Книга: Восстановление данных. Практическое руководство

Основные сведения о структуре диска

Основные сведения о структуре диска

Физически жесткий диск представляет собой запечатанный корпус, содержащий одну или несколько одно- или двусторонних пластин, насаженных на шпиндель. Чтение и запись данных осуществляются блоком магнитных головок, каждая из которых обслуживает одну из поверхностей пластины. Информация хранится на дорожках в форме концентрических колец, называемых треками (track). Треки, расположенные на равном расстоянии от центра всех пластин, образуют цилиндр (cylinder). Фрагмент трека, образованный радиальным делением, называется сектором (sector). В современных винчестерах количество секторов на трек не остается постоянным. Напротив, оно дискретно возрастает по мере удаления от центра пластины, таким образом, чтобы линейные размеры сектора оставались более или менее постоянными. Треки и головки нумеруются, начиная с нуля, а нумерация секторов начинается с единицы. Размер сектора для жестких дисков составляет 512 байт.

Первой схемой адресации секторов, доставшейся жестким дискам в наследство от дискет, стала так называемая CHS-адресация, представляющая собой сокращение от Cylinder/Head/Sector (Цилиндр/Головка/Сектор). Данная схема адресации возникла под давлением экономических причин. Когда-то координаты адресуемого сектора непосредственно соответствовали физической действительности, что упрощало и удешевляло дисковый контроллер, не требуя от него никакого интеллектуального поведения. Надо сказать, что дешевизна контроллера является единственным преимуществом данного метода. Эта схема адресации чудовищно неудобна для программистов, так как последовательное чтение диска растягивается на три вложенных цикла. Косность же этой системы граничит с неприличием! Количество секторов в треке должно быть постоянным для всего диска, а в новых винчестерах это не так. Поэтому для сохранения обратной совместимости с существующим программным обеспечением дисковый контроллер виртуализует геометрию винчестера. Это ставит нас в зависимость от выбранной схемы трансляции, которая представляет собой дело сугубо внутреннее и, следовательно, не поддающееся стандартизации. Параметры диска, сообщаемые устройством и напечатанные на этикетке, всегда виртуальны, и узнать реальное положение дел невозможно.

Диски IDE имеют интегрированный контроллер, поэтому они в наименьшей степени зависимы от внешнего мира и могут свободно переноситься с компьютера на компьютер. Разумеется, такой перенос возможен только при условии корректного поведения BIOS (более подробно эта тема будет рассмотрена далее в этой главе). Некоторые винчестеры поддерживают специальную команду ATA — Initialize device parameters, устанавливающую текущую виртуальную геометрию диска, а точнее — выбранное количество головок и число секторов на дорожку. Количество цилиндров вычисляется контроллером самостоятельно, на основании общего объема диска, который также можно изменять программными средствами (за это отвечает команда ATA SET MAX ADDRESS). Некоторые драйверы и реализации BIOS изменяют геометрию диска, жестко привязывая винчестер к себе. В другом окружении такой диск работать уже не будет, во всяком случае, до установки правильной геометрии.

С устройствами SCSI ситуация обстоит гораздо хуже, и диск соглашается работать только с тем контроллером, под которым он был отформатирован. Различные контроллеры используют различные схемы трансляции. Поэтому подключение диска к несовместимому контроллеру произвольным образом "перемешивает" сектора. Редактор диска с таким винчестером работать еще будет, а вот штатные средства операционной системы и большинство "докторов" — нет.

Продвинутые контроллеры автоматически замещают плохие сектора, либо сохраняя эту информацию в своей энергонезависимой памяти, либо записывая ее в сектора инженерной зоны самого диска. Это еще сильнее привязывает накопитель к его контроллеру, хотя некоторые диски SCSI выполняют переназначение секторов собственными средствами. Выход контроллера SCSI из строя фактически приравнивается к отказу самого диска. Никогда не приобретайте контроллеры SCSI no-name производителей, так как такие фирмы в любой момент могут кануть в лету, и тогда поставки новых контроллеров прекратятся. Контроллеры, интегрированные в материнские платы, вообще никуда не годятся. Они ненадежны и ни с чем не совместимы. Впрочем, разве можно требовать хоть какого-то качества за такие цены? Скупой, как известно, платит дважды!

Сложнее всего обстоят дела с аппаратными реализациями RAID, схема трансляции адресов которых полностью определяется контроллером. Массивы уровня 1, известные как зеркальные наборы (mirror sets), чаще всего используют сквозную (pass-through) трансляцию. Поэтому они без особых проблем могут быть перенесены на любой другой контроллер, или даже подключены в обход него. Массивы остальных уровней, в особенности RAID 3/RAID 5, как правило, оказываются неработоспособными на контроллерах другого типа. Программные реализации RAID, монтируемые Windows NT, хранят информацию о своей геометрии в системном реестре и не могут быть непосредственно перенесены на другие системы. Переустановка Windows NT, как и ее крах, уничтожает программный RAID. К счастью, эта потеря обратима, и впоследствии секреты техники восстановления будут рассмотрены более подробно.

На сегодняшний день схема трансляции CHS признана устаревшей. Так, устройства, придерживающиеся спецификации ATA/ATAPI-6, принятой в июне 2001 года, уже не обязаны ее поддерживать. Тем не менее, она до сих пор встречается во многих служебных структурах операционной системы, в частности, в таблице разделов и загрузочном секторе. Именно поэтому имеет смысл остановиться на этом вопросе поподробнее, тем более что здесь есть о чем поговорить.

На интерфейсном уровне адрес сектора передается, как показано в листинге 5.1.

Листинг 5.1. Интерфейс с диском IDE в режиме CHS

Порт      Значение
0172/01F2 Количество секторов
0173/01F3 Номер сектора (биты 0-7)
0174/01F4 Номер цилиндра (биты 0-7)
0175/01F5 Номер цилиндра (биты 8-15)
0176/01F6 Номер головки (биты 0-3), привод на шине (бит 4),
          режим CHS/LBA (бит 6)

Сервисные функции BIOS, напротив, адресуют диск несколько иначе, как показано в листинге 5.2.

Листинг 5.2. Интерфейс с прерыванием BIOS INT13h

Регистр Значение
AL      Количество секторов для обработки
CH      Номер цилиндра (биты 0-7)
CL      Номер цилиндра (биты 6-7), номер сектора (биты 0-5)
DH      Номер головки
DL      Привод на шине | 80h

Таким образом, BIOS отводит на адресацию цилиндров всего 10 бит. Потому максимальное количество цилиндров на диске не превышает 1024, что при четырехбитной адресации головок дает предельно достижимый объем диска в 512?210?26?24 == 536870912 байт или всего 512 Мбайт. Это просто смешно, так как производители винчестеров преодолели этот барьер уже много лет назад. С тех пор в мире операционных систем произошло множество изменений. Старушка MS-DOS ушла в небытие, а пришедшая ей на смену Windows работает с диском через собственный драйвер, и ограничения BIOS ее почти не касаются.

Для преодоления этого ограничения BIOS вводит дополнительный уровень трансляции (режим LARGE), что позволяет увеличить количество головок. К счастью, BIOS выделяет для их адресации не 4 бита, как контроллер диска, а целых 8. Предельно допустимый объем диска теперь составляет 512?210?26?28 = 8589934592 байт или 8 Гбайт. К сожалению, это всего лишь теоретический предел. На практике же большинство реализаций BIOS содержали грубые ошибки, вследствие которых при работе с дисками размером свыше 2 Гбайт они либо банально зависали, либо теряли старшие разряды цилиндра, обращаясь к началу диска и необратимо уничтожая все служебные структуры. До сих пор многие вполне современные реализации BIOS не позволяют адресовать более 64 виртуальных головок, что ограничивает предельно допустимый объем диска все тем же значением, равным 2 Гбайт.

Поэтому при переустановке Windows поверх старой версии на логический диск емкостью свыше 2 Гбайт она может перестать загружаться. Все очень просто! Когда система ставится на только что отформатированный диск, она располагает все свои файлы в самом начале, но по мере заполнения диска область свободного пространства отодвигается все дальше к концу. Отодвинуть файлы первичной загрузки может и дефрагментатор. Тот же результат может быть получен и в результате установки пакета обновления (Service Pack). Иными словами, владельцам больших винчестеров настоятельно рекомендуется разбить его на несколько разделов и установить размер первого (загрузочного) раздела не более, чем в 8 Гбайт, а лучше даже в 2 Гбайт.

Устройства SCSI изначально поддерживают прозрачный механизм логической адресации, или сокращенно LBA (Linear Block Address), последовательно нумерующий все сектора от 0 до последнего сектора диска. В накопителях IDE режим адресации LBA появился, только начиная с ATA-3, но быстро завоевал всеобщее признание. Разрядность адресации определяется устройством. В SCSI она изначально 32-битная, а устройства IDE вплоть до принятия спецификации ATA-6 были ограничены 28 битами, которые распределялись, как показано в листинге 5.3.

Листинг 5.3. Интерфейс с диском IDE в режиме LBA

Порт      Значение
0172/01F2 Количество секторов
0173/01F3 Номер сектора (биты 0-7)
0174/01F4 Номер сектора (биты 8-15)
0175/01F5 Номер сектора (биты 16-24)
0176/01F6 Номер сектора (биты 24-28), привод на шине (бит 4),
          режим CHS/LBA (бит 6)

Как видите, 28-битная адресация обеспечивает поддержку дисков объемом вплоть до 128 Гбайт, однако включение в BIOS поддержки LBA еще не отменяет 8-гигабайтного ограничения, так как номер последнего адресуемого цилиндра по-прежнему остается равным 1024, со всеми вытекающими последствиями. Диски SCSI, за счет их подлинно 32-битной адресации, поддерживают законные 2 Тбайт, так как они управляются собственной BIOS, на которую не наложено никаких унаследованных ограничений.

Утвержденная ATA-6 48-битная адресация расширяет предельно допустимые размеры дисков IDE до астрономических величин (а именно, до 131,072 Тбайт), по крайней мере, в теории. На практике в Windows 2000 с пакетом обновления SP2 или более ранним отсутствует поддержка 48-битного режима LBA. Поэтому для работы с большими дисками необходимо обновить драйвер Atapi.sys и добавить в состав ключа реестра HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesatapiParameters параметр EnableBigLba с типом данных DWORD и значением, равным 1 (более подробную информацию можно найти в статье Microsoft Knowledge Base: 260910).

Один физический диск может быть разбит на несколько логических, каждый из которых последовательно нумеруется от первого до последнего сектора либо "сквозной" адресацией, либо по схеме CHS. В некоторых случаях Windows требует задания абсолютного номера сектора (который на самом деле отнюдь не абсолютный, а относительный, отсчитывающийся от стартового сектора раздела), в других — ожидает увидеть "святую троицу" (цилиндр, головку, сектор), опять-таки, отсчитывающихся от стартового сектора. Так, если раздел начинается с адреса 123/15/62, то первой его головкой все равно будет головка 0!

На уровне файловой системы операционная система адресует диск кластерами (cluster). Каждый кластер образован непрерывной последовательностью секторов, количество которых равно степени двойки (1, 2, 4, 8, …). Размер кластера задается на этапе форматирования диска и в дальнейшем уже не меняется. Основное назначение кластеров — уменьшение фрагментации файлов и уменьшение разрядности служебных файловых структур. В частности, FAT 16 нумерует кластеры двойными словами, и потому может адресовать не более 10000h*sizeof(cluster) дискового пространства. Легко видеть, что уже на 80-гигабайтном диске размер кластера составляет 1 Мбайт, и десяток файлов, каждый из которых имеет размер 1 байт, займут 10 Мбайт! Это впечатляет, не правда ли? Файловая система NTFS, оперирующая 64-битными величинами, не страдает подобными ограничениями, и типичная величина кластера, выбираемая по умолчанию, составляет всего 4 сектора. В отличие от секторов, кластеры нумеруются, начиная с нуля.

Оглавление книги