Fyzická a logická struktura pevného disku

Z MediaWiki SPŠ a VOŠ Písek
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání

Fyzická struktura pevného disku

Základní struktura pevného disku

Mechanika HD (Hard Drive - pevný disk) se skládá z tuhých kovových disků (tzv. propojovací desky, plotny), které jsou potaženy povlakem oxidu železa a uloženy na sebe ve vzduchotěsně uzavřeném prostoru. Data se na disku uchovávají podobně jako na kazetě, tzn. magnetizováním nebo odmagnetizováním oblastí na desce. Pro obě strany každé desky má HD elektromagnetickou čtecí a zápisovou hlavu, pod kterou se propojovací deska otáčí rychlostí 3 600, 7 200, 10000 i více ot./min. Hlav je dvakrát více než ploten (pro každou stranu plotny), někdy však nejsou plotny oboustranné a hlav je pak méně. Čtení dat bylo založeno na magnetické indukci, dnes už však funguje dokonalejší systém - data jsou čtena jako sled změn odporů vyvolaných různou orientací magnetického pole (magnetických dipólů). Na každé hlavě se vyskytuje zvlášť část čtecí a část zapisovací. Čtecí hlavičky jsou velmi malé. Všechny hlavy disku jsou napevno připojeny k vystavovacímu raménku, takže nemohou být nastaveny nezávisle na sobě a pohybují se současně. Při vypnutí disku zajistí mechanika magnetických hlav jejich přistání do vyhrazené parkovací oblasti - hlava se nikdy nesmí dotknout disku, a poničit tak data. Mechanika hlav podstatně ovlivňuje rychlost a přesnost hlav; je založena na dvou principech:

  1. krokovém motorku - dnes už zastaralý, méně spolehlivý; jeden posun motorku -> posun o jednu stopu. Krokovací motorek se rychleji opotřebovává a při náhlém výpadku proudu je třeba dalších mechanismů, aby byl vrácen do základní polohy.
  2. vystavovací cívce - cívka je vychylována změnami proudu. Hlavička čte svou polohu z disku a na základě této polohy je přidáván nebo ubírán proud. Někdy slouží jedna prázdná strana kotouče jako “mapa”, ze které čte jedna hlava speciálně pouze polohu. Při náhlém výpadku proudu se hlavy samovolně vrací do parkovací zóny.

Velikost HD je stejně jako u disket 5,25" nebo 3,5". Pevné disky montované do přenosných počítačů mají rozměry ještě menší - často velikost plošší krabičky od zápalek.

Fyzicky je disk rozdělen do tzv. sektorů. Tyto sektory jsou spojeny do soustředných stop - kružnic - na povrchu každé plotny s tím, že na jednu plotnu připadá 305 a více stop. Počet sektorů na stopu je u HD 17, 26, 34 nebo 52 a více. Podle kódování dat dělíme HDD na RLL, MFM a PRML disky. Rozdělění na stopy a sektory vzniká při fyzickém formátování disku.

Fyzické formátování disku

Při fyzickém formátování se disk magneticky dělí na stopy a sektory, které se číslují. Nultá stopa je na okraji disku. Kapacita každého sektoru je stejná - 512 b. Každý sektor má stobitovou "hlavičku" - zde uloženy informace o tom, co se v daném sektoru nachází. U vícevrstevných disků se můžeme setkat s termínem cylindr neboli válec - stejné stopy na jednotlivých discích teoreticky vytváří po spojení válec. Formátování provádí řadič, jehož plošný spoj je umístěn na pouzdře disku. Tento druh formátování provádí výhradně výrobce disku.

Čtení ze sektoru se provádí ve třech krocích:

  • Hlava se nejprve přemístí nad požadovanou stopu
  • Ustálí se chvění hlavy
  • Disk se otočí tak, aby pod hlavou byl požadovaný sektor.

Teplotní kalibrace disku

Během práce se disk ohřívá, proto se kontroluje poloha hlavičky nad stopou a provádí se příslušné kalibrování. Během kalibrace dojde ke krátkodobému přerušení práce disku (to je nežádoucí, pokud jsou data např. přepalována na CD-R, které vyžaduje neustálý tok dat, a může dojít k znehodnocení CD-R). Novější disky však zvládají kalibraci provádět za provozu.

Kvalita disku je určena kapacitou, rychlostí (otáčky, kódování dat), přenosovou rychlostí (PIO módy), spolehlivostí (MTBF) a typem řadiče:

Rychlost disku

Rychlost HD posuzujeme podle přístupové doby (tj. doba trvání vyhledání dat). Přístupová doba se skládá z doby vystavení (=doba vyhledávání, Track-to-Track Seek) a doby čekání (celkem kolem 10 ms, disk je tedy asi o dva řády pomalejší než operační paměť.). Doba vystavení je výrobcem definována jako 1/3 doby potřebné pro pohyb hlavy přes celý disk. Měla by být co nejkratší, hlavy je nejlepší přesouvat jen minimálně, a proto čtení nebo zápis probíhá po cylindrech (0. stopa 1. povrchu, 0. stopa 2. povrchu atd.) Doba čekání udává dobu, než se pod hlavu dotočí příslušný sektor, a závisí tedy víceméně na náhodě. Technicky je uvažována jako jedna polovina otáčky disku. Otáčky disku se v průběhu let měnily z 3600, 4500 na 7200 a dnes přesahují i 10000 ot/min. Rychlost se dále posuzuje podle rychlosti přenosu dat (doba přečtení dat v MB/s).

Kapacita disku

První počítače IBM-XT vůbec disky neměly, postupně se začaly objevovat disky s kapacitou 10 MB, stovky MB a dnes dosahuje kapacita stovek GB. Kapacita se zvyšuje novými výrobními technologiemi, také se však “snižuje” rozpínavějšími programy a bezpečnostními opatřeními.

Hustota záznamu: Cílem je vytvářet stále jemnější a přitom stabilní magnetické struktury s možností vyšší hustoty zápisu dat. (-> miniaturní dipóly uchovávající bitovou hodnotu 0/1). Dříve se na kotouče disku nanášela slabá vrstva oxidů, ta byla však nahrazena vrstvou tenkého filmu. “Výška letu” hlavy nad povrchem disku se tak stále zmenšuje, k uchování dat je potřeba stále menší magnetické pole.

Kódování dat: Při čtení dat se “čte” změna napětí, která je vyvolána pouze změnami magnetického toku (změnou hodnoty na 0 nebo 1). Pokud však hlava čte stejné dipóly za sebou, není schopna rozlišit jejich počet. Proto byly vyvinuty metody kódování dat: MFM, RLL, PRML:

  • MFM (Modified Frequency Modulation) - 1 datovému signálu je vymezena přesná délka. Podle času stejného magnetického toku rozpozná řadič počet stejných bitů - dnes používáno jen u disket.
  • RLL (Run Length Limited) - řadič si přepočítává ukládanou posloupnost na novou kombinaci 0 a 1. Ukládané číslo je přeměněno tak, aby se v něm nevyskytovaly nečitelné sledy 0 nebo 1.
  • PRML (Partial Response Maximum Likehood) - hodnoty se zpracovávají digitálním signálovým procesorem (DSP). Ten hustě ležící dipóly přepočítá a dokáže dopočítat i chybějící údaj. PRML rozezná více dipólů na malé ploše -> navýšení kapacity disku.

Prekompenzace disku (CPZ) - Vnější stopy (0. stopa na okraji) jsou podstatně delší než stopy u středu disku, přesto nesou stejné množství dat, i když jsou sektory ve vnější oblasti delší. Ve vnitřní oblasti může díky těsnému nahloučení dipólů (vlastně malých magnetů) snadno dojít například ke slučování bitových informací a právě tomu zabraňuje prekompenzace. Řadič počítá s pohybem dipólů a data ukládá tak, aby byla po vzájemném působení magnetických sil správně uložena.

Zone bit recording (ZBR) - plocha disku je rozdělena na zóny, v jedné zóně bývá zpravidla více stop. Každá zóna má jiný počet sektorů - v dlouhých stopách je jich více a v kratších méně. Používání ZBR zvyšuje kapacitu disku, je však náročnější na mechaniku řadiče. Zónový zápis dnes používá velká většina disků.

Střední doba mezi chybami (MTBF - Mean Time Between Failures)

- doba mezi poruchami disku - je vypočítávána při simulaci stárnutí disku. Výsledkem jsou statisíce až milióny hodin bez poruchy (= přibližně přes sto let)

Řadič pevného disku

Jedná se o fyzickou část počítače, která funguje jako zprostředkovatel mezi základní deskou a pevným diskem. “Řídící centrum” diskové jednotky. Zodpovídá za správné vystavení hlav. Diskovou plochu si řadič dělí na stopy a sektory, přes sběrnici zajišťuje komunikaci disku s mikroprocesorem.

Prvním důležitým kritériem řadiče je metoda přístupu do paměti počítače při zápisu dat z disku. Jedná se o přímý přístup (DMA) do hlavní paměti a o přístup přes přerušení s tím, že obě metody jsou nekompatibilní. V prvním způsobu řadič zapisuje data přímo do paměti, v druhém řadič naplní vyrovnávací paměť cache (L2) o 512 bytech a poté vyšle signál procesoru. Ten přečte data a ukládá je do paměti.

Kódování řadiče může ovlivnit jednak velikost prostoru na disku a jednak zrychlit čtení z disku. Bylo by možné zvětšit například hustotu stop na disku či hustotu sektorů na stopu, ale za cenu ztráty spolehlivosti při přenosu dat. Proto je třeba hledat kompromis mezi velikostí a bezpečností. Pro tyto účely bylo vyvinuto několik schémat na kódování dat: (FM), MFM, RLL, PRML.

Dalším kritériem je hardwarové rozhraní pevného disku. Dá se přirovnat k "jazyku", kterým se domlouvají řadič a pevný disk. Rozlišujeme opět několik typů: Prvním rozhraním je ST506. Je instalováno na straně řadiče i pevného disku. Toto rozhraní je dnes již velmi zastaralé. Pro minimalizaci ztráty dat je snaha výrobců o co nejkratší délku přenosných kabelů.

  • IDE bylo zavedeno firmou Western Digital v roce 1986. Typ používá technologii ST506 s tím, že neodděluje disk a řadič, ale dává řadič přímo do disku (je integrován na mechanice disku), čímž minimalizuje ztrátu dat při přenosu mezi diskem a řadičem. Proto je možné umísťovat více sektorů na stopu. Starší typy řadičů ST506 získávaly data z disku, přeformátovaly je a předaly sběrnici (ta by jim bez přeformátování "nerozuměla"). Oproti tomu data z disku IDE jsou již předem zformátována. Jediným problémem je nízkoúrovňové formátování disku. IDE se dále zdokonalilo na standardy EIDE, FastATA a UltraFastATA. Spojení se základní deskou je zajištěno pomocí interface (rozhraní), to je realizováno rozšiřující kartou v ISA slotu. Mezi kartou a diskem proudí data 40žilovým kabelem. IDE se původně označovalo jako ATA, proto se můžeme s tímto názvem u disků IDE také setkat. IDE je spravováno vlastním ROM BIOSem, IDE disk je tedy třeba nastavit v BIOSu základním (na základní desce). Disky IDE používají kódování RLL nebo i PRML. Simulovaným přepočítáváním sektorů, hlav a cylindrů lze používat i ZBR, při takovémto umělém rozdělení disku se však nemůže např. provádět nízkoúrovňové formátování disku. Prokládání IDE disků je už 1:1. Původní IDE používá k adresování dat na disku metodu CHS (cylinder/head/sector) - kapacita disku může být jen 504 MB (důsledek starých BIOSů). Při transportu dat přes sběrnici je zatěžován příkazy mikroprocesor, rychlost přenášení dat je v praxi 2-3 MB/s. I u pevných disků se používá paměť cache, která je součástí každého řadiče (asi 64-512 KB, u jiných disků řádově i v MB). K rozhraní IDE je možné připojit dvě diskové jednotky (jedna musí být nastavena jako MASTER (bootovací), jedna jako SLAVE). Ne vždy však spolu jednotky IDE správně spolupracují.
  • EIDE (Enhanced IDE) definuje oproti původnímu standardu ještě další kanál, takže je možné u disku překonat kapacitní hranici 504 MB. Tato hranice vznikla jako důsledek BIOSu, který neuměl adresovat větší diskový prostor a dlouho omezoval disky na nízké kapacity. Dalším standardem, který je implementován do EIDE, je ATAPI (Attachment Packet lnterface), což je specifikace pro mechaniky CD-ROM a další bloková zařízení, která byla přijata SFF (Small Form Factor Comitee - sdružení, které rozpracovává a ustanovuje standardy). K řadiči EIDE tedy mohou být připojeny i CD disky. Ve skutečnosti jsou k němu připojovány i disketové mechaniky, rozhraní obsahuje i konektory pro zařízení připojená na LPT a COM porty.

EIDE definuje rychlejší přenosové režimy, je kompatibilní s IDE, umožňuje použití až čtyř diskových jednotek. Rozhraní EIDE je již integrováno do základní desky (bez jakékoliv přídavné karty). Kapacita disků EiDE byla navýšena pomocí nových systémů adresování dat - pomocí LBA (logical block) - disk je rozdělen na LBA bloky a ROM BIOSu je upraven; XCHS (eXtended Cylinder Head Sector) - rozšíření metody CHS. Pro nové disky byly také upravovány BIOSy -> nové verze BIOSu. Nastavování EIDE disku v BIOSu je však stále obtížné - musí se nastavit systém, pomocí kterého je kapacita navýšena. Data se u EIDE disků přenáší pomocí PIO módů, byly přidány další režimy pro komunikaci pomocí DMA (Multiword DMA). Data jsou přenášena i v burst režimu. V souvislosti s různými přenosovými režimy (určité PIO a DMA módy) jsou EIDE disky označovány také jako Fast ATA nebo ještě lepší Fast ATA 2. FastATA je také spravována SFF. Hlavními silami v tomto sdružení jsou firmy Quantum a Seagate. Původní standard ATA definoval přenosové rychlosti 4,1 a 8,3 MB/s. Standard FastATA definuje přenosové rychlosti 11,1 13,3 MB/s (rychlosti vyšší). Standard FastATA-2 dovoluje přenosové rychlosti až 16,6 MB/s.

  • Některé disky současnosti používají rozhraní ESDI (Enhanced Small Device Interface). Funkce oddělování dat se zde přesunuje z řadiče na disk. Šumy při přenosu tedy neovlivní oddělení dat, což urychlí přenos dat.
  • Dalším modernějším rozhraním je SCSI (Small Computer Systems Interface, [skazi]). Využívá se hojně u firmy Macintosh. IBM toto rozhraní přijalo se svým typem PS/2 z roku 1990. Dále se tohoto rozhraní užívá u výměnných disků Bernoulli, u CD-ROM, optických disků a dalších periferií. Předpokládaná rychlost přenosu dat pro toto rozhraní je až 100 Mb/s. Problémem SCSI je jeho práce s MS-DOSem. Oba pracují s logickým číslováním sektorů, tedy ne trojrozměrně (hlava, válec, sektor), ale jen s pořadovým číslem sektoru. MS-DOS ovšem pro potřebu předchozích disků tuto jednorozměrnou strukturu převádí na trojrozměrnou a SCSI si ji tedy musí převádět zpět, což zdržuje celý proces. Pokud instalujeme pevný disk s rozhraním SCSI, pak BIOSu počítače neuvádíme žádná data (jakoby disk neexistoval), rozhraní samo informuje počítač. Fyzicky je rozhraní realizováno pomocí přídavné karty - tzv. host adaptéru. Od ní je pak veden datový kabel, který spojuje jednotlivé periférie SCSI. Každá z těchto periférií má k dispozici vlastní řadič, takže nevznikají konflikty zařízení. K rozhraní je možné připojovat interní i externí komponenty. Připojit lze pevné disky, CD-ROM mechaniky, streamery, scannery, tiskárny, přenosová média … Kapacita jednotek už není nijak omezována, přenos dat je řízen adaptérem (kartou) => nezatěžuje mikroprocesor. Každá SCSI periférie je jednoznačně identifikována pomocí ID nastavitelným propojkami nebo přepínačem, sběrnice pro přenos dat musí být zakončena (i na straně zařízení) terminátory (= speciální odpory). S mikroprocesorem komunikuje host adaptér (pomocí IRQ, DMA, sběrnice). SCSI se dočkalo řady rozšíření - např. Fast SCSI, Fast+Ultra Wide ad.

Metody zefektivnění práce disku

PREKOMPENZACE DISKU Používá-li disk válce s vysokými pořadovými čísly, vznikne problém s válci u středu desky, který se řeší jednak prekompenzací disku nebo redukovaným záznamovým proudem. U těchto středových válců je hustota sektorů značně vyšší, než u válců okrajových. SAMOOPRAVNÉ KÓDY (ECC) Data jsou vystavena znehodnocování v důsledku času uplynulého od posledního zápisu. Magnetické oblasti se časem začnou náhodně rozdělovat, až se data zruší. Existuje metoda, která může nejen ztrátu dat odhalit, ale do určité doby i opravit. Řadič totiž přidá tzv. samoopravný kód. PŘEKLAD SEKTORU Schopnost překladu sektorů řeší problém s programy, které předpokládaly standardně 17 sektorů na 1 stopu. PROKLÁDÁNÍ SEKTORU (INTERLEAVE) Specifickým kritériem řadiče je optimální faktor prokládání. Vycházíme z předpokladu, že jeden soubor je zapsán ve více sektorech. Řadič čte po jednom sektoru. Vezměme si proces čtení sektoru:

  • hlava čte sektor,
  • přenese data řadiči,
  • použije samoopravného kódu,
  • provede kontrolu a předání dat řadičem,
  • požádá operační systém a BIOS o další sektor,
  • požádá řadič hlavy disku a celé znovu.

Celou dobu se disk stále točí. Rozlišuje se disk s prokládáním 1:1 a s prokládáním 1:6. V prvním případě jsou sektory jednoho souboru ukládány postupně ze sebou. Jenže pevné disky při své rychlosti otáčení nemohou stihnout číst sektory následující těsně za sebou jako např. disketová mechanika. Proto pro počítač XT firma IBM vytvořila prokládání 1:6, kde mezi sektory jdoucími číselně po sobě je 5 jiných sektorů. Odpočítání těchto sektorů dává počítači čas k provedení celého procesu čtení dat a ještě k zachycení dalšího sektoru. S prokládáním se tedy data neukládají za sebou, ale například do každého 6. sektoru. Novější disky používají faktor 1:3 a disky typu ESDI, IDE a SCSI již faktor prokládání nepotřebují vůbec. Nastavit faktor prokládání většinou znamená nízkoúrovňové přeformátování disku se ztrátou dat. V současnosti však již byly vytvořeny programy, které tento proces provedou bez nutnosti zálohování dat.

Zásady práce s pevným diskem

  • chránit disk před otřesy (zabránění styku hlav s povrchem disku)
  • vyvarovat se častého zapínání a vypínání počítače (také kvůli dotyku hlav)
  • nespouštět počítač hned po prudké změně teploty
  • zálohovat důležité soubory

Logická struktura pevného disku

- logická struktura je vytvořena vysokoúrovňovým formátováním, které umožňuje každý operační systém, je popisována soustavou tabulek.

POJMY:

Relativní sektory

Ve fyzickém popisu HD jsme užívali pojem absolutní sektor, který byl dán číslem válce, hlavy a sektoru (CHS metoda). MS-DOS používá pro každý sektor jen jedno číslo tzv. číslo relativního sektoru (Relativní sektory MS DOS uspořádává tak, že nejprve vezme válec O, hlavu 1 a sektor 1. Tím očísluje relativní sektor O (tento sektor je ovšem MS-DOSu nepřístupný). Pokračuje po sektorech stejné stopy a pak se přesune k další hlavě číslo 2. Opět projde všechny sektory a přejde na další hlavu. Tak přečte všechny stopy válce O a poté posune hlavy na válec 1. Postup se opakuje a přitom MS-DOS postupně čísluje relativní sektory.)

Alokační jednotky

(popř. alokační bloky, clustery)

MS-DOS seskupuje sektory do alokačních jednotek, což je elementární prostor, vyčleněný pro soubor. Soubor, který má menší velikost než jeden alokační blok zabere přesto na disku celý alokační blok (=> soubor zabírá na disku více místa než ve skutečnosti potřebuje). To je možné považovat za velkou slabinu a plýtvání kapacitou disku. V tomto případě pomáhá disk rozdělit do více logických oblastí - alokační jednotky jsou pak menší. Velikost alokačních bloků, tedy počet sektorů na jeden alokační blok je dán typem HDD a operačním systémem. Čím větší je kapacita disku, tím více sektorů je v alokační jednotce, tabulka FAT však může obhospodařovat pouze konečné množství alokačních jednotek. Informace o alokačních jednotkách a sektorech můžeme vyčíst např. z výpisu programu Scandisk. 1 sektor = 512 B (vždy); 1 cluster může obsahovat např. 32 sektorů.

Oblast DOSu

- MBR tabulka rozděluje disk na 4 oblasti, v každém oddílu pak může být jiný operační systém. (-> oblast dat pro Windows, MS-DOS). Oddíl DOSu bývá rozprostřen přes celý disk, v oblasti DOSu pak může být vytvořeno logických disků více. Oblast se dělí na primární(primary) a rozšířenou (extended). V primární oblasti jsou uloženy systémové soubory - odtud se načítá operační systém do operační paměti (tzv. aktivní oddíl). Rozšířená oblast se může členit na logické disky (C:, D:, E:, …).

Správa logických oddílů

- pomocí programu FDISK - při logické přestavbě jsou však vymazána všechna data, program je proto nutné spouštět z diskety. Dnes už existují mnohem komfortnější programy než je FDISK standardně dodávaný s operačním systémem (Partition Manager ...)

Formátování disku

(vysokoúrovňové) - ve Windows pravé tlačítko myši na ikoně disku + Naformátovat. Pokud má být jako primární OS spuštěn MS-DOS, nemůže být disk formátován z Windows. V DOSu se formátování provádí příkazem FORMAT C: -> spuštění programu FORMAT: formátování rychlé (vymazání) - je přepisována pouze tabulka FAT čistou tabulkou bez souborů, dat na disku si tato metoda nijak nevšímá - nelze použít u médií, která ještě neprošla vysokoúrovňovým formátováním. úplné formátování - vytváří se zcela nová logická struktura, FAT je přepsána novou verzí, rovněž jsou testovány datové clustery - nejspolehlivější metoda. pouze zkopírovat systém - disketa se neformátuje, pouze se na ni přenesou soubory OS.

=== Spouštěcí disketa === - slouží ke spuštění Windows v případě, že Windows nelze nastartovat z pevného disku. Jsou na ní nahrány i základní servisní programy (Fdisk, Format) - vytvoření v Ovládacích panelech -> Přidat nebo odebrat programy -> Spouštěcí disketa (vyžaduje instalační CD Windows - u W95).

Master Boot Record (MBR)

MBR obsahuje důležitou součást programového kódu, je uložen v 0. relativním sektoru na 0. stopě disku. Má dvě části:

  1. Zaváděcí záznam - krátký program spouštěný při startu BIOSem. Načítá tabulku oblastí a hledá aktivní oblast, ze které je spouštěn OS. Zaváděcí záznam kontroluje schopnost zavedení disku, obsahuje dva skryté soubory IO.SYS a MSDOS.SYS. Pokud tyto programy existují, počítač je při startu načte a spustí je. Navíc záznam obsahuje tabulku s informacemi o identifikační značce disku (jmenovce).
  2. Partition table (tabulka oblastí = segmentová tabulka) - dělí disk na oblasti. Vytváří se příkazem FDISK, v každém oddílu může být jiný OS. Tabulka oblastí je oblíbeným terčem virů, proto antivirové programy umožňují její zálohování. Pro malý diskový systém se počítač “podívá” do segmentové tabulky, aby zjistil, kde se segment (oblast) nachází. Záznam segmentu poukáže k počátečnímu sektoru segmentu, který obsahuje kód k zavedení tohoto segmentu. Pro větší počet segmentů MS-DOS zajistí rozšířený počet disků tak, že vytvoří několik nepravých hlavních zaváděcích záznamů pro rozšířený segment a jednu tabulku pro každý logický disk v rozšířeném segmentu. Na prvním fyzickém sektoru (válec O, hlava O, sektor 1) je uložen záznam primárního segmentu MS-DOSu, který obsahuje zaváděcí záznam pro první logický disk (většinou C:). Současně je zde záznam rozšířeného segmentu MS-DOSu, který ukazuje na adresu tabulky rozšířeného segmentu pro další disk. V této tabulce je opět záznam primárního segmentu MS-DOSu, tentokrát pro další disk (např. D:) a opět záznam rozšířeného segmentu pro další disk. Postup se tedy opakuje až po poslední disk, který již neobsahuje žádný záznam rozšířeného segmentu MS DOSu.

DOS Boot Record (DBR)

- je začátkem primární oblasti DOSu, je vytvořen při logickém formátování disku, má dvě části:

  1. Program na zavedení systémových souborů do operační paměti.
  2. Tabulka BPB (BIOS Parametr Block) - uložení údajů o základních parametrech disku. V rozšířené (neaktivní) oblasti obsahuje DBR pouze tuto tabulku.

Extended Partitions Table (EPT)

“falešné” MBR umístěné v rozšířené oblasti DOSu. Její funkcí je ukázat na další EPT v rozšířené oblasti a propojit tak jednotlivá oddělení disku.

Hlavní adresář (Root directory)

Vzniká automaticky při formátování. Slouží k zápisu údajů o programech uložených na disku, jsou zde uloženy veškeré informace o souboru, které lze vypsat pomocí kliknutí pravého tlačítka myši na ikoně souboru a volby Vlastnosti.

Hlavní adresář v organizaci FAT

FAT je starší organizace než VFAT ve Windows, povoluje pouze krátká jména souborů a adresářů. Každému souboru nebo adresáři je v hlavním adresáři vyhrazeno 32 B pro jeho popis. Jeden adresář může obsahovat maximálně 512 souborů => je nutné používat členění na podadresáře.

  • 8 B je vyhrazeno pro jméno souboru
  • 3 B pro příponu souboru
  • 1 B nese informaci o atributech souboru - R (read only), H (hidden), S (systém), A (archivace). Atribut D označuje, zda se jedná o soubor, nebo podadresář, L označuje jméno disku (C:)
  • 10 B se využívá pro popis data a času vytvoření a posledního přístupu
  • 4 B popisují datum a čas posledního zápisu
  • 2 B ukazují na 1. cluster FAT tabulky
  • 4 B uchovávají délku souboru

Hlavní adresář v organizaci VFAT

Podobná struktura jako FAT, umožňuje zápis delšího jména - pro zápis je využito více položek adresáře. VFAT vytváří i náhradní jméno souboru/adresáře, které bude použito v DOSu (6 písmen ~ pořadové číslo). Při ukládání dlouhých jmen se do jednoho adresáře nevejde ani výše zmiňovaných 512 souborů.

Tabulka FAT (File Allocation Table)

- jádro celé logické struktury disku (funguje stejně jako FAT i VFAT). Přiděluje diskový prostor ukládaným souborům - obsahuje informace o uložených souborech a jejich adresářové struktuře; popisuje konkrétní rozložení souboru na médiu (kde a jak se data nacházejí); normálně není uživateli přístupná, upravuje se při ukládání dat.

Typy FAT

  • 12-bitová - starší, dnes používaná pouze na disketách. Umožňuje adresovat 212 clusterů. Má 6 KB.
  • 16-bitová - používaná u pevných disků, je schopna obhospodařovávat 216 clusterů, zabírá 128 KB.
  • 32-bitová - použití u disků v 32-bitovém OS, adresuje až 232 clusterů - používaná u dnešních disků (FAT 32).

FAT je dosti často napadána viry, po jejím zničení nejsou data přístupná, proto je na disku uložena vždy dvakrát za sebou.

Princip FAT

Každému políčku ve FAT tabulce odpovídá jedna alokační jednotka (cluster). Pro číslování clusterů se používá hexadecimální soustava (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F; zápis v šestnáctkové soustavě končí vždy rozlišovacím písmenem H). V tabulce je zaznamenáno vždy jméno souboru (+přípona) a číslo první alokační jednotky, kde je soubor uložen. Další část souboru je uložena v alokační jednotce, jejíž číslo je zaznamenáno ve FAT políčku prvního clusteru. V políčku FAT, které odpovídá poslednímu clusteru souboru, je zapsáno “FFFF” (hodnota EOF). Je-li cluster nepoužitý, obsahuje políčko FAT “0000” (hodnota 0), vadný cluster je označen “FFF7” (hodnota BAD). Na každém disku bývá vždy několik vadných clusterů. Políčka tabulky vytváří jednosměrný propojený seznam, neboť lze sledovat alokační bloky souboru jdoucí po sobě, ale nikoliv bloky předcházející.

Nalezení dat na disku:

přečtení alokační tabulky (FAT tabulky); přímý přesun na místo s daty.

FAT spolupracuje společně s hlavním adresářem při umísťování souborů. Adresář oznamuje názvy souborů a FAT říká operačnímu systému, kde se nacházejí. FAT se nachází na relativním sektoru 1, tedy hned za zaváděcím záznamem MS DOSu. MS DOS vždy ukládá vedle primární FAT ještě jednu záložní kopii, po které již následuje hlavní adresář (angl. Root Directory).

Tabulka FAT je náchylná k chybám (při násilném přerušení práce), pro opravu dat je určen program Scandisk.

FAT, VFAT, FAT 16, FAT 32 a další systémy správy souborů

FAT

- používaná v DOSu, Windows 3.x, dovoluje pouze krátká jména souborů, clustery s pevnou velikostí, u větších disků větší clustery, náchylnost k fragmentaci, FAT a její kopie jsou uloženy těsně za sebou, vyžaduje pravidelnou údržbu dat.

VFAT

- použití ve Windows 95, maximální délka názvu souboru je 255 znaků, doplnění o správu dat na CD, k použití CD už nepotřebuje ovladač MSCDEX, zdokonalení o vyrovnávací paměť disku, práce odkládacího souboru, Servis Packy k W95 obsahovaly už VFAT 32 (možnost umístění více clusterů, lepší hospodaření s datovým prostorem disku).

NTFS

(New Technology File System) - použití ve Windows NT, také dlouhé názvy souborů, 32bitový systém, nezpůsobuje fragmentaci (do prázdných oblastí menších než soubor nejsou data ukládána), větší počet atributů pro soubory, práce s rozsáhlým diskovým prostorem, lepší obrana proti chybám - rekonstrukce poškozeného souboru, ochrana dat při výpadku energie.

HPFS

(High Performance File System) - datová struktura IBM použitá v operačním systému OS/2, má podobné vlastnosti jako NTFS.

Údržba pevného disku

Pro rychlý a správný provoz počítače je třeba mít mj. i spolehlivý, velký a rychlý pevný disk. Pomocí několika utilit můžeme optimalizovat disk tak, jak potřebujeme. === Kapacita disku === - pro zvětšení kapacity disku se dodává program DoubleSpace. Program umožňuje znásobení kapacity disku pomocí rychlé softwarové komprese dat. Dojde tím k malému zpomalení disku, zato však k výraznému zvětšení jeho objemu. Zvětšení disku udává výrobce dvoj- až trojnásobné. === Zrychlení pevného disku === - rychlost pevného disku je jedním za základních požadavků uživatelů. Pro její zvýšení slouží program Defragmentace disku. Provádí tzv. defragmentaci - srovnává data za sebou, takže mezi soubory na disku není zbytečně volného místa a soubor není fyzicky rozeset po disku -> je uložen v sektorech následujících těsně za sebou. Nebezpečí velké fragmentace souborů není však pouze ve zpomalení práce disku, při možných chybách FAT bývá poškozeno také větší množství souborů. Samotná fragmentace vzniká velmi snadno a nelze ji zabránit. Soubory jsou ukládány do (několika) volných souvislých clusterů, a když se tam celé nevejdou, jsou uloženy i do dalších clusterů nenavazujících a fragmentace je na světě :-). Teoreticky by fragmentace nikdy nenastala, pokud by žádná data nebyla mazána a neuvolňovaly se clustery mezi dalšími už zaplněnými. Defragmentaci disku je vhodné provádět asi jednou za měsíc (při stálé práci s počítačem). Program Defragmentace disku nabízí možnost spojovat nebo nespojovat do jednoho celku prázdné clustery, můžete tak spojovat pouze soubory, jen prázdné oblasti nebo úplně všechny clustery. Před defragmentací je vhodné smazat nepotřebné soubory z disku (provést menší údržbu) a zkontrolovat povrch disku pomocí Scandisku. Vlastní defragmentace většinou trvá i několik hodin, a proto je vhodné soubory defragmentovat, když zrovna nepotřebujeme pracovat s počítačem. Zobrazování legendy atp. defragmentaci jen zdržuje! Defragmentace komprimovaného disku (pokud je vůbec možná) trvá podstatně déle. === Chyby pevného disku === - pevný disk stejně jako disketa může mít po delším používání na svém disku magnetické chyby. ignorování těchto chyb má většinou za následek ztrátu dat. Proto existují hned dva programy pro detekci a opravu povrchu pevného disku: program CHKDSK pracující v příkazové řádce a dokonalejší program ScanDisk v pseudografickém režimu. Ztracené fragmenty souborů - mohou vzniknout, pokud při zápisu dat dojde k chybě - rozložení souboru je většinou už definováno ve FAT, v hlavním adresáři však chybí jméno souboru a data jsou tedy poškozena. Ztracená data je možné pomocí Scandisku uložit do hlavního adresáře (C:\) jako FILExxxx.CHK. Po uložení si je ještě můžeme prohlédnout, většinou nám ale nezbyde nic jiného než je smazat. Scandisk neumí pracovat s CD a síťovými disky, které mají jinou logickou strukturu. Program nabízí standardní nebo úplnou kontrolu (ta obsahuje i prověření povrchu disku). Způsob “léčby” souborů lze podrobněji definovat pomocí volby Upřesnit. Překřížené soubory (překřížené clustery) - při této chybě může jedna alokační jednotka náležet více souborům, nebo více políček tabulky FAT ukazuje na stejný cluster. Problém lze vyřešit pouhým překopírováním souborů a smazáním souborů poškozených. Jeden cluster (ten překřížený) bude však jednomu souboru chybět (budou chybět některá data; je možné že překřížený cluster bude chybět souborům oběma :-)). Opravu překřížených souborů také provádí Scandisk. Neplatný podadresář - chyba ojedinělá, zato však velmi závažná. Podadresář je v hlavním adresáři zapsán stejně jako soubor. Pokud se nestačí správně uložit číslo prvního clusteru podadresáře, jsou všechny soubory v podadresáři nenávratně ztraceny. Soubory jsou pak označeny jako ztracené fragmenty a uloženy do C:\. Naděje na jejich správné rozpoznání a obnovení je potom velmi malá.

Instalace pevného disku

- připojení ke zdroji, datovým kabelem k základní desce/host adaptéru, u SCSI disků aktivace terminátoru, nastavení MASTER/SLAVE pomocí jumperů, detekce disku v SETUPu, definování logických jednotek pomocí programu FDISK (není třeba), zformátování programem FORMAT, instalace operačního systému a dalších programů.


[1]

--195.113.101.210 11. 6. 2010, 08:34 (UTC)

Citováno z „http://wiki.sps-pi.cz/index.php?title=Fyzická_a_logická_struktura_pevného_disku&oldid=4987“