Что такое сектор жесткого диска

Что такое сектор и кластер

Этой заметкой я хочу ответить на вопросы «что такое сектор» и «что такое кластер», в чем их отличие и для чего сектора и кластеры нужны.

Для этого нам нужно будет разобраться с принципами хранения информации, и давайте поговорим о самых основах.

Для хранения данных все носители информации имеют специальную разметку. Давайте рассмотрим упрощенную схему подобной разметки на примере жесткого диска.

Жесткий диск имеет несколько «блинов» (дисков), на магнитную поверхность которых и записываются данные (смотрите рисунок выше).

Каждый блин имеет круглую форму и разметка такого блина выглядит так:

Каждый диск разбит на треки (дорожки), а каждая дорожка поделена на сектора. Это конечно, очень упрощенная схема, но она дает представление о том, что такое сектор.

Сектор – это минимальная пронумерованная область диска, в которой могут храниться данные. Обычно размер одного сектора составляет 512 байт.

Для нормальной работы операционной системы на жестком диске создается файловая система. Файловая система использует сектора для хранения файлов, но из-за некоторых ограничений и особенностей различных файловых систем, сектора носителя информации обычно объединяются файловой системой в кластеры. Это означает, что кластер является минимальной областью файловой системы, предназначенной для хранения информации и он может состоять как из одного, так и из нескольких секторов.

Чтобы проиллюстрировать вышесказанное приведу картинку из Википедии:

На этом рисунке замечательным образом продемонстрирована структура диска. Буквой «А» обозначена дорожка, буквой «В» — геометрический сектор диска, а буквой «С» — сектор дорожки. Далее из рисунка видно, что кластер «D» может занимать несколько секторов дорожки (кластер выделен на рисунке зеленым).

В различных файловых системах кластер мог иметь размеры от 512 байт (один сектор) до 64 кбайт (128 секторов). В наиболее популярной в настоящее время файловой системе NTFS размер кластера можно установить от 512 байт, до 4096 байт (8 секторов).

Размером кластера можно управлять в некоторых пределах — его можно задать при форматировании носителя информации.

Источник

Изучаем структуры MBR и GPT

Для работы с жестким диском его для начала необходимо как-то разметить, чтобы операционная система могла понять в какие области диска можно записывать информацию. Поскольку жесткие диски имеют большой объем, их пространство обычно разбивают на несколько частей — разделов диска. Каждому такому разделу может быть присвоена своя буква логического диска (для систем семейства Windows) и работать с ним можно, как будто это независимый диск в системе.

Способов разбиения дисков на разделы на сегодняшний день существует два. Первый способ — использовать MBR. Этот способ применялся еще чуть ли не с появления жестких дисков и работает с любыми операционными системами. Второй способ — использовать новую систему разметки — GPT. Этот способ поддерживается только современными операционными системами, поскольку он еще относительно молод.

Структура MBR

До недавнего времени структура MBR использовалась на всех персональных компьютерах для того, чтобы можно было разделить один большой физический жесткий диск (HDD) на несколько логических частей — разделы диска (partition). В настоящее время MBR активно вытесняется новой структурой разделения дисков на разделы — GPT (GUID Partition Table). Однако MBR используется еще довольно широко, так что посмотрим что она из себя представляет.

MBR всегда находится в первом секторе жесткого диска. При загрузке компьютера, BIOS считывает этот сектор с диска в память по адресу 0000:7C00h и передает ему управление.

Итак, первая секция структуры MBR — это секция с исполняемым кодом, который и будет руководить дальнейшей загрузкой. Размер этой секции может быть максимум 440 байт. Далее идут 4 байта, отведенные на идентификацию диска. В операционных системах, где идентификация не используется, это место может занимать исполняемый код. То же самое касается и последующих 2 байт.

Начиная со смещения 01BEh находится сама таблица разделов жесткого диска. Таблица состоит из 4 записей (по одной на каждый возможный раздел диска) размером 16 байт.

Структура записи для одного раздела:

Первым байтом в этой структуре является признак активности раздела. Этот признак определяет с какого раздела следует продолжить загрузку. Может быть только один активный раздел, иначе загрузка продолжена не будет.

Следующие три байта — это так называемые CHS-координаты первого сектора раздела.

По смещению 04h находится код типа раздела. Именно по этому типу можно определить что находится в данном разделе, какая файловая система на нем и т.п. Список зарезервированных типов разделов можно посмотреть, например, в википедии по ссылке Типы разделов.

После типа раздела идут 3 байта, определяющие CHS-координаты последнего сектора раздела.

CHS-координаты сектора расшифровываются как Cylinder Head Sector и соответственно обозначают номер цилиндра (дорожки), номер головки (поверхности) и номер сектора. Цилиндры и головки нумеруются с нуля, сектор нумеруется с единицы. Таким образом CHS=0/0/1 означает первый сектор на нулевом цилиндре на нулевой головке. Именно здесь находится сектор MBR.

Все разделы диска, за исключением первого, обычно начинаются с нулевой головки и первого сектора какого-либо цилиндра. То есть их адрес будет N/0/1. Первый раздел диска начинается с головки 1, то есть по адресу 0/1/1. Это все из-за того, что на нулевой головке место уже занято сектором MBR. Таким образом, между сектором MBR и началом первого раздела всегда есть дополнителььные неиспользуемые 62 сектора. Некоторые загрузчики ОС используют их для своих нужд.

Интересен формат хранения номера цилиндра и сектора в структуре записи раздела. Номер цилиндра и номер сектора делят между собой два байта, но не поровну, а как 10:6. То есть на номер сектора приходится младшие 6 бит младшего байта, что позволяет задавать номера секторов от 1 до 63. А на номер цилиндра отведено 10 бит — 8 бит старшего байта и оставшиеся 2 бита от младшего байта: «CCCCCCCC CCSSSSSS», причем в младшем байте находятся старшие биты номера цилиндра.

Проблема с CHS-координатами состоит в том, что с помощью такой записи можно адресовать максимум 8 Гб диска. В эпоху DOS это было приемлемо, однако довольно скоро этого перестало хватать. Для решения этой проблемы была разработана система адресации LBA (Logical Block Addressing), которая использовала плоскую 32-битную нумерацию секторов диска. Это позволило адресовать диски размером до 2Тб. Позже разрядность LBA увеличили до 48 бит, однако MBR эти изменения не затронули. В нем по-прежнему осталась 32-битная адресация секторов.

Итак, в настоящее время повсеместно используется LBA-адресация для секторов на диске и в структуре записи раздела адрес его первого сектора прописывается по смещению 08h, а размер раздела — по смещению 0Ch.

Для дисков размером до 8Гб (когда адресация по CHS еще возможна) поля структуры с CHS-координатами и LBA-адресации должны соответствовать друг другу по значению (корректно конвертироваться из одного формата в другой). У дисков размером более 8Гб значения всех трех байт CHS-координат должны быть равны FFh (для головки допускается также значение FEh).

В конце структуры MBR всегда находится сигнатура AA55h. Она в какой-то степени позволяет проверить, что сектор MBR не поврежден и содержит необходимые данные.

Расширенные разделы

Разделы, отмеченные в таблице типом 05h и 0Fh, это так называемые расширенные разделы. С их помощью можно создавать больше разделов на диске, чем это позволяет MBR. На самом деле расширенных разделов несколько больше, например есть разделы с типами C5h, 15h, 1Fh, 91h, 9Bh, 85h. В основном все эти типы разделов использовались в свое время различными операционными системами (такими как например OS/2, DR-DOS, FreeDOS) с одной и той же целью — увеличить количество разделов на диске. Однако со временем различные форматы отпали и остались только разделы с типами 05h и 0Fh. Единственное исключение — это тип 85h. Он до сих пор может использоваться в Linux для формирования второй цепочки логических дисков, скрытых от других операционных систем. Разделы с типом 05h используются для дисков менее 8Гб (где еще возможна адресация через CHS), а тип 0Fh используется для дисков больше 8Гб (и используется LBA-адресация).

В первом секторе расширенного раздела находится структура EBR (Extended Boot Record). Она во многом схожа со структурой MBR, но имеет следующие отличия:

В отличие от MBR, где позволяется создавать не более четырёх разделов, структура EBR позволяет организовать список логических разделов, ограниченный лишь размером раздела-контейнера (того самого, который с типом 05h или 0Fh). Для организации такого списка используется следующий формат записей: первая запись в таблице разделов EBR указывает на логический раздел, связанный с данным EBR, а вторая запись указывает на следующий в списке раздел EBR. Если данный логический раздел является последним в списке, то вторая запись в таблице разделов EBR должна быть заполнена нулями.

Формат записей разделов в EBR аналогичен формату записи в структуре MBR, однако логически немного отличается.

Признак активности раздела для разделов структуры EBR всегда будет 0, так как загрузка осуществлялась только с основных разделов диска. Координаты CHS, с которых начинается раздел используются, если не задействована LBA-адресация, также как и в структуре MBR.

А вот поля, где в режиме LBA-адресации должны находиться номер начального сектора и количество секторов раздела, в структуре EBR используются несколько иначе.

Для первой записи таблицы разделов EBR в поле начального сектора раздела (смещение 08h) записывается расстояние в секторах между текущим сектором EBR и началом логического раздела, на который ссылается запись. В поле количества секторов раздела (смещение 0Ch) в этом случае пишется размер этого логического раздела в секторах.

Для второй записи таблицы разделов EBR в поле начального сектора раздела записывается расстояние между сектором самой первой EBR и сектором следующей EBR в списке. В поле количества секторов раздела в этом случае пишется размер области диска от сектора этой следующей структуры EBR и до конца логического раздела, относящегося к этой структуре.

Таким образом, первая запись таблицы разделов описывает как найти, и какой размер занимает текущий логический раздел, а вторая запись описывает как найти, и какой размер занимает следующий EBR в списке, вместе со своим разделом.

Структура GPT

В современных компьютерах на смену BIOS пришла новая спецификация UEFI, а вместе с ней и новое устройство разделов на жестком диске — GUID Partition Table (GPT). В этой структуре были учтены все недостатки и ограничения, накладываемые MBR, и разработана она была с большим запасом на будущее.

В структуре GPT используется теперь только LBA-адресация, никаких CHS больше нет и никаких проблем с их конвертацией тоже. Причем под LBA-адреса отведено по 64 бита, что позволяет работать с ними без всяких ухищрений, как с 64-битными целыми числами, а также (если до этого дойдет) даст в будущем возможность без проблем расширить 48-битную LBA-адресацию до 64-битной.

Кроме того, в отличие от MBR, структура GPT хранит на диске две своих копии, одну в начале диска, а другую в конце. Таким образом, в случае повреждения основной структуры, будет возможность восстановить ее из сохраненной копии.

Рассмотрим теперь устройство структуры GPT подробнее. Вся структура GPT на жестком диске состоит из 6 частей:

Защитный MBR-сектор

Первый сектор на диске (с адресом LBA 0) — это все тот же MBR-сектор. Он оставлен для совместимости со старым программным обеспечением и предназначен для защиты GPT-структуры от случайных повреждений при работе программ, которым про GPT ничего не известно. Для таких программ структура разделов будет выглядеть как один раздел, занимающий все место на жестком диске.

Структура этого сектора ничем не отличается от обычного сектора MBR. В его таблице разделов дожна быть создана единственная запись с типом раздела 0xEE. Раздел должен начинаться с адреса LBA 1 и иметь размер 0xFFFFFFFF. В полях для CHS-адресации раздел соответственно должен начинаться с адреса 0/0/2 (сектор 1 занят под саму MBR) и иметь конечный CHS-адрес FF/FF/FF. Признак активного раздела должен иметь значение 0 (неактивный).

При работе компьютера с UEFI, данный MBR-сектор просто игнорируется и никакой код в нем также не выполняется.

Первичный GPT-заголовок

Этот заголовочный сектор содержит в себе данные о всех LBA-адресах, использующихся для разметки диска на разделы.

Структура GPT-заголовка:

Система UEFI проверяет корректность GPT-заголовка, используя контрольный суммы, вычисляемые по алгоритму CRC32. Если первичный заголовок поврежден, то проверяется контрольная сумма копии заголовка. Если контрольная сумма копии заголовка правильная, то эта копия используется для восстановления информации в первичном заголовке. Восстановление также происходит и в обратную сторону — если первичный заголовок корректный, а копия неверна, то копия восстанавливается по данным из первичного заголовка. Если же обе копии заголовка повреждены, то диск становится недоступным для работы.

У таблицы разделов дополнительно существует своя контрольная сумма, которая записывается в заголовке по смещению 0x58. При изменении данных в таблице разделов, эта сумма рассчитывается заново и обновляется в первичном заголовке и в его копии, а затем рассчитывается и обновляется контрольная сумма самих GPT-заголовков.

Таблица разделов диска

Следующей частью структуры GPT является собственно таблица разделов. В настоящее время операционные системы Windows и Linux используют одинаковый формат таблицы разделов — максимум 128 разделов, на каждую запись раздела выделяется по 128 байт, соответственно вся таблица разделов займет 128*128=16384 байт, или 32 сектора диска.

Источник

Какое будущее в новом секторе и какая же структура жесткого диска?

Здравствуйте уважаемые читатели, недавно я писал статью про файловые системы, новые и старые, а так же помог выбрать подходящую для вас. Но осталось много непонятных понятий, для полного понятия статьи такие как сектор, кластер, вообще структура жесткого диска и в этой статье я постараюсь вам разъяснить что это такое. А так же о новом секторе большего объема, дает ли он производительность или же опять провал изобретения? Даже если вы знаете это все, не поленитесь прочтите вдруг узнаете что-то новое и вообще оцените мой труд 🙂

Какая же структура жесткого диска

Структура жесткого диска на внешний взгляд достаточна проста, только углубившись можно столкнутся с какими-нибудь трудностями. Но не пугайте начнем с самого начала.

Жесткий диск как и другие магнитные накопители хранят память в дорожкообразной структуре. Следовательно магнитный диск разбит на кольца разного диаметра начиная с внешнего края. Кольца называемые дорожками состоят из кластеров и секторов. Количество дорожек и секторов определяется форматов диска. А формат диска задается при его изготовлении, так что этот параметр изменить нельзя т.е. если размер сектора при изготовлении 512 байт, то с этим ничего уже не поделать. Дорожка разбивается на равные секторы которые обычно занимают 512 байт (о новых чуть ниже). Как раз процесс разбития диска на секторы, называется форматированием. И уже в кластерах хранится информация.

Сектор — это минимальная единица хранения информации на дисковых носителях. Стандартный размер кластера обычно был 512 байт, но сейчас уже существует новый размер в 4 кб, который тоже имеет ряд интересных своих свойств, о которых мы поговорим чуть ниже.

В секторе записывается его заголовок (prefix portion), где хранится начало и конец сектора, а в конце — заключение (suffix portion), в котором содержится контрольная сумма (checksum), нужная для проверки целостности данных. При форматировании в секторе записывается их номера и служебная информация позволяющая определить начало и конец сектора. А так же то что помогает определить форматированную или не отформатированную область диска. По этому из-за служебной информации емкость диска после форматирования немного меньше. На самом деле хоть и говорят что размер сектора 512 байт, но это только объем информации, а сам размер его составляет 571 байт.

К ластер — это единица хранения данных на диске в файловой системе объединенная в один или несколько секторов. Например если диск имеет сектор размером в 512 байт, то кластер размером в 512 байт содержит один сектор. А если кластер имеет размер 2 КБ, то он имеет четыре сектора. Размер кластера зависит от определенных условий, о который я уже писал здесь.

Размер кластера узнать очень просто, для этого достаточно создать текстовый файл и напишите в нем любое слово или даже поставьте одну букву или цифру сохраните и выберите свойство этого файла. В пункте размер на диске будет ваш размер кластера. Главное чтобы файл весил менее 512 байт. Она буква обычно весит 1 байт.

Вся информация хранится в системном хранилище и хранилище данных.

Системная область диска состоит из

Физическая структура жестких дисков

Магнитный жесткий диск состоит из нескольких магнитных дисков и каждый диск разбит на большое количество дорожек с каждой стороны. Основной оценкой жесткого диска является его поверхностная плотность записи определяется по формуле Мбит/дюйм2 и Гбит/дюйм2. В настоящее время плотность дисков достигает 740 Гбит/дюйм2. Специалисты IHS предполагают к 2016 году достичь плотности 1800 Гбит на 1 кв. дюйм!

Для достижения более большей поверхностной плотности необходимо чтобы расстояние между головкой и диском было минимальное.

Диск покрыт тонким слоем вещества независимо от его материала, которое не дает размагничиваться от воздействия внешнего магнитного поля.

Существует два типа слоя:

1. оксидный

2. тонкопленочный.

Оксидный слой образуется в результате разбрызгивания оксида железа в полимерном растворе. Ну если это не интересно, процесс образования можно пропустить 🙂 А кому интересно продолжим. Получается химическая смесь которая растекается от центра к внешнему краю жесткого диска. Потом диск полируется, затем наносится следующий чистого полимера слой и потом окончательно шлифуется. Чтобы добиться большего объема жесткого диска необходимо чтобы слой был более гладким и тонким. По этому сейчас используют следующий способ.

Тонкопленочный слой более тонкий, прочный и качество намного выше. Благодаря этому способу удалось уменьшить зазор между дисками и следовательно достичь больших объемов.

Этот способ получают путем электролиза. Это тоже самое как при шлифовки хромированной детали. Подложку жесткого диска погружают в ванну с химическим раствором в следствии чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки размером в 3 микродюйма. Сначала в камере химические вещества преобразуются в газообразное состояние, а потом накладываются на подложку. Сначала на алюминиевый диск наносится слой фосфорита никеля, а потом магнитный кобальтовый сплав. Этот способ дает наименьшую величину между головкой и поверхностью дисков всего 0,025 мкм, а раньше 0,076 мкм.

Привод диска

И самый главной деталью в жестком диске является привод головки. Они бывают:

1. C шаговым двигателем

2. C подвижной катушкой.

О них я рассказывать не буду, если интересно можете прочитать здесь, но скажу что с шаговым двигателем приводы самые надежные.

Новый размер сектора в 4 кб, к чему готовится?

Вот мы и подошли к самой интересной теме сегодняшнего дня. Как вы уже поняли что такое сектор, это минимальная единица для хранения информации, но т.к. для настоящего времени 512 байт стало совсем мало, новые технологии продвинули размер в 4 кб. Создатели нового сектора его IDEMA (Международная ассоциация производителей жестких дисков) дали имя Advanced Format (новый формат).

Теперь давайте разберем конкретные причины перехода и какие трудности могут возникнуть с новым сектором (плюсы и минусы его).

Главная причиной его перехода возникла из-за больших емкостей жесткого диска, для таких объемов размер в 512 байт становится ограничением в создании больших объемов и эффективности исправления ошибок.

Малые сектора занимают меньшую площадь жесткого диска, что создает повышение плотности диска. Из-за этого возникают проблемы в исправлении ошибок и в следствии изнашивается поверхность диска.

В секторах в 512 байт, максимальный объем исправления ошибок составляет 50 байт. Возникают трудности в исправлении и чтобы более эффективно происходил процесс исправления появился новый объем 4 кб.

Благодаря новому объему достигается большая плотность жесткого диска, что должно дать увеличение объемов жестких дисков.

Надежность в исправлении ошибок благодаря тому, что код исправления ошибок увеличен до 100 байт (в отличии от старого 50 байт) и надежность возросла до 97 %.

Новый формат достиг уменьшение ширины дорожки до 70-80 нм, понизить себестоимость и следовательно снизить стоимость для покупателя. Повысился объем области хранения данных диска, улучшилась производительность (снизить время чтения/записи и доступа, снизился шум, нагрев, механический износ).

Какие трудности нас могут ожидать?

Трудность может ожидать в неподготовленности программного обеспечения, в следствии чего новый сектор может не улучшить характеристики, а наоборот ухудшить! Advanced Format поддерживается начиная с Microsoft Vista с последними обновлениями и более поздними версиями Windows, а также последними выпусками Linux и Mac OS X.

А происходит это из-за того, что программные кластеры не соответствуют друг другу (происходит сдвиг), а так же это касается физических секторов на диске, в следствии чего один кластер перекрывает два сектора, в следствии удваевается число операций чтений/записи, что в конечном случае приводит не только к замедлению работы, но и к большому износу жесткого диска.

Для решения этой ситуации компания Western Digital придумала специальную утилиту WD Align System Utility, благодаря которой производится сдвиг содержимого диска на 1 сектор. А так же специальная, технология Seagate SmartAlign, в дисках Seagate, позволяет использовать технологию нового сектора без специальной утилиты. Western Digital также позволяет сместить блоки переключателем на диске, но возможно проблем с количеством свободных блоков.

Можно так же применять специальные утилиты производителе например одна из них: Paragon Alignment Tool, которые позволяют смещать блоки и не давать падать быстродействию, а наоборот повышать.

Вывод здесь один, наши современные технологии идут все вперед и вперед, новый размер сектора действительно способен повысить быстродействие жесткого диска и системы в целом, но для достижения производительности необходимо внимательно подходить к этой технологии. Перед тем как её применять убедитесь в своем программном обеспечении о наличии поддержки нового формата, чтобы у вас не было трудностей в работе и чтобы Advanced Format принес вам только радость и комфорт! 🙂

Источник