какая адресация используется в современных дисках
Методы адресации HDD (CHS и LBA).
Методы адресации HDD (CHS и LBA).
Существует два основных метода, используемых для адресации (или нумерации) секторов накопителей. Первый из них называется CHS (Cylinder Head Sector). Это название образовано по трем соответствующим координатам, которые используются для адресации каждого сектора дисковода. Во втором методе, который носит название LBA (Logical Block Address), для адресации секторов накопителя используется только одно значение. В основе метода CHS лежит физическая структура накопителей (а также способ организации его внутренней работы).
Метод LBA, в свою очередь, представляет собой более простой и логический способ нумерации секторов, не зависящий от внутренней физической архитектуры накопителей.
При последовательном считывании данных с накопителя в режиме CHS процесс чтения начинается с цилиндра 0, головки 0 и сектора 1 (который является первым сектором на данном диске), после чего считываются все остальные секторы первой дорожки. Затем выбирается следующая головка и читаются все секторы, находящиеся на этой дорожке. Это продолжается до тех пор, пока не будут считаны данные со всех головок первого цилиндра. Затем выбирается следующий цилиндр, и процесс чтения продолжается в такой же последовательности.
При последовательном считывании данных с накопителя в режиме LBA процесс чтения начинается с сектора 0, после чего читается сектор 1, сектор 2 и т.д. В режиме CHS первым сектором жесткого диска является 0,0,1. В режиме LBA этот же сектор будет сектором 0.
В качестве примера представьте себе накопитель, содержащий один жесткий диск, две головки (используются обе стороны жесткого диска), две дорожки на каждом жестком диске (цилиндры) и два сектора на каждой дорожке. В этом случае можно сказать, что накопитель содержит два цилиндра (две дорожки на каждой стороне), две головки (по одной на сторону), а также два сектора на каждой дорожке. В общей сложности емкость накопителя равна восьми (2×2×2) секторам. Обратите внимание: нумерация цилиндров и головок начинается с числа 0, а нумерация физических секторов, находящихся на дорожке, — с числа 1. При использовании адресации CHS расположение первого сектора накопителя определяется выражением “цилиндр 0, головка 0, сектор 1 (0,0,1)”; адресом второго сектора является 0,0,2; третьего — 0,1,1; четвертого — 0,1,2 и т.д., пока мы не дойдем до последнего сектора, адрес которого 1,1,2.
Как видно из приведенного примера, использование нумерации LBA заметно облегчает и упрощает процесс обработки данных. Несмотря на это, при создании первых ПК вся адресация BIOS и накопителей АТА была выполнена методом CHS.
Преобразования CHS/LBA и LBA/CHS
Адресация секторов может выполняться как в режиме CHS, так и в режиме LBA. Для данного накопителя существует определенное соответствие между адресациями CHS и LBA, которое, в частности, позволяет преобразовывать адреса CHS в адреса LBA и наоборот. Существует довольно простая формула, с помощью которой можно преобразовывать параметры CHS в LBA:
LBA = (((C × HPC) + H) × SPT) + S – 1.
Реверсирование этой формулы позволяет выполнить обратное преобразование, т.е. преобразовать параметры LBA в адрес CHS:
H = int ((LBA/SPT) mod HPC),
В этих формулах использованы следующие выражения:
— LBA — logical block address;
— C — цилиндр (cylinder);
— HPC — количество головок в каждом цилиндре (общее количество головок);
— SPT — количество секторов на каждой дорожке;
— int X — целочисленная часть X;
— X mod Y — модуль (остаток) от X/Y.
Программы BIOS ( когда объем HDD был очень скромным) использовали адресацию CHS, например:
AL=число читаемых секторов
АL=число переданных секторов
вся адресная информация передается через буфер в оперативной памяти, а не через регистры;
соглашения об использовании регистров изменены (для обеспечения передачи новых структур данных);
для определения дополнительных возможностей аппаратуры (параметров) используются флаги.
Пакет дискового адреса.
Правила передачи параметров дополнительным функциям. При вызове прерывания дополнительным функциям BIOS передаются через регистры процессора следующие данные:
— в АН — номер вызываемой функции;
— в DS: SI — адрес буфера, содержащего пакет дискового адреса.
Передача остальных параметров, как было уже указано выше, производится через пакет дискового адреса.
Дополнительные функции BIOS предназначены только для жестких дисков и дисководов сменных дисков большой емкости, причем функции рассчитаны на использование не более четырех устройств. Передаваемый функции номер диска, таким образом, должен находиться в диапазоне 80h-83h.
После выполнения функции в регистре АН выдается код состояния (статус возврата). Кроме принятого для классических функций BIOS стандартного набора кодов возврата, для дополнительных функций введено еще несколько кодов.
Пример использования прерывание Int 13h, функция 42h: расширенное чтение.
Функция осуществляет передачу секторов с заданной области диска в буфер памяти. Перед вызовом прерывания требуется записать в регистры следующие значения:
— в АН — значение 42h;
— в DL — номер дисковода;
— в DS: SI — адрес пакета дискового адреса.
После завершения операции функция возвращает в регистре АН состояние дисковой системы. В случае аварийного завершения выполнения функции поле счетчика блоков в пакете дискового адреса содержит число блоков, которые были успешно прочитаны (прочитаны до того, как произошла ошибка).
С внутренним устройством жёсткого диска HDD знакомы многие пользователи, включая тех, которым никогда не приходилось вскрывать гермоблок. Благо, это и не нужно, ведь на этот счёт в интернете имеется масса информации. А вот как именно устроена логическая структура диска знают лишь немногие. Физически жёсткий диск HDD представляет собой несколько закрепленных на центральном шпинделе магнитных пластин, имеющих особую «нарезку», именуемую треками.
Информация считывается и записывается на них в виде нулей и единиц, и в этом есть некая аналогия тому, как музыка записывается на старые виниловые пластинки.
Только вот в случае с жёсткими дисками всё намного сложнее. Как компьютер определяет, в каком месте диска лежит какой файл? Каким образом достигается отказоустойчивость, благодаря которой мы можем переустанавливать операционную систему, не затрагивая пользовательские файлы? Это было бы едва возможно, если бы данные не хранились на диске в упорядоченном виде. Тема логической структуры HDD-диска настолько глубока и обширна, что рассмотреть её в рамках одной статьи не представляется возможным, поэтому сегодня мы коснёмся только двух её самых важных аспектов — адресации и разметки.
Адресация жесткого диска
Первый механизм адресации, который использовался в ранних моделях жёстких дисков назывался CHS, что расшифровывалось как Cylinder, Head, Sector — цилиндр, головка, сектор. Что такое головка и сектор, надеемся, вам понятно. Под цилиндром же нужно понимать совокупность круговых дорожек одинакового радиуса на всех магнитных поверхностях пластин одного накопителя.
По сути, CHS это ничто иное, как трёхмерная система координат, где Cylinder это номер дорожки на поверхности диска, Head — номер считывающей головки, а Sector — номер конкретного сектора. Когда компьютеру нужно было прочитать некий файл, он делал запрос в формате CHS, и считывающая головка переходила как раз в нужный сектор, в котором этот файл был записан.
Очевидный минус технологии CHS заключался в поддержке дисков весьма ограниченного объёма, так как на низком уровне под адресацию изначально выделялось немного памяти. Максимальный объём диска с CHS не мог превышать 508 Мб. Поэтому, когда появились более объёмные диски, возникла нужда в новых механизмах адресации. Последующие механизмы адресации были основаны на CHS и представляли собой его расширенную версию.
Настоящим прорывом стал LBA (Logical block addressing), не нуждающийся в учёте геометрии жёсткого диска, вместо этого всем секторам от самого первого (нулевого) до самого последнего присваивался свой порядковый номер, служащий идентификатором. При этом под адресацию выделялось гораздо больше памяти. В общем, максимальный объём жёсткого диска, с которым может работать LBA составляет 128 Пиб , что намного больше объёма любых современных дисков, используемых в персональных компьютерах.
Разметка жёсткого диска
С адресацией всё более-менее ясно, теперь давайте перейдём к другому важному понятию — разметке жёсткого диска. Разметка — это разделение общего пространства диска на логические разделы иначе партиции, которые могут быть видны в операционной системе. Зачем вообще нужно такое разделение? Во-первых, это позволяет разграничивать загрузочные, системные и пользовательские файлы, во-вторых, использовать на каждом из разделов свой тип файловой системы, в-третьих — устанавливать на один ПК несколько разных операционных систем.
Существует две основных схемы разбиения на партиции. Самой распространённой является MBR. Называется она так потому, что в первых физических секторах жёсткого диска этого типа размещается особая область, содержащая загрузочный код и таблицу разделов. Эта область ещё именуется главной загрузочной записью, что на английском языке звучит как master boot record или сокращённо MBR.
• На MBR-диске нельзя создать более четырёх логических Primary-разделов (ограничение условно снимается посредством создания extended-партиции).
• Каким бы объёмным ни был диск, пользователю будет доступно только 2 Терабайта.
Менее распространённой, но зато более новой и надёжной схемой является GPT или GUID Partition Table. Если посмотреть на схематическое изображение GPT-диска, то можно увидеть, что его структура очень похожа на структуру диска MBR, но это сходство весьма условное. Приходящаяся на нулевой сектор область называется Protection MBR, и назначение её несколько иное, чем обычной MBR. Служит она для защиты схемы GPT от перезаписи утилитами, которые не понимают GPT. Если такой утилите «показать» GPT-диск, то благодаря Protection MBR она определит его как MBR-диск, на котором отсутствует свободное пространство. Следовательно, перезаписать она его уже не сможет.
В будущем, когда MBR уйдёт в прошлое, возможно, в Protection MBR больше не будет надобности, ведь процесс загрузки с GPT-дисков в EFI происходит несколько иначе. Помимо области Protection MBR, на GPT-дисках имеется другая область, именуемая GUID Partition Entries Array. Это аналог Partition Table в MBR, содержащий список всех партиций на диске GPT. В отличие от MBR, он не имеет жёсткой фиксации, поэтому на GPT-диске можно создавать практически неограниченное количество логических разделов. Ограничения тут могут быть только на уровне операционной системы. Например, Windows не может работать с более чем с 128 партициями.
Другим важным отличием GPT-дисков является резервирование загрузочных данных и сведений о таблице разделов. Если в MBR-дисках они хранятся в одном месте — в первых физических секторах, то в дисках с разметкой GPT они могут храниться где-то ещё, но уже в виде копий. Если основные данные окажутся повреждены, механизм GPT восстановит их из бекапа. В MBR же это привело бы к невозможности загрузки компьютера или «потере» разделов, а вместе с ними и записанных данных.
И наконец, разметка GPT позволяет работать с дисками объёмом больше 2 Тб.
На этом пока всё. В следующий раз мы продолжим знакомится с логической структурой жестких дисков. В частности, вы узнаете, чем отличаются обычные диски от динамических, где последние применяются, а также что представляет собой файловая система.
Стандарт IDE включал 22-битный LBA в качестве опции, который был расширен до 28-битного с выпуском ATA-1 (1994) и до 48-битного с выпуском ATA-6 (2003), тогда как размер записи в структурах данных на диске и в памяти, содержащие адрес, обычно имеют размер 32 или 64 бита. Большинство жестких дисков, выпущенных после 1996 года, реализуют адресацию логических блоков.
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор
При логической адресации блоков для адресации данных используется только одно число, и каждый линейный базовый адрес описывает отдельный блок.
LBA была впервые представлена в SCSI как абстракция. Хотя контроллер диска по-прежнему обращается к блокам данных по их адресу CHS, эта информация обычно не используется драйвером устройства SCSI, ОС, кодом файловой системы или любыми приложениями (такими как базы данных), которые обращаются к «необработанному» диску. Системные вызовы, требующие ввода-вывода на уровне блоков, передают определения LBA драйверу устройства хранения; в простых случаях (когда один том отображается на один физический диск) этот LBA затем передается непосредственно контроллеру диска.
Усовершенствованный BIOS
Более ранний стандарт IDE от Western Digital представил 22-битный LBA; в 1994 году стандарт ATA-1 позволял использовать 28-битные адреса в режимах LBA и CHS. Схема CHS использовала 16 бит для цилиндра, 4 бита для головы и 8 бит для сектора, подсчет секторов от 1 до 255. Это означает, что сообщаемое количество головок никогда не превышает 16 (0–15), количество секторов может быть 255 ( 1–255; хотя чаще всего используется 63), а количество цилиндров может достигать 65 536 (0–65535), что ограничивает размер диска 128 ГиБ (≈137,4 ГБ), предполагая 512-байтовые сектора. К этим значениям можно получить доступ, выполнив команду ATA «Идентифицировать устройство» ( EC h) для привода.
LBA-перевод
Когда BIOS настроен на использование диска в режиме трансляции с помощью LBA, BIOS обращается к оборудованию в режиме LBA, но также представляет преобразованную геометрию CHS через интерфейс INT 13h. Количество цилиндров, головок и секторов в преобразованной геометрии зависит от общего размера диска, как показано в следующей таблице.
| Размер диска | Секторы / трек | Головы | Цилиндров |
|---|---|---|---|
| 1 | 63 | 16 | Х ÷ (63 × 16 × 512) |
| 504 МБ | 63 | 32 | Х ÷ (63 × 32 × 512) |
| 1008 МБ | 63 | 64 | Х ÷ (63 × 64 × 512) |
| 2016 МиБ | 63 | 128 | X ÷ (63 × 128 × 512) |
| 4032 МБ | 63 | 255 | X ÷ (63 × 255 × 512) |
LBA48
Преобразование CHS
| Значение LBA | Кортеж CHS |
|---|---|
| 0 | 0, 0, 1 |
| 1 | 0, 0, 2 |
| 2 | 0, 0, 3 |
| 62 | 0, 0, 63 |
| 63 | 0, 1, 1 |
| 945 | 0, 15, 1 |
| 1007 | 0, 15, 63 |
| 1008 | 1, 0, 1 |
| 1070 | 1, 0, 63 |
| 1071 | 1, 1, 1 |
| 1133 | 1, 1, 63 |
| 1134 | 1, 2, 1 |
| 2015 г. | 1, 15, 63 |
| 2016 г. | 2, 0, 1 |
| 16 127 | 15, 15, 63 |
| 16 128 | 16, 0, 1 |
| 32 255 | 31, 15, 63 |
| 32 256 | 32, 0, 1 |
| 16 450 559 | 16319, 15, 63 |
| 16 514 063 | 16382, 15, 63 |
В схеме адресации LBA секторы нумеруются как целочисленные индексы; при сопоставлении с кортежами CHS ( сектор головки блока цилиндров ) нумерация LBA начинается с первого цилиндра, первой головки и первого сектора дорожки. Как только гусеница исчерпана, нумерация продолжается до второй головки, оставаясь внутри первого цилиндра. Когда все головки внутри первого цилиндра исчерпаны, нумерация продолжается со второго цилиндра и т. Д. Таким образом, чем ниже значение LBA, тем ближе физический сектор к первому (то есть самому внешнему) цилиндру жесткого диска.
Кортежи CHS могут быть сопоставлены с адресом LBA по следующей формуле:
Согласно спецификациям ATA, «Если содержание слов (61:60) больше или равно 16 514 064, то содержание слова 1 [количество логических цилиндров] должно быть равно 16 383». Следовательно, для LBA 16450559 диск ATA может фактически ответить кортежем CHS (16319, 15, 63), и количество цилиндров в этой схеме должно быть намного больше 1024, разрешенного INT 13h.
Зависимости от операционной системы
Адресация данных жесткого диска
Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер сектора традиционно равен 512 байт.
Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).
CHS (от англ. Cylinder, Head, Sector — цилиндр, головка, сектор) — система адресации сектора, как минимальной единицы хранения данных в накопителях на жёстких магнитных дисках, накопителях на гибких магнитных дисках и т.п, основанная на использовании физических адресов геометрии диска.
В этой системе сектор адресуется кортежем из трёх координат: цилиндр-головка-сектор (Cylinder, Head, Sector), именно так, как он физически расположен на диске.
Под цилиндром понимается совокупность дорожек одинакового радиуса на всех магнитных поверхностях пластин одного накопителя.
Контроллер жёсткого диска интерпретирует значение в радиус, на который передвигается магнитная головка чтения. С каждой магнитной поверхности магнитного диска чтение производит только одна головка, следовательно, указывая головку, мы также указываем ту поверхность, с которой следует считывать информацию. Сектор диска, как понятно из геометричекого определения, интерпретируется как диапазон градуса поворота диска.
Очевидно, что такая схема плохо подходит к не дисковым устройствам хранения (ленты, сетевые хранилища), потому и не используется для них. Схема CHS и её расширенная версия ECHS использовались на ранних приводах ATA использующих интерфейс ESDI.
В жёстких дисках объёмом более 524 Мб со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами». Так, механизм адресации Large сообщал BIOS вдвое большее число головок и вдвое меньшее число цилиндров. Затем контроллеры стали сообщать, будто в дорожке 63 сектора, а в цилиндре 255 дорожек (максимально допустимые значения), число же цилиндров подбирается сообразно объему. Представить жесткий диск с такими характеристиками трудно — он бы состоял из 128 пластин, поэтому контроллер занят преобразованием логических адресов в физические координаты. Реальное число секторов в современном диске — около ста, и дорожек бывает не больше шести.
LBA (англ. Logical block addressing) — механизм адресации и доступа к блоку данных на жёстком или оптическом диске, при котором системному контроллеру нет необходимости учитывать геометрию самого жесткого диска (количество цилиндров, сторон, секторов на цилиндре). Контроллеры современных IDE дисков в качестве основного режима трансляции адреса используют LBA.
Привод, способный поддерживать режим LBA, сообщает об этом в информации идентификации привода.
LBA 0 = Цилиндр 0/Головка 0/Сектор 1
Еще одно преимущество метода адресования LBA — то, что ограничение размера диска обусловлено лишь разрядностью LBA. В настоящее время для задания номера блока используется 48 бит, что при использовании двоичной системы исчисления даёт возможность адресовать на приводе (2 48 ) 281 474 976 710 656 блоков (то есть, при блоке в 512 байт, 128 ПиБ).
LBA заменяет собой более ранние схемы (CHS и Large), в которых нужно было учитывать физические особенности устройства дисков.
Технический комитет X3T10 установил правила получения адреса блока в режиме LBA:
· LBA — адрес блока по LBA.
· Cylinder — номер цилиндра.
· noofheads — количество головок.
· heads — номер выбранной головки.
· sectors/track — количество секторов на одной дорожке.
· Sector — номер сектора.
Преобразования между CHS и LBA
Кортежи CHS можно преобразовать в адреса LBA и обратно по следующим формулам:
где 
— номер цилиндра, 
— номер головки, 
— номер сектора, 
— число головок, 
— число секторов на дорожке, 
— операция взятия остатка от деления.