Архітектура комп'ютерів

Рис. 11.7. Пример дерева каталогов

 

Объединение файлов в  каталоги не означает, что они каким-либо образом сгруппированы в одном  месте на диске. Более того, один и тот же файл может быть «разбросан» (фрагментирован) по всему диску. Сведения о местонахождении отдельных частей файла хранятся в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table), находящейся на том же диске.

 

Спецификация  файла

Для того чтобы операционная система могла обратиться к файлу, необходимо указать:

□  диск;

□   каталог;

□   полное имя файла.

Эта информация наличествует в спецификации файла, которая имеет  следующий формат:

[drive:][\][path\]filename[.type],

или в русскоязычном  варианте:

[дисковод:][\][путь\]имя  файла[.расширение].

Квадратные скобки означают, что элементы, заключенные в них, могут отсутствовать. Сами квадратные скобки являются синтаксическими знаками и в спецификации файла не используются. Между элементами спецификации и внутри них (исключая имя и расширение файла) не должно быть пробелов.

Элемент drive (дисковод) обозначает диск, на котором находится файл или куда он записывается, например А:, В:, С:, D: и т. д. Если дисковод не указан, то по умолчанию используется текущий диск. Текущий диск — это диск, с которым в настоящий момент работает операционная система (ОС). Текущий диск устанавливается автоматически после загрузки ОС и может быть переустановлен командой операционной системы. Имя текущего диска всегда выводится в подсказке на экране.

Path (путь) — это каталог или последовательность каталогов, которые необходимо пройти по дереву каталогов к тому каталогу, где находится файл. Имена в пути записываются в порядке от корневого каталога и разделяются символом «\». Путь может начинаться символом «\»: в этом случае поиск файла начинается с корневого каталога. Путь может начинаться символами «..»: тогда поиск файла начинается с предшествующего надкаталога. Если путь опущен, то по умолчанию подразумевается текущий каталог.

Например:

□   D:\VIR\aidstest.exe — файл aidstest.exe находится в подкаталоге VIR на диске D:. Путь состоит из корневого каталога и подкаталога VIR (если текущий дисковод D, то можно указать \VIR\aidstest.exe);

□   D:\ASM\ASMPROG\sqr.asm — файл sqr.asm находится в каталоге ASMPROG. Путь включает в себя корневой каталог и подкаталоги ASM и ASMPROG;

□   Masm.exe — файл masm.exe отыскивается на текущем диске в текущем каталоге. Текущим каталогом должен быть каталог ASM (если текущий каталог ASMPROG, то годится спецификация ..masm.exe).

Дисковод и путь могут не указываться  при обращении к файлам типа СОМ, ЕХЕ или ВАТ, даже если диск и каталог не являются текущими. В этом случае сведения о диске и пути указываются в команде PATH, включаемой в файл Autoexec.bat. Для стандартных символьных внешних устройств ПК (они выступают здесь как логические устройства) предусмотрены постоянные имена, (правда, без расширений), позволяющие обращаться к ним как к файлам:

□   PRN или LPT1 (2, 3) — принтер;

□   CON — консоль (клавиатура при вводе и дисплей при выводе);

□   СОМ1 (2, 3, 4) — дополнительные символьные внешние устройства;

□   NUL — фиктивное устройство; обычно используется при отладке программ пользователей.

 

Размещение информации на дисках

Дорожки диска разбиты на секторы. В одном секторе дорожки обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно кластерами. Кластер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из двух или большего числа смежных секторов дорожки (кластеры называют также единицами выделения памяти — allocation unit). Поэтому если необходимо разместить на диске маленький файл, например размером 20 байт, он все равно займет дисковое пространство размером в кластер (минимум 2 х 512 = 1024 байт).

Количество секторов в кластере всегда равно целой  степени 2. Таблица FAT 16 в 16 бит должна быть способна отображать значение максимального номера кластера, то есть количество кластеров на диске (или в разделе диска) не больше, чем 2¹⁶ = 65 536. По причине выхода за пределы 16-битовой адресации внутри кластера его максимальный размер должен быть меньше 64 Кбайт, то есть 32 Кбайт. В FAT 16 размер кластера (а косвенно и количество кластеров) можно определить, разделив объем памяти диска на 64 Кбайт (65 536) и округлив результат до ближайшего большего числа, кратного степени двойки. Так, для диска емкостью 1,2 Гбайт размер кластера составит: 1 258291,2 : 65,5 = 19,2 Кбайт; после округления получим 32 Кбайт; для дисков объемом 2 Гбайт размер кластера будет равен 64 Кбайт, а для 2,5-гигабайтовых дисков — более 64 Кбайт, что недопустимо. Иными словами, FAT16 практически может работать только с дисками емкостью не более 2 Гбайт.

Поэтому была разработана  более мощная 32-разрядная файловая система FAT32. В ней количество секторов и количество кластеров могут быть одинаковыми и ограничены значением 2³². Хотя размер кластера с целью экономии дискового пространства можно было бы приравнять размеру сектора, это не сделано по причине большого объема самой FAT — таблицы размещения файлов (напомню, что по имени этой таблицы называют и всю файловую систему целиком), которая для диска, например, емкостью 10 Гбайт будет иметь размер 80 Мбайт (а таких файлов на диске должно быть несколько, включая страховые копии). Одна из таблиц при наличии кэш-памяти для диска загружается в ОП. Поэтому размеры кластеров в FAT32 приняты в соответствии с табл. 11.4.

Таблица 11.4. Размеры кластеров  в FAT32

Емкость диска, Гбайт	Размер кластера, Кбайт
До 8	4
До 16	8
До 32	16
Более 32	32

ПРИМЕЧАНИЕ ---------------------------------------------------------------------------------------------------

На диске емкостью 20 Гбайт 10-байтовый файл будет занимать 16 Кбайт памяти (поскольку под  него отводится целое число кластеров). Высвободить незанятое пространство в кластерах для использования  другими файлами позволяют программы  сжатия диска, в частности DriveSpace. Но надежность работы файловой системы при этом снижается.

Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом  свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

 

Адресация информации на диске

Используются следующие  системы адресации информации на МД:

□   в BIOS — трехмерная: номер цилиндра (дорожки), магнитной головки (стороны диска), сектора;

□   в DOS — последовательная сквозная нумерация секторов, начиная от внешнего 0-го цилиндра (дорожки), головки 0, сектора 1.

На каждом диске можно  выделить две области: системную и данных. Системная область диска (начинается с 0-дорожки, стороны 0, сектора 1) состоит из трех участков.

□   Главная загрузочная запись (MBR — Master Boot Record), самый первый сектор диска, в котором описывается конфигурация диска: какой раздел (логический диск) является системным (из системного раздела возможна загрузка операционной системы), сколько разделов на этом диске, какого они объема.

□   Таблица размещения файлов (FAT — File Allocation Table), содержащая код формата и полную карту принадлежности секторов файлам. FAT организована в виде списка кластеров (они нумеруются от 2 до N + 1, где N — полное число кластеров на диске), для каждого кластера в таблице указывается шест-надцатеричный код: FFF1-FFF7 — кластер дефектный, 0002-FFF0 — кластеры, используемые файлом (код соответствует номеру кластера, где продолжается текущий файл), FFF8-FFFF — кластер содержит последнюю часть файла, 0000 — кластер свободен (все коды указаны для FAT16).

Для каждого файла  в корневом каталоге (3-я зона системной  области) указывается номер его  начального кластера, а в этом начальном  и следующих кластерах в FAT указываются, соответственно, следующие кластеры файла, и так до последнего, где указан код FFFF. Таблица размещения файлов крайне важна, так как без нее последовательно читать файл на диске (особенно если кластеры файла записаны не подряд, а через промежутки, занятые другими файлами), становится невозможно. Поэтому для надежности FAT на диске дублируется. Когда файл на диске удаляется, все его кластеры маркируются как свободные, но сами данные файла не удаляются (затираются только после записи на их место других данных) — то есть удаленные файлы можно восстановить (команда UNDELETE DOS, утилита UNERASE в пакете Norton Utilities).

□   Корневой каталог  диска — список файлов и/или подкаталогов с их параметрами. Параметры файла, содержащиеся в корневом каталоге: имя, расширение, атрибут, размер в байтах, дата и время создания или последнего обновления, номер начального кластера. Структура записи параметров файла в корневом каталоге показана в табл. 11.5 (для FAT 16).

В области данных расположены  подкаталоги и сами данные. На жестких  дисках системная область создается на каждом логическом диске.

Таблица 11.5. Структура записи параметров файла

Байты	Параметр	Размер, байт
0-7	Имя файла	8
8-10	Расширение	3
11	Атрибуты	1
12-20	Свободно	10
22-23	Время	2
24-25	Дата	2
26-27	Начальный кластер	2
28-31	Размер	4

 

Лекция 16

Накопители на жестких магнитных  дисках

 

Накопители на жестких  магнитных дисках (НЖМД, жесткие  диски, Hard Disk Drive — HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья винчестер. В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в закрытый корпус. Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа — поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магни-торезистивными головками, в таких конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайтов; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер до 60 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магнито-резистивным эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) еще больше увеличило плотность записи — возможная емкость одной пластины более 7 Гбайт.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм — у настольных ПК, 41 мм — у машин-серверов, 12 мм — у портативных ПК, существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30 %.

Внешний вид НМЖД со снятой крышкой показан на рис. 11.8.

Рис. 11.8. Жесткий диск со снятой крышкой

 

Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:

□   Programmed Input/Output (PIO — программируемый ввод-вывод);

□   Direct Memory Access (DMA — прямой доступ к памяти).

PIO — это режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: PIOО, PIO1, PIO2, PIOЗ, PIO4. Причем PIO0 самый «медленный», а PIO4 — самый «быстрый» (16,6 Мбайт/с). Режимы PIO в современных ПК используются редко, поскольку сильно загружают процессор.

DMA — это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Режимы DMA при интерфейсах IDE поддерживают протоколы SW (SingleWord — однословный) и MW (MultiWord — «многословный»), обеспечивающие трансфер до 66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMA). При интерфейсах SCSI может быть достигнута более высокая скорость передачи. Так, наиболее популярный сейчас интерфейс Ultra2Wide SCSI (Ultra2 означает работу на тактовой частоте 40 МГц; Wide — ширину шины 16 бит) обеспечивает пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом можно подключать до 15 накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в дисковых массивах — RAID).

Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью  вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE — 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10000 и даже до 12 000 оборотов/мин. При скорости 10000 оборотов/мин среднее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска обычно составляет 2 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с.