Будова жорсткого диску комп’ютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Будова компонента комп'ютера який буде тестуватися, або характеристики які будуть визначатися

Основним пристроєм зберігання інформації у комп'ютерній системі є жорсткий диск. Великий обсяг і енергонезалежність зробили його найбільш придатним для зберігання програм і даних.

Накопичувач на жорсткому диску зовні являє собою міцний металевий корпус. Він абсолютно герметичний і захищає дисковод від часточок пилу, які, потрапивши у вузький зазор між головкою й поверхнею диска, можуть пошкодити чутливий магнітний шар і вивести диск із ладу. Крім того, корпус екранує накопичувач від електромагнітних перешкод.

Усередині корпуса знаходяться всі механізми і деякі електронні вузли.

Механізми - це самі диски, на яких зберігається інформація, головки, що записують і зчитують інформацію з дисків, а також двигуни, що рухають весь пристрій.

Диск - це кругла металева пластина з дуже рівною поверхнею, вкрита тонким феромагнітним шаром. У багатьох накопичувачах використовується шар оксиду заліза (яким вкривається звичайна магнітна стрічка), але новітні моделі жорстких дисків працюють із шаром кобальту завтовшки приблизно в десять мікронів. Таке покриття більш міцне і, крім того, дозволяє значно збільшити Щільність запису. Технологія його нанесення близька до тієї, що використовується при виробництві інтегральних мікросхем.

Кількість дисків може бути різною - від одного до п'яти, кількість робочих поверхонь, відповідно, удвічі більшою (по дві на кожному диску). Останнє (як і матеріал, використаний для магнітного покриття) визначає об'єм жорсткого диска. Іноді зовнішні поверхні крайніх дисків (або одного з них) не використовуються, що дозволяє зменшити висоту накопичувача, але при цьому кількість робочих поверхонь зменшується й може виявитися непарною.

Магнітні головки зчитують і записують інформацію на диски. Принцип запису загалом схожий на той, що використовується у звичайному магнітофоні. Цифрова інформація перетворюється на змінний електричний струм, що надходить на магнітну головку, а потім передається на магнітний диск, але вже у вигляді магнітного поля, яке диск може сприйняти і «запам'ятати».

Магнітне покриття диска являє собою безліч дрібних областей довільної (спонтанної) намагніченості. Для наочності уявіть собі, що диск вкритий шаром дуже маленьких стрілок від компаса, спрямованих у різні сторони. Такі частинки-стрілки називаються доменами. Під впливом зовнішнього магнітного поля власні магнітні поля доменів орієнтуються відповідно до його напрямку. Після припинення дії зовнішнього поля на поверхні диска утворюються зони залишкової намагніченості.

У такий спосіб зберігається записана на диск інформація. Ділянки залишкової намагніченості, опинившись при обертанні диска І напроти зазору магнітної головки, викликають у ній електрорушійну силу, яка змінюється в залежності від величини намагніченості. Пакет дисків, змонтований на осі-шпинделі, рухається спеціальним двигуном, компактно розташованим під ним. Швидкість обертання дисків, як правило, складає 5400 об/хв, хоча існують диски і зі швидкістю обертання 7200, 10000 і навіть 15000 об/хв. Для того щоб скоротити час виходу накопичувача в робочий стан, двигун при вмиканні якийсь час працює у форсованому режимі. Тому джерело живлення комп'ютера повинно мати запас пікової потужності.

Тепер про роботу головок. Вони переміщаються за допомогою прецизійного крокового двигуна і ніби «пливуть» на відстані в частки мікрона від поверхні диска, не торкаючись його. На поверхні дисків у результаті запису інформації утворюються намагнічені ділянки, у формі концентричних кіл. Вони називаються магнітними доріжками. Переміщаючись, головки зупиняються над кожною наступною доріжкою. Сукупність доріжок, розташованих одна під одною на всіх поверхнях, називають циліндром. Усі головки накопичувача перемішаються одночасно, здійснюючи доступ до однойменних циліндрів з однаковими номерами.

2. Сигнали та команди, які впливають на пристрій, або дозволяють визначити характеристики пристрою

Зберігання і читання даних з диска вимагає взаємодії між операційною системою, контролером жорсткого диска й електронними й механічними компонентами самого нагромаджувача. Операційна система поміщає дані на зберігання й обслуговує каталог секторів диска, закріплених за файлами. Коли ви даєте системі команду зберегти файл або прочитати його з диска, вона передає її у контролер жорсткого диска, який переміщає магнітні головки до таблиці розташування файлів відповідного логічного диска. Потім операційна система зчитує цю таблицю, здійснюючи в залежності від команди пошук вільного сектора диска, у якому можна зберегти новий створений файл, або початок призначеного для зчитування файла.

Інформація таблиці розміщення файлів надходить з електронної схеми нагромаджувача в контролер жорсткого диска і повертається операційній системі, після чого ОС генерує команду установки магнітних головок над відповідною доріжкою диска для запису або зчитування потрібного сектора. Записавши новий файл на вільні сектори диска, ОС повертає магнітні головки в зону розташування таблиці і вносить у неї зміни, послідовно перераховуючи всі сектори, на яких записаний файл.

Адресація секторів

Жорсткий диск, як і будь-який інший блоковий пристрій, зберігає інформацію фіксованими порціями, що називаються блоками. Блок є найменшою порцією даних, що має унікальну адресу на жорсткому диску.

Для того щоб прочитати або записати необхідну інформацію в потрібне місце, треба представити адресу блока як параметр команди, що видається контролеру жорсткого диска. Розмір блока вже віддавна є стандартним для усіх жорстких дисків - 512 байт. На жаль, досить часто відбувається плутанина між такими поняттями, як «сектор», «кластер» і «блок». Фактично між «блоком» і «сектором» різниці немає. Правда, одне поняття логічне, а друге топологічне. «Кластер» - це кілька секторів, які операційна система розглядає як одне ціле.

Чому ж відмовилися від простої роботи із секторами? Перехід до кластерів відбувся тому, що розмір таблиці розміщення файлів був обмежений, а розмір Диска збільшувався. Наприклад, у файловій системі FAT16 для диска об'ємом 512 МБ кластер буде складати 8 КБ, до 1 ГБ - 16 КБ, до 2 ГБ - 32 КБ і так Далі. Для того щоб однозначно адресувати блок даних, необхідно вказати всі три числа (номер циліндра, номер сектора на доріжці, номер головки). Такий спосіб адресації диска був широко розповсюджений і одержав згодом позначення абревіатурою CHS (cylinder, head, sector). Саме цей спосіб був спочатку реалізований у BIOS, тому згодом виникли обмеження, пов'язані з ним. Справа в тому, що BIOS визначив розрядну сітку адрес на 63 сектори, 1024 циліндри і 255 головок. Однак розвиток жорстких дисків у той час обмежувався використанням лише 16 головок у зв'язку зі складністю виготовлення. Звідси з'явилося перше обмеження на максимально припустиму для адресації ємність жорсткого диска: 1024x16x63x512 = 504 Мб.

Згодом виробники почали випускати HDD більшого розміру. Відповідно кількість циліндрів на них перевищила 1024, максимально допустиму кількість циліндрів (із погляду старих BIOS). Однак адресована частина диска продовжувала дорівнювати 504 Мб, за умови, що звертання до диска велося засобами BIOS. Це обмеження згодом було зняте введенням так званого механізму трансляції адрес.

Проблеми, що виникли з обмеженістю BIOS щодо частини фізичної геометрії дисків, призвели, зрештою, до появи нового способу адресації блоків на диску. Цей спосіб досить простий. Блоки на диску описуються одним параметром - лінійною адресою блока. Адресація диска лінійно одержала абревіатуру LBA (logical block addressing). Лінійна адреса блока однозначно пов'язана з його CHS-адресою:

Іbа = (Циліндр х Всього Головок + Головка) х Секторів + (Сектор-1)

Введення підтримки лінійної адресації у контролери жорстких дисків дало можливість BIOS зайнятися трансляцією адрес. Суть цього методу полягає в тому, що якщо в наведеній вище формулі збільшити параметр Всього Головок, то буде потрібно менше циліндрів, щоб адресувати ту ж саму кількість блоків диска. Але зате буде потрібно більше головок. Однак головок використовувалося всього 16 з 255. Тому BIOS почали переводити надлишкові циліндри в головки, зменшуючи кількість одних і збільшуючи кількість інших. Це дозволило їм використовувати розрядну сітку головок повністю і відсунуло межу адресованого BIOS дискового простору до 8 ГБ.

Не можна не сказати кілька слів і про Large Mode. Цей режим роботи призначений для роботи жорстких дисків обсягом до 1 ГБ. У Large Mode кількість логічних головок збільшується до 32, а кількість логічних циліндрів зменшується вдвічі. При цьому звертання до логічних головок 0. F транслюються в парні фізичні циліндри, а звертання до головок 10. IF - у непарні. Вінчестер, розмічений у режимі LBA, несумісний з режимом Large, і навпаки.

Подальше збільшення адресованих об'ємів диска з використанням колишніх сервісів BIOS стало принципово неможливим. Справді, всі параметри задіяні за максимальною «планкою» (63 сектори, 1024 циліндри і 255 головок). Тоді був розроблений новий розширений інтерфейс BIOS, що враховує можливість дуже великих адрес блоків. Однак цей інтерфейс уже не сумісний з колишнім, унаслідок чого старі операційні системи, такі як DOS, що користуються старими інтерфейсами BIOS, не змогли і не зможуть переступити межу в 8 ГБ.

Практично всі сучасні системи вже не користуються BIOS, а використовують власні драйвери для роботи з дисками. Тому це обмеження на них не поширюється. Але слід розуміти, що, перш ніж система зможе використовувати власний драйвер, вона повинна, як мінімум, його завантажити. У зв'язку з цим на етапі початкового завантаження будь-яка система змушена користуватися BIOS. Це викликає обмеження на розміщення багатьох систем за межами 8 ГБ, вони не можуть звідтіля завантажуватися, але можуть читати й писати інформацію (наприклад DOS, який працює з диском через BIOS).

Що зберігається в таблиці розміщення файлів?

Всі вільні кластери позначені в ній нулями. Якщо файл займає декілька кластерів, то ці кластери пов'язані в список. Для пов'язаних у список кластерів елементи таблиці FAT містять номера наступних використовуваних даним файлом кластерів. Кінець списку відзначений у таблиці спеціальним значенням. Номер першого кластера, виділеного файлу, зберігається в елементі каталогу, що описує даний файл.

Утиліти операційної системи і деякі спеціальні утиліти перевіряють диск на предмет наявності дефектних областей. Кластери, що знаходяться в цих дефектних областях, відзначаються в FAT як погані і не використовуються операційною системою.

Отже, FAT - масив інформації про використання кластерів диска, містить однозв'язані списки кластерів, розподілених між файлами. Номера початкових кластерів файлів зберігаються в каталогах.

Розглянемо спочатку два формати FAT - 12-бітовий і 16-бітовий. Ці формати використовують, відповідно, 12 і 16 бітів для збереження інформації про один кластер диска.

12-бітовий формат зручний для дискет із невеликою кількістю секторів - уся таблиця розміщення файлів поміщається в одномо секторі. Якщо розмір диска такий, що для представлення всіх секторів дванадцятьох розрядів недостатньо, можна збільшити розмір кластера, наприклад до восьми секторів. Проте великий розмір кластера приводить до неефективного використання дискового простору. Це відбувається через те, що мінімальний виділяємий файлу елемент - кластер - має занадто великий розмір. Навіть для файла, що має довжину 1 байт виділяється цілий кластер. Виходить, якщо розмір кластера складає 8 секторів, то для збереження одного байта буде використано 4 кілобайта дискової пам'яті.

При використанні FAT 16-бітового формату операційна система може працювати з диском, що має розмір більш 32 мегабайт. DOS версії 4.0 при використанні 16-бітового формату FAT і кластерів розміром 4 сектори може працювати з розділами, які по розміру досягають 134 мегабайти.

Як програма визначає формат FAT.

Для DOS версії 3.0 16-бітовий формат використовується, якщо розмір диска перевищує 4086 кластерів. Це число утворилося виходячи з того, що в 12 розрядах може бути подане максимальне число 4096, крім того, значення, більші 0ff6, зарезервовані.

Для DOS версії 3.2 16-бітовий формат FAT використовується в тому випадку, коли розмір диска перевищує 20790 секторів (саме секторів, а не кластерів). Фактично це означає, що 16-бітовий формат використовується тільки для дисків, що мають розмір більш 10 мегабайт.

Сектор завантажувального запису (BOOT-сектор) диска, відформатованого в DOS версії 4.0 у полі зі зсувом 36h містить вісьмибайтовий рядок, що ідентифікує формат FAT. Вона має вигляд «FAT12» або «FAT16». Можна використовувати це поле для визначення формату FAT. У структурі BOOT, описаної у файлі sysp. h, це поле fat_format.

Якщо розділи на жорсткому диску створювалися утілітою DOS FDISK, формат FAT можна визначити, аналізуючи вміст поля sys головного завантажувального запису (Master Boot Record). Якщо це поле містить значення 1, використовується 12-бітовий формат, якщо 4 - 16-бітовий. Проте диск, підготовлений програмами диск-менеджерів, може мати нестандартний для DOS формат таблиці розділів диска (Partition Table), і поле sys може містити інші розміри, відмінні від 1 і 4.

Формат FAT

Перший байт FAT називається «Описувач середовища» (Media Descriptor) або байт ID ідентифікації FAT. Він має таке ж значення, як і байт-описувач середовища, що знаходиться в BOOT-секторі логічного диска.

Наступні 5 байтів для 12-бітового формату або 7 байтів для 16-бітового формату завжди містять значення 0ffh.

Вся інша частина FAT складається з 12-бітових або 16-бітових комірок, кожна комірка відповідає одному кластеру диска. Ці комірки можуть містити такі значення: FAT12 FAT16

Що означає 000h0000h - вільний кластер,

ff0h - ff6hfff0h - fff6h - зарезервований кластер,

ff7hfff7h - поганий кластер,

ff8h - fffhfff8h - ffffh - останній кластер у списку,

002h - fefh0002h - ffefh - номер такого кластера в списку.

Безпосередній доступ до FAT може знадобитися для:

організації сканування каталогів для пошуку потрібних файлів;

для читання каталогів як файлів;

для організації захисту інформації від несанкціонованого копіювання.

Загальна схема використання FAT така:

*Читаємо FAT у пам'ять. Як уже зазначалося FAT розташовується відразу після BOOT-сектора (логічний сектор із номером 1). Для точного визначення початкового сектора FAT потрібно прочитати у пам'ять BOOT-сектор і проаналізувати вміст блока параметрів BIOS. У поле ressecs записана кількість зарезервованих секторів, що розташовуються перед FAT. Поле fatsize містить розмір FAT у секторах. Крім того, варто враховувати, що на диску може знаходитися декілька копій FAT. Операційна система використовує тільки першу копію, інші потрібні для утіліт відновлення вмісту диска. Кількість копій FAT знаходиться в полі fatcnt BOOT-сектора.

*Потім необхідно визначити номер першого кластера файла, для якого необхідно визначити його розташування на диску.

*Використовуємо номер першого кластера як індекс у FAT для отримання номера такого кластера.

*Повторюємо цю процедуру доти, поки отримане з FAT значення не буде відповідати кінцю файла.

Процедура витягу номера кластера з FAT залежить від формату таблиці розміщення файлів.

16-бітову FAT можна уявити як масив 16-бітових чисел. Для визначення номера такого кластера треба просто отримати 16-бітове значення з FAT, використавши в якості індексу номер попереднього кластера.

Для 12-бітової FAT процедура значно складніша.

Необхідно виконати такі дії:

*Помножити номер початкового кластера на 3.

*Розділити результат на 2 (тому що кожний елемент таблиці має довжину 1.5 байта).

*Прочитати 16-бітове слово з FAT, використовуючи в якості зсуву значення, отримане після ділення на 2.

*Якщо номер початкового кластера парний, на вибране з FAT слово треба накласти маску 0fffh, залишивши молодші 12 бітів. Якщо номер початкового кластера не парний, вибране з FAT значення необхідно зсунути вправо на 4 біта, залишивши старші 12 біт.

*Отриманий результат - номер такого кластера в ланцюгу, значення 0fffh відповідає кінцю ланцюга кластерів.

Файлова система {DOS} має деревоподібну структуру. У кореневому каталозі розташовуються 32-байтові елементи, що містять інформацію про файли й інші каталоги. Для читання кореневого каталога необхідно визначити його розташування і розмір.

Кореневий каталог знаходиться відразу за останньою копією FAT. Кількість секторів, що займаються однією копією FAT, знаходиться в блоці параметрів BIOS у BOOT-секторі в полі fatsize, кількість копій FAT - у полі fatcnt блока BPB. Отже, перед кореневим каталогом знаходиться один BOOT-сектор і (fatcnt_*_fatsize) секторів таблиці розміщення файлів FAT.

Розмір кореневого каталога можна визначити виходячи із значення поля rootsize. У цьому полі при форматуванні диска записується максимальна кількість файлів і каталогів, що можуть знаходитися в кореневому каталозі. Для кожного елемента в каталозі виділяється 32 байта, тому кореневий каталог має довжину (32_*_rootsize) байтів.

Після кореневого каталога на логічному диску знаходиться область файлів і підкаталогів кореневого каталога. На малюнку зображені всі області логічного диска. Таку структуру мають логічні диски, розташовані в розділах жорстких дисків, а також дискети.

Області логічного диска Номер початкового сектора на логічному диску

+-+

: 0

: BOOT-сектор і:

: зарезервовані:

: сектори:

:

+ -:

: ressecs - кількість резервних

: Перша копія FAT: секторів

:

+ -:

: ressecs+fatsize

: Друга копія FAT:

:

+ -:

: ressecs+(fatsize*fatcnt)

: Кореневий каталог:

:

+ -:

: ressecs+(fatsize*fatcnt)+

: Область даних: sectsize_/_(32*rootsize)

:

+ - +

3. Метод тестування пристрою

1). Для того щоб знайти в каталозі всі файли, які задовольняють умовам шаблону групової операції (наприклад, всі файли з розширенням. ASM або всі файли з ім'ям EXAMPLE і будь-якими розширеннями). Пошук файлів за заданими шаблонами групових операцій здійснюється за допомогою функцій 4Eh (знайти перший файл) і 4Fh (знайти наступний).

Знайти перший файл в каталозі:

Mov ah, 4eh

Lea dx, name

Int 21h

Знайти наступний файл в каталозі:

Mov ah, 4fh

Lea dx, name

Int 21h

2). Для їх використання необхідно за допомогою функції lAh організувати в програмі область дискової передачі даних (Disk transfer area, DTA) розміром не менше 43 байт або за допомогою функції 2Fh отримати адресу області передачі даних, створеної DOS.

Mov ah, 1ah

Lea dx, DTA

Int 21h

Відомо, втім, що в якості DTA DOS використовує область PSP від ??байта 80h. DOS поміщають в DTA інформацію про знайдений файл (атрибути, час і дата створення, розмір і таке інше). При пошуку файлів за заданим шаблоном спочатку активізується функція 4Eh. У регістри DS: DX поміщається адреса рядка ASCIIZ, в якій заданий шлях до каталогу, а в регістр СХ - код комбінації атрибутів шуканого файлу. Якщо встановлені атрибути пошуку, то шукаються як нормальні файли, так і файли з заданими атрибутами. У разі успішного знаходження заданого файлу функція повертає в CF = 0, а ім'я та розширення файлу у вигляді рядка ASCIIZ поміщаються в DTA, в байти lEh… 2Ah.

Отримавши ім'я файлу, можна відкрити цей файл за допомогою функції 3Dh і виконати далі необхідні операції (читання, запис і т.д.). Пошук наступних файлів, які відповідають умовам заданого шаблону, здійснюється за допомогою функції 4Fh, яка використовується так само, як і функція 4Eh пошуку першого файлу. При необхідності функцію 4Fh можна активізувати багаторазово, поки CF = 1 не покаже, що всі файли, що задовольняють умовам заданого шаблону, вичерпані.

Список літератури

диск тестування жорсткий обертання

1. Абель П. Асемблер. Язык и программирование для IBM PC (5-е издание). - М.: Век, 2003. - 736 с.

2. Юров В. Assembler: практикум. - СПб.: Питер, 2001. - 400 с.

3. Кулаков В. Програмирование на Аппаратном уровне. - СПб.: Питер, 2003. - 847 с.

Размещено на Allbest.ru