UNIX, а теперь она широко используется в большинстве современных ОС (MS-DOS, Windows2000/NT, NetWare).

Неструктурированная модель файла позволяет легко организовать разделение файла между несколькими приложениями: разные приложения могут по-своему структурировать и интерпретировать данные, содержащиеся в файле.

Другая модель файлов, которая применялась в ОС OS/360, DEC RSX, VMS, а в настоящее время используется достаточно редко – это  структурированный файл. В этом случае поддержание структуры файла поручается ОС. ФС видит файл как упорядоченную последовательность логических записей. Приложение может обращаться к ФС с запросами на ввод-вывод на уровне записей, например, «считать запись 25 из файла FILE.DOC». ФС должна обладать информацией о структуре файла, достаточной для того, чтобы выделить любую запись. ФС предоставляет приложению доступ к записи, а вся дальнейшая обработка данных, содержащаяся в этой записи, выполняется приложением. Замечание. Развитием этого подхода стали СУБД.

Способы физической организации файла

Физическая организация файла (ФОФ) – это способ размещения файла на диске. Основные критерии эффективности физической организации файлов:

• Скорость доступа к данным.
• Объем адресной информации файла.
• Степень фрагментированнности дискового пространства.
• Максимально возможно размер файла.

Фрагментация – это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Существует несколько способов физической организации файла. Непрерывное размещение – это простейший вариант ФОФ, при котором файлу предоставляется последовательность кластеров диска, образующих непрерывный участок дисковой памяти:

Достоинства способа: высокая скорость доступа, так как затраты на поиск и считывание кластеров файла минимальны, отсутствие фрагментации на уровне файла, минимален объем адресной информации – достаточно хранить только номер первого кластера и объем файла. Недостатки невозможно сказать, какого размера должна быть непрерывная область, выделяемая файлу, так как файл при каждой модификации может увеличить свой размер, фрагментация на уровне кластеров, из-за которой нельзя выбрать место для размещения файла целиком. Из-за этих недостатков на практике используются другие методы, при которых файл размещается в нескольких, в общем случае несмежных областях диска.

Размещение файла в виде связанного списка кластеров дисковой памяти.

При таком способе в начале каждого кластера содержится указатель на следующий кластер:

Достоинства: Адресная информация минимальна расположение файла может быть задано одним числом – номером первого кластера, фрагментация на уровне кластеров отсутствует, так как каждый кластер может быть присоединен к цепочке кластеров какого-либо файла, файл может изменять свой размер, наращивая число кластеров.

Недостатки: Сложность организации доступа к произвольно заданному месту файла – чтобы прочитать пятый по порядку кластер файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых кластера, прослеживая цепочку номеров кластеров, количество данных файла в одном кластере не равно степени двойки (одно слово израсходовано на номер следующего кластера), а многие программы читают данные кластерами, размер которых равен степени двойки, Фрагментация на уровне файлов (файл может разбиваться на несмежные фрагменты).

При отсутствии фрагментации на уровне кластеров на диске все равно имеется определенное количество областей памяти небольшого размера, которые невозможно использовать, то есть фрагментация все же существует. Эти фрагменты представляют собой неиспользуемые части последних кластеров, назначенных файлам, так как объем файла в общем случае не кратен размеру кластера. На каждом файле в среднем теряется половина кластера. Эти потери особенно велики, когда на диске имеется большое количество маленьких файлов, а кластер имеет большой размер.

Использование связанного списка индексов (например, в FAT)

Данный способ является модификацией предыдущего метода. Файлу также выделяется память в виде связанного списка кластеров. Номер первого кластера запоминается в записи каталога, где хранятся характеристики этого файла. Остальная адресная информация отделена от кластеров файла. С каждым кластером диска связан индекс. Индексы располагаются в отдельной области диска – в файловых системах  FAT это таблица (File Allocation Table):

Когда память свободна, все индексы имеют нулевое значение. Если некоторый кластер N назначен некоторому файлу, то индекс этого кластера становится равным либо номеру M следующего кластера данного файла, либо принимает специальное значение – признак того, что этот кластер является для файла последним. Индекс же предыдущего кластера файла принимает значение N, указывая на вновь назначенный кластер.

Достоинства: минимальность адресной информации, отсутствие фрагментации на уровне кластеров, отсутствие проблем при изменении размера файла, для доступа к произвольному кластеру файла не требуется последовательно считывать его кластеры, достаточно прочитать только секторы диска, содержащие таблицу индексов, отсчитать нужное количество кластеров файла по цепочке и определить номер нужного кластера, данные файла заполняют кластер целиком, следовательно имеют объем, равный степени двойки. Недостатки: Фрагментация на уровне файлов (файл может разбиваться на несмежные фрагменты).

Перечисление номеров кластеров, занимаемых этим файлом.

Достоинства: высокая скорость доступа к произвольному кластеру файла, так как здесь применяется прямая адресация, которая исключает просмотр цепочки указателей при поиске адреса произвольного кластера файла, отсутствие фрагментации на уровне кластеров. Недостатки: длина адреса зависит от размера файла и для большого файла может составить значительную величину. Данный подход с некоторыми модификациями используется в ОС UNIX.

Организация файловой системы

Файл, имеющий образ цельного, непрерывающегося набора байт, на самом деле разбросан «кусочками» по всему диску, причем это разбиение никак не связано с логической структурой файла: логически объединенные файлы из одного каталога совсем не обязательно должны соседствовать на диске.

Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве (диске) называются физической организацией файловой системы.

Замечание. Различные файловые системы имеют разную физическую организацию (например, размер кластера). Основным типом устройства, которое используется для хранения файлов, являются дисковые накопители. Эти устройства предназначены для считывания и записи данных на жесткие и гибкие магнитные диски, оптические диски, flash-носители и др.

Физическая и логическая структура диска

Жесткий диск состоит из одной или нескольких стеклянных или металлических пластин, каждая из которых покрыта с одной или двух сторон магнитным материалом. Для записи информации на магнитную поверхность дисков применяется следующий способ: поверхность рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых считается битом и может быть установлена в 0 или 1. Так как расположения точечных позиций определяется неточно, то для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают записывающему устройству находить позиции записи. Процесс нанесения таких меток называется физическим форматированием и является обязательным перед первым использованием накопителя.

Физическое форматирование – это процесс записи на поверхность диска служебной информации, обозначающей сектора на диске (пометка начала и конца дорожки и сектора).

На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические окружности (по ним располагаются синхронизирующиеся метки). Каждая концентрическая окружность называется дорожкой.

Количество дорожек зависит от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается, головка чтения/записи считывает двоичные данные с магнитной дорожки или записывает их на нее.  Нумерация сторон начинается с 0.

Группы дорожек (треков) одного радиуса, расположенных на поверхностях магнитных дисков, называются цилиндрами. Номер цилиндра совпадает с номером образующей дорожки. Жесткие диски могут иметь по несколько десятков тысяч цилиндров, на поверхности дискеты, как правило, их восемьдесят. Зная количество рабочих поверхностей, дорожек на одной стороне, размер сектора, можно определить емкость диска.

Для дискет 3.5”: 2 рабочие поверхности, 80 дорожек на каждой стороне, 18 секторов на каждой дорожке, 512 байт – каждый сектор. Тогда, емкость дискеты=21801181512=1 474 560 байтов = 1.44 Мбайт.

Каждая дорожка разбивается на секторы. Сектор – наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Нумерация секторов начинается с 1. Каждый сектор состоит из поля данных и поля служебной информации, ограничивающей и идентифицирующей его.

Для того чтобы контроллер диска мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер цилиндра, номер поверхности, номер сектора ([c-h-s]).

ОС при работе с диском использует, как правило, собственную единицу дискового пространства, называемую кластером.

Кластер (ячейка размещения данных) – объем дискового пространства, участвующий в единичной операции чтения/записи, осуществляемой ОС.

Кластер – это минимальный размер места на диске, которое может быть выделено файловой системой для хранения одного файла.

Пример. Если файл имеет размер 2560 байт, а размер кластера в файловой системе определен в 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера.

Размер кластера зависит от формата диска и может соответствовать одному сектору или нескольким смежным секторам дорожки.

Размер кластера определяется, как правило, автоматически при логическом форматировании.

Узнать размер кластера можно следующими способами:

1. В ОС Windows: Панель управления → Администрирование → Управление компьютером → Дефрагментация диска → Выделить логический диск → Анализ.
2. Выбор размера кластера: Format c:/a:size.
3. Создать файл небольшого размера, например документ блокнота и вывести свойства файла. Размер фала на диске будет соответствовать размеру кластера.

Этапы подготовки диска к записи

Процесс подготовки диска к записи данных разбивается на следующие этапы:

1. Форматирование низкого уровня (физическое форматирование).
2. Логическое разбиение (только для HDD).
3. Логическое форматирование (высокоуровневое).

В результате выполнения процедуры физического форматирования в секторах создаются адресные метки, использующиеся для их идентификации в  процессе использования диска (создаются дорожки и секторы).
Низкоуровневый формат диска не зависит от типа ОС, которая этот диск будет использовать.
В результате выполнения процедуры логического разбиения HDD делится на логические разделы (тома) перед форматированием диска под определенную файловую систему.

Раздел – это непрерывная часть физического диска, которую ОС представляет пользователю как логическое устройство (логический диск). Необходимость в разбиении на разделы возникает в следующих случаях:

• если существует ограничение на размер диска со стороны операционной системы.
• если необходимо разграничить дисковое пространство между пользователями.
• для удобства работы с разными видами информации: системный диск, архивный диск, документы и т.д.
• если есть необходимость в нескольких операционных системах или/и файловых системах.

 

ОС может поддерживать разные статусы разделов, особым образом отмечая разделы, которые могут быть использованы для загрузки модулей ОС, и разделы, в которых можно устанавливать только приложения и хранить файлы данных. Один из разделов диска помечается как загружаемый (основной, первичный, Primary). Именно из этого раздела считывается загрузчик ОС. А другой – как дополнительный (расширенный, Extenshion).

Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического, форматирования. При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы, в том числе информация о доступном и неиспользуемом пространстве, о границах областей, отведенных под файлы и каталоги, информация о поврежденных областях. Кроме того, на диск записывается загрузчик ОС.

Логическое форматирование – процесс преобразования уже размеченного дискового пространства в соответствии со стандартами конкретной ОС. Единый стандарт разметки границ дискового раздела и разграничения разделов содержится в таблице разделов диска, которая находится в 1-ом секторе диска (цилиндр 0, дорожка 0, сектор 1). Таблица разделов содержит параметры диска, число разделов, размер и расположение каждого раздела и др.

Структура логического диска

Для организации логического диска каждая ОС разделяет его на две части:

• системная область.
• область данных (Data).

Системная область предназначена для хранения служебной информации и управляет использованием области данных: применяется для регистрации состояния каждого участка диска. Эта область создается при форматировании и обновляется при операциях с файлами.

В системной области находятся:

• Загрузочная запись – начальная область логического диска, содержащая небольшую программу, инициализирующую процесс загрузки ОС. Содержит блок параметров диска (DPB – Disk Parameter Block) и системный загрузчик (SB – System Bootstrap). Загрузочная запись системного диска называется главной загрузочной записью – Master Boot Record.
• Таблица размещения файлов («таблица» — условное обозначение).
• Корневой каталог – встроенное оглавление информации, содержащейся в области данных. Корневой каталог на диске единственный, совпадает с именем соответствующего диска и не может быть удален программными средствами.

Область данных предназначена для регистрации данных, хранящейся на диске. Содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому каталогу. С учетом общей структуры логического диска структуру всего дискового пространства, разбитого на несколько разделов, можно представить следующим образом:

Вся информация, необходимая для начальной загрузки компьютера, находится в самом первом секторе жёсткого диска. Эта информация называется главной записью загрузки — MBR (Master Boot Record).

Расширенная таблица разделов состоит из двух элементов: первый элемент расширенной таблицы разделов для первого логического устройства указывает на его загрузочный сектор, второй элемент — на EBR следующего логического устройства (Extended Boot Record, EBR — Расширенная загрузочная запись).

more-it.ru

Жесткий диск изнутри — логическая структура, что такое адресация и разметка

С внутренним устройством жёсткого диска HDD знакомы многие пользователи, включая тех, которым никогда не приходилось вскрывать гермоблок. Благо, это и не нужно, ведь на этот счёт в интернете имеется масса информации. А вот как именно устроена логическая структура диска знают лишь немногие. Физически жёсткий диск HDD представляет собой несколько закрепленных на центральном шпинделе магнитных пластин, имеющих особую «нарезку», именуемую треками.

Информация считывается и записывается на них в виде нулей и единиц, и в этом есть некая аналогия тому, как музыка записывается на старые виниловые пластинки.

Только вот в случае с жёсткими дисками всё намного сложнее. Как компьютер определяет, в каком месте диска лежит какой файл? Каким образом достигается отказоустойчивость, благодаря которой мы можем переустанавливать операционную систему, не затрагивая пользовательские файлы? Это было бы едва возможно, если бы данные не хранились на диске в упорядоченном виде. Тема логической структуры HDD-диска настолько глубока и обширна, что рассмотреть её в рамках одной статьи не представляется возможным, поэтому сегодня мы коснёмся только двух её самых важных аспектов — адресации и разметки.

Адресация жесткого диска

Поскольку данные записываются на диск в виде некой последовательности байтов, логично было бы предположить, что при поиске нужного файла считывающая головка пробегает диск от начала до конца. На самом деле ничего подобного не происходит, иначе чтение и запись производились бы очень медленно, а нагрузка на диск была бы просто огромной. И так бы оно и было, если бы в компьютерах не использовалась такая полезная штука как адресация.

Первый механизм адресации, который использовался в ранних моделях жёстких дисков назывался CHS, что расшифровывалось как Cylinder, Head, Sector — цилиндр, головка, сектор. Что такое головка и сектор, надеемся, вам понятно. Под цилиндром же нужно понимать совокупность круговых дорожек одинакового радиуса на всех магнитных поверхностях пластин одного накопителя.

По сути, CHS это ничто иное, как трёхмерная система координат, где Cylinder это номер дорожки на поверхности диска, Head — номер считывающей головки, а Sector — номер конкретного сектора. Когда компьютеру нужно было прочитать некий файл, он делал запрос в формате CHS, и считывающая головка переходила как раз в нужный сектор, в котором этот файл был записан.

Очевидный минус технологии CHS заключался в поддержке дисков весьма ограниченного объёма, так как на низком уровне под адресацию изначально выделялось немного памяти. Максимальный объём диска с CHS не мог превышать 508 Мб. Поэтому, когда появились более объёмные диски, возникла нужда в новых механизмах адресации. Последующие механизмы адресации были основаны на CHS и представляли собой его расширенную версию.

Настоящим прорывом стал LBA (Logical block addressing), не нуждающийся в учёте геометрии жёсткого диска, вместо этого всем секторам от самого первого (нулевого) до самого последнего присваивался свой порядковый номер, служащий идентификатором. При этом под адресацию выделялось гораздо больше памяти. В общем, максимальный объём жёсткого диска, с которым может работать LBA составляет 128 Пиб, что намного больше объёма любых современных дисков, используемых в персональных компьютерах.

Разметка жёсткого диска

С адресацией всё более-менее ясно, теперь давайте перейдём к другому важному понятию — разметке жёсткого диска. Разметка — это разделение общего пространства диска на логические разделы иначе партиции, которые могут быть видны в операционной системе. Зачем вообще нужно такое разделение? Во-первых, это позволяет разграничивать загрузочные, системные и пользовательские файлы, во-вторых, использовать на каждом из разделов свой тип файловой системы, в-третьих — устанавливать на один ПК несколько разных операционных систем.

Существует две основных схемы разбиения на партиции. Самой распространённой является MBR. Называется она так потому, что в первых физических секторах жёсткого диска этого типа размещается особая область, содержащая загрузочный код и таблицу разделов. Эта область ещё именуется главной загрузочной записью, что на английском языке звучит как master boot record или сокращённо MBR.

Эта область диска не является ни одним из логических разделов, и она не доступна для просмотра средствами операционной системы. Загрузочный код передаёт управление компьютером системному разделу, а таблица разделов указывает, где именно начинается и заканчивается тот или иной логический раздел. Основной недостаток MBR заключается в том, что отводимая под него область диска является фиксированной, а это значит, что в него можно записать ограниченное количество информации. В свою очередь это становится следствием других ограничений, а именно:

• На MBR-диске нельзя создать более четырёх логических Primary-разделов (ограничение условно снимается посредством создания extended-партиции).
• Каким бы объёмным ни был диск, пользователю будет доступно только 2 Терабайта.

Кроме того, схема MBR не отличается надёжностью. Малейшее повреждение кода в этой области приведёт к невозможности загрузки или другим проблемам, при которых записанная на диск информация перестанет определяться.

Менее распространённой, но зато более новой и надёжной схемой является GPT или GUID Partition Table. Если посмотреть на схематическое изображение GPT-диска, то можно увидеть, что его структура очень похожа на структуру диска MBR, но это сходство весьма условное. Приходящаяся на нулевой сектор область называется Protection MBR, и назначение её несколько иное, чем обычной MBR. Служит она для защиты схемы GPT от перезаписи утилитами, которые не понимают GPT. Если такой утилите «показать» GPT-диск, то благодаря Protection MBR она определит его как MBR-диск, на котором отсутствует свободное пространство. Следовательно, перезаписать она его уже не сможет.

В будущем, когда MBR уйдёт в прошлое, возможно, в Protection MBR больше не будет надобности, ведь процесс загрузки с GPT-дисков в EFI происходит несколько иначе. Помимо области Protection MBR, на GPT-дисках имеется другая область, именуемая GUID Partition Entries Array. Это аналог Partition Table в MBR, содержащий список всех партиций на диске GPT. В отличие от MBR, он не имеет жёсткой фиксации, поэтому на GPT-диске можно создавать практически неограниченное количество логических разделов. Ограничения тут могут быть только на уровне операционной системы. Например, Windows не может работать с более чем с 128 партициями.

Другим важным отличием GPT-дисков является резервирование загрузочных данных и сведений о таблице разделов. Если в MBR-дисках они хранятся в одном месте — в первых физических секторах, то в дисках с разметкой GPT они могут храниться где-то ещё, но уже в виде копий. Если основные данные окажутся повреждены, механизм GPT восстановит их из бекапа. В MBR же это привело бы к невозможности загрузки компьютера или «потере» разделов, а вместе с ними и записанных данных.

И наконец, разметка GPT позволяет работать с дисками объёмом больше 2 Тб.

Диски 3 Тб и больше будут читаться и в MBR, но доступно пользователю будет только 2 Тб.

На этом пока всё. В следующий раз мы продолжим знакомится с логической структурой жестких дисков. В частности, вы узнаете, чем отличаются обычные диски от динамических, где последние применяются, а также что представляет собой файловая система.

www.white-windows.ru

7. Диски. Логическая структура жесткого диска.

Все диски как гибкие, так и жесткие организованы одинаковым образом. Поверхность диска разделена на ряд концентрических окружностей, называемых дорожками. Каждая дорожка радиально разделена на части, называемые секторами. Количество данных, которое можно расположить на каждой из поверхностей диска, зависит от количества дорожек и от размера и количества секторов в них.

Количество используемых поверхностей диска и количество дорожек на каждой поверхности представляют собой аппаратные характеристики, различные для различных дисков и дисковых устройств. Эти характеристики не могут быть изменены программно. В отличие от них, количество и размер секторов на каждой дорожке могут быть изменены программно, и их задание называется физическим форматированием диска.

Кроме физического форматирования, осуществляется и логическое форматирование диска, при котором создается логическая структура диска. Под логической структурой подразумевается разделение общего пространства секторов диска на фиксированные области для различных целей. При форматировании в эти области заносится определенная информация, т.е. закладывается основа файловой системы.

Так как сектор – основная физическая единица, участвующая в любой дисковой информации, нужно знать как адресуется каждый отдельный сектор диска.

BIOS служит посредником в работе с аппаратными средствами и использует такой же способ адресации, что и контроллер дисков. Адрес состоит из номера поверхности, номера дорожки и номера сектора. Нумерация дорожек и поверхностей начинается с нуля. Нулевая – самая внешняя дорожка верхней поверхности. Нумерация секторов начинается с единицы. Такая нумерация называется абсолютной и относится к физическому диску в целом, независимо от того разбит ли он на логические диски.

ОС как надстройка BIOS использует более удобный способ адресации: секторы пронумерованы последовательно от периферии к центру и сверху вниз. Нумерация секторов начинается с нуля.

Каждая операционная система имеет средства для создания файловой системы FORMAT и FDISK.

Самый первый сектор жесткого диска содержит MBR, включающую в себя часть программы начальной загрузки и таблицу разделов диска. В таблице разделов указываются адреса и размеры разделов, на которые разбит диск. Всего в таблице разделов зарезервировано место для четырех записей о разделах. DOS предоставляет возможность создания не более двух разделов. Один из них, называемый первичным служит для размещения системных файлов и является загрузочным диском С:\.

Второй раздел называется расширенным, в нем можно создать один или несколько логических дисков. Каждый логический диск занимает целое число цилиндров. Каждому логическому диску, входящему в расширенный раздел, предоставляется/предшествует сектор, содержащий таблицу логических дисков. В этой таблице указывается адреса и размеры данного и следующего логических дисков, т.е. каждый диск будет описан 2 раза.

Таблица логических дисков располагается в самом первом секторе области, выделенной под логический диск. Каждый логический диск имеет свою относительную нумерацию секторов, начинающуюся с нуля. Сектор с таблицей логических дисков, как и сектор главного загрузчика не входит в систему относительной нумерации секторов и в этом смысле не принадлежит логическому диску.

studfile.net

Логическая структура диска

2. 1. Таблица разделов и логические диски

PC комплектуется одним или несколькими HDD (Hard Disk Drive = НМД = винчестер). Однако OS позволяет разбить HDD на части, причём каждая из них будет рассматриваться OS как отдельный «логический» диск.

Зачем нужно разбивать диск на логические диски?

Первые персоналки были укомплектованы только FDD (Floppy Disk Drive = НГМД). Дискеты имеют небольшой объём, следовательно разбивать их на части не имеет смысла. Следующая модель компьютера IBM PC/XT имела HDD размером 10 или 20 Мбайт. При использовании таких дисков у пользователей MS-DOS версий до 3.20 у пользователей не возникало проблем и желания разделить диск относительно малого размера на несколько ещё более мелких частей.

Проблемы возникли, когда производители HDD освоили выпуск дисков объёмом 40 Мбайт и более. Оказалось, что используемый в MS-DOS механизм 16-ти разрядной адресации секторов не позволяет использовать диски размером более 32 Мбайт.

MS-DOS 3.30 предложила выход из создавшегося положения. С помощью программы FDISK можно было разбить физический диск на логические объёмом меньше 32 Мбайт.

В MS-DOS 4.00 ограничение на размер дисков было снято, однако система разбиения дисков полностью сохранилась.

Следующий раз, когда механизм разбиения винчестера на логические диски стал необходим, был во время второго «кризиса ёмкости», когда размер жёстких дисков превысил 2 Гбайта, в то время как MS-DOS (и системы, основанные на ней, типа MS Windows 3.11/95) не позволяли использовать тома такого размера.

Существуют и другие причины, по которым может быть полезно разделение большого диска на части:

• в случае повреждения логического диска теряется только информация, которая находилась на логическом диске;

• реорганизация и выгрузка диска маленького размера выполняется быстрее, чем большого;

• на одном физическом диске может находиться несколько различных OS с разной файловой системой, расположенные на различных логических дисках (в разных разделах). В ходе загрузки операционной системы можно указать, с какого раздела должна загружаться OS.

2. Главная загрузочная запись

Первый сектор жёсткого диска (сектор 1, дорожка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record = MBR). Эта запись занимает не весь сектор, а только его часть.

Сама по себе загрузочная запись является программой. Это программа во время начальной загрузки OS помещается по адресу 7C00h:0000h, после чего ей передаётся управление. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

3. Таблица разделов диска

В конце первого сектора HDD находится таблица разделов диска (Partition table). Эта таблица содержит до четырёх элементов, описывающих разделы диска.

Таблица состоит из структур размером 16 байт, соответствующих частям диска, называемых разделами. В структуре располагается информация о расположении и размере раздела в секторах, а так же о назначении раздела.

Разделы бывают активными и неактивными. Активный раздел может быть использован для загрузки операционной системы. Диск может содержать одновременно несколько активных разделов, которые могут принадлежать различным операционным системам.

Все элементы таблицы имеют одинаковый формат:

Табл. 1

Смещение (байт)	Размер (байт)	Описание
0	1	Признак активного раздела: 0 — раздел неактивный 80h — раздел активен
1	1	Номер головки для начального сектора раздела
2	2	Номер сектора и дорожки для начального сектора раздела в формате функции чтения сектора INT 13h
4	1	Код системы: 0 — неизвестная система 1, 4 — MS-DOS 5 — расширенный раздел MS-DOS
5	1	Номер дорожки для последнего сектора раздела
6	2	Номер сектора и дорожки для последнего сектора раздела в формате функции чтения сектора INT 13h
8	4	Относительный номер сектора начала раздела
12	4	Размер раздела в секторах

studfile.net