5.2. Физическая и логическая структуры
HDD-накопителя
Данные на каждый из дисков HDD-накопителя записываются в виде концентрических колец - дорожек. Такие дорожки формируются при физическом форматировании жесткого диска, которое, как правило, выполняется изготовителем. Количество дорожек на каждой поверхности всех дисков одинаково. Нумерация их начинается от края диска. Нумеруются и сами поверхности. Их число, разумеется, в два раза больше числа дисков накопителя. Номер поверхности совпадает с номером головки, производящей запись и считывание информации с этой поверхности. Нумерация дорожек и головок (поверхностей) начинается с 0, т.е. внешняя дорожка и верхняя головка имеют нулевые номера.
Дорожки всех поверхностей с одинаковым номером образуют цилиндр (рис. 5.2).
Каждая из дорожек разбивается на секторы, которые являются минимальными элементами хранения и адресации данных. Размер каждого сектора - 512 байт. Однако еще в 2006 году было объявлено о переходе на размер сектора 4096 байт, который планировалось завершить к 2010 году.
Поскольку дорожки одной и той же поверхности, но расположенные на разных расстояниях от центра, имеют разную длину, то в целях увеличения емкости диска целесообразно увеличивать число секторов на дорожке по мере удаления от центра. Для этого в современных HDD-накопителях дорожки, а вместе с ними и цилиндры, сгруппированы в несколько зон. Таких зон на диске может быть от 10 и более. Дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. При этом на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Обычно на дорожках внутренней зоны - 17 секторов, а по мере удаления от центра число секторов на дорожках одной зоны увеличивается до 63. Секторы на дорожке также пронумерованы, но нумерация их начинается с единицы, а не с нуля, в отличие от головок и цилиндров. Следует отметить, что реально секторов на каждой дорожке гораздо больше - до 100 и более. Максимальное их количество у современных дисков может достигать 256. Однако «лишние» секторы являются резервными и в начальный период эксплуатации накопителя не используются. Их применение начинается после того, как в каком-либо секторе возникает неисправимая ошибка (дефект). Такой сектор в дальнейшем исключается из процесса работы и заменяется резервным, которому присваивается тот же номер. Таким образом, число «работающих» секторов на дорожке остается прежним.
В каждом секторе, кроме основных данных, содержатся и разного рода служебные данные. В начале каждого сектора располагается заголовок (prefix), который включает в себя идентификатор (ID) сектора, проверочную группу CRC, необходимую для обнаружения ошибок в идентификаторе, и калибровочную последовательность для включения записи основных данных. Идентификатор содержит информацию о номере цилиндра, головки и сектора. После заголовка следуют 512 байт основных данных. В конце сектора размещается его заключительная часть (suffix), которая представляет собой проверочную группу CRC (checksum), необходимую для обнаружения ошибок в основных данных сектора, и выводную последовательность, которая необходима для того, чтобы создать защитный интервал между соседними секторами. В результате каждый сектор вместе со служебными данными содержит 571 байт [102].
Разметка дисков на дорожки, секторы и цилиндры выполняется при их физическом форматировании (форматировании низкого уровня) на заводе-изготовителе. Для этого используются специальные программные средства, например, Speed Store, Disk Manager или команды DOS.
После физического форматирования выполняется логическое форматирование или форматирование высокого уровня, в процессе которого на диске устанавливается файловая система, обеспечивающая возможность операционной системе устройства использовать дисковое пространство для записи данных и их чтения. Файловая система содержит в себе различные загрузочные данные, таблицу размещения файлов (FAT - File Allocation Table), корневой каталог диска и данные, используемые для диагностики.
Логическая структура должна быть совместима с используемой в устройстве (компьютере или дисковом магнитофоне) операционной системой. Минимальной логической единицей доступа к информации на диске является кластер (allocation unit). Каждый кластер состоит из нескольких секторов (8, 16 или другое большее число, являющееся степенью 2). Кластеры пронумерованы, но номера их соответствуют не порядковому расположению на дисках, а порядку расположения в пределах одного цилиндра. В процессе записи данных на диск, прежде всего, используются сектора, которые на данный момент находятся под всеми головками, т.е. секторы, расположенные на дорожках одного цилиндра, и переход к следующему цилиндру производится только после того, как будут записаны все сектора текущего. Это делается для того, чтобы процедура записи (равно как и процедура считывания) включала в себя как можно меньше операций перемещения головок. Кластер считается свободным, если никакая запись в него не производилась, и занятым, если в него записан хотя бы один байт информации. Поэтому даже файл размером всего в несколько байт требует для своего хранения целого кластера. В результате, довольно значительная часть дискового пространства не используется. И чем больше размер кластера, тем большими могут быть потери. Однако, с другой стороны, использование кластеров позволяет ускорить работу устройства, поскольку количество кластеров существенно меньше количества секторов.
Основной частью файловой системы является таблица размещения файлов (FAT). В ней содержатся записи с номерами кластеров и отметками, характеризующими состояние этих кластеров. Таких состояний может быть пять:
- кластер свободен;
- кластер занят файлом и не является последним кластером файла (в этом случае в ячейке указан номер следующего кластера файла);
- кластер является последним кластером файла;
- кластер поврежден;
- кластер зарезервирован.
Существуют три версии FAT – FAT12, FAT16 и FAT32. Они отличаются разрядностью записей в ячейке - 12, 16 или 32 бита, что определяет размер кластера. Версия FAT12 в жестких дисках не используется, она была разработана для дискет. FAT16 используется в накопителях небольшого объема, поскольку в этом случае на логическом диске не может быть более 65536 кластеров: 216 = 65536. В современных накопителях большого объема используется версия FAT32.
Как и в любой другой системе записи цифровой информации, для защиты данных от ошибок здесь используется двойной код Рида-Соломона с перекрестным перемежением. Перед записью поток данных модулируется канальным кодом, скорость которого R = 0,5, коэффициент повышения плотности записи K = 1,5, минимальная длина пробега Tmin = 3, максимальная длина пробега Tmax = 8, минимальное количество «нулей» между двумя соседними «единицами» d = 2, максимальное количество «нулей» между двумя соседними «единицами» k = 7 (отсюда его обозначение - [2,7]).