Структура магнитного диска (разбиение дисков на разделы)

Для того чтобы можно было загрузить с магнитного диска собственно саму ОС, а уже с её помощью и организовать работу той или иной системы управления файлами, были приняты специальные системные соглашения о структуре диска. Расположение структуры данных, несущее информацию о логической организа­ции диска и простейшую программу, с помощью которой можно находить и за­гружать программы загрузки той или иной ОС, очевидно – это самый первый сектор магнитного диска.

Как известно, информация на магнитных дисках размещается и передаётся бло­ками. Каждый такой блок называется сектором (sector), сектора расположены на концентрических дорожках поверхности диска. Каждая дорожка (track) обра­зуется при вращении магнитного диска под зафиксированной в некотором пред­определенном положении головкой чтения/записи. Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД)1 содержит один или более дисков (в современных распространенных НЖМД часто – два или три). Однако обычно под термином «жесткий диск» понимают весь пакет магнитных дисков [24].

Группы дорожек (треков) одного радиуса, расположенных на поверхностях маг­нитных дисков, образуют так называемые цилиндры (cylinder). Современные же­сткие диски могут иметь по несколько десятков тысяч цилиндров, в то время как на поверхности дискеты число дорожек (число цилиндров) ныне, как правило, составляет всего восемьдесят2.

Каждый сектор состоит из поля данных и поля служебной информации, ограни­чивающей и идентифицирующей его. Размер сектора (точнее – ёмкость поля данных) устанавливается контроллером или драйвером. Пользовательский ин­терфейс DOS поддерживает единственный размер сектора – 512 байт. BIOS же непосредственно предоставляет возможности работы с секторами размером 128, 256, 512 или 1024 байт. Если управлять контроллером непосредственно, а не че­рез программный интерфейс более высокого уровня (например, уровень DOS), то можно обрабатывать секторы и с другими размерами. Однако в большинстве современных ОС размер сектора выбирается равным 512 байт.

Физический адрес сектора на диске определяется с помощью трех «координат», то есть представляется триадой [c-h-s], где с – номер цилиндра (дорожки на по­верхности диска, cylinder), h – номер рабочей поверхности диска (магнитной го­ловки, head), a s – номер сектора на дорожке. Номер цилиндра с лежит в диапа­зоне 0...С-1, где С – количество цилиндров. Номер рабочей поверхности диска h принадлежит диапазону 0...Н-1, где Н – число магнитных головок в накопителе. Номер сектора на дорожке s указывается в диапазоне 1...S, где S – количество секторов на дорожке. Например, триада [1-0-2] адресует сектор 2 на дорожке 0 (обычно верхняя рабочая поверхность) цилиндра 1. В дальнейшем мы тоже бу­дем пользоваться именно этими обозначениями.

Напомним, что обмен информацией между ОЗУ и дисками физически осуществ­ляется только секторами. Вся совокупность физических секторов на винчестере представляет его неформатированную ёмкость.

Жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition) которые в принципе затем могут использоваться либо одной ОС, либо различными ОС. Причем самым главным является то, что на каждом разделе может быть органи­зована своя файловая система. Однако для организации даже одной-единственной файловой системы необходимо определить, по крайней мере, один раздел.

Разделы диска могут быть двух типов – primary (обычно этот термин переводят как первичный) и extended (расширенный). Максимальное число primary-разде­лов равно четырем. При этом на диске обязательно должен быть, по крайней мере, один primary-раздел. Если primary-разделов несколько, то только один из них может быть активным. Именно загрузчику, расположенному в активном разделе, передаётся управление при включении компьютера и загрузке операционной сис­темы. Остальные primary-разделы в этом случае считаются1 «невидимыми, скры­тыми» (hidden).

Согласно спецификациям на одном жестком диске может быть только один extended-раздел, который, в свою очередь, может быть разделен на большое коли­чество подразделов – логических дисков (logical). В этом смысле термин «первич­ный» следует признать не совсем удачным переводом слова primary; можно это слово перевести и как «простейший, примитивный». В этом случае становится понятным и логичным термин extended.

Один из primary-разделов должен быть активным, именно с него должна загру­жаться программа загрузки операционной системы, или так называемый менед­жер загрузки, назначение которого – загрузить программу загрузки ОС из како­го-нибудь другого раздела, и уже с её помощью загружать операционную систему. Поскольку до загрузки ОС система управления файлами работать не может, то следует использовать для указания упомянутых загрузчиков исключительно абсолютные адреса в формате [с-h-s].

По физическому адресу [0-0-1] на винчестере располагается главная загрузочная запись (master boot record, MBR), содержащая внесистемный загрузчик (non–sys­tem bootstrap – NSB), а также таблицу разделов (partition table, PT). Эта запись занимает ровно один сектор, она размещается в памяти, начиная с адреса 0:7C00h, после чего управление передаётся коду, содержащемуся в этом самом первом сек­торе магнитного диска. Таким образом, в самом первом (стартовом) секторе физического жесткого диска находится не обычная запись boot record, как на дис­кете, a master boot record.

MBR является основным средством загрузки с жесткого диска, поддерживаемым BIOS. В MBR находятся три важных элемента:

¨ программа начальной загрузки (non-system bootstrap). Именно она запуска­ется BIOS после успешной загрузки в память первого сектора с MBR. Она, очевидно, не превышает 512 байт и её хватает только на то, чтобы загрузить следующую, чуть более сложную программу, обычно – стартовый сектор опе­рационной системы – и передать ему управление;

¨ таблица описания разделов диска (partition table). Располагается в MBR по смещению 0x1BE и занимает 64 байта;

¨ сигнатура MBR. Последние два байта MBR должны содержать число AA55h. По наличию этой сигнатуры BIOS проверяет, что первый блок был загружен успешно. Сигнатура эта выбрана не случайно. Её успешная проверка позволяет установить, что все линии передачи данных могут передавать и нули, и единицы.

Таблица partition table описывает размещение и характеристики имеющихся на винчестере разделов. Можно сказать, что эта таблица разделов – одна из наиболее важных структур данных на жестком диске. Если эта таблица повреждена, то не только не будет загружаться операционная система (или одна из операцион­ных систем, установленных на винчестере), но перестанут быть доступными и данные, расположенные на винчестере, особенно если жёсткий диск был разбит на несколько разделов.

Рис.4.4. Структура MBR

Упрощенно структура MBR представлена на рис. 4.4. Из неё видно, что в начале этого сектора располагается программа анализа таблицы разделов и чтения пер­вого сектора из активного раздела диска. Сама таблица partition table располагается в конце MBR, и для описания каждого раздела в этой таблице отводится по 16 байтов. Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела boot indicator (0 – не активен, 128 (80Н) – активен). Он служит для определения, является ли раздел системным загрузочным и есть ли необходимость произво­дить загрузку операционной системы с него при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. За флагом активности раздела следует байт но­мера головки, с которой начинается раздел. За ним следует два байта, означаю­щие соответственно номер сектора и номер цилиндра загрузочного сектора, где располагается первый сектор загрузчика операционной системы. Затем следует кодовый идентификатор System ID (длиной в один байт), указывающий на при­надлежность данного раздела к той или иной операционной системе и установке на нём соответствующей файловой системы. В табл. 4.1 приведены некоторые (наиболее известные) идентификаторы.

Таблица 4.1. Сигнатуры (типы) разделов

За байтом кода операционной системы расположен байт номера головки конца раздела, за которым идут два байта – номер сектора и номер цилиндра послед­него сектора данного раздела. Ниже представлен формат элемента таблицы раз­делов.

Таблица 4.2. Формат элемента таблицы разделов

Номера сектора и номер цилиндра секторов в разделах занимают по 6 и 10 бит соответственно. Ниже представлен формат записи, содержащей номера сектора и цилиндра.

Как мы уже сказали, загрузчик non-system bootstrap служит для поиска с помощью partition table активного раздела, копирования в оперативную память компьютера загрузчика system bootstrap из выбранного раздела и передачи ему управления, что позволяет осуществить загрузку ОС.

Вслед за сектором MBR размещаются собственно сами разделы (рис. 4.5). В про­цессе начальной загрузки сектора MBR, содержащего таблицу partition table, работают программные модули BIOS. Начальная загрузка считается выполнен­ной корректно только в том случае, когда таблица разделов содержит допусти­мую информацию.

В MS-DOS в первичном разделе может быть сформирован только один логиче­ский диск, а в расширенном – любое их количество. Каждый логический диск «управляется» своим логическим приводом. Каждому логическому диску на винчестере соответствует своя (относительная) логическая нумерация. Физиче­ская же адресация жесткого диска сквозная.

Первичный раздел DOS включает только системный логический диск без каких-либо дополнительных информационных структур.

Рис.4.5. Разбиение диска на разделы

Расширенный раздел DOS содержит вторичную запись MBR (secondary MBR, SMBR), в состав которой вместо partition table входит таблица логического дис­ка (LDT, logical disk table), ей аналогичная. Таблица LDT описывает размещение и характеристики раздела, содержащего единственный логический диск, а также может специфицировать следующую запись SMBR. Следовательно, если в рас­ширенном разделе DOS создано К логических дисков, то он содержит К экземп­ляров SMBR, связанных в список. Каждый элемент этого списка описывает со­ответствующий логический диск и ссылается (кроме последнего) на следующий элемент списка.

Утилиты, позволяющие разбить диск на разделы и тем самым сформировать как partition table, так и, возможно, списковую структуру из LDT (подобно тому, как это изображено на рис. 4.6), обычно называются FDISK (от form disk), хотя есть утилиты и с другим названием, умеющие выполнить разбиение диска. На­помним, что FDISK от MS-DOS позволяет создать только один primary-раздел и один extended, который, в свою очередь, предлагается разделить на несколько логических дисков. Аналогичные утилиты других ОС имеют существенно больше возможностей. Так, например, FDISK системы OS/2 позволяет создавать не­сколько primary–разделов, причем их можно выделять не только последовательно, начиная с первых цилиндров, но и с конца свободного дискового пространства. Это удобно, если нужно исключить из работы некоторый диапазон дисково­го пространства (например, из-за дефектов на поверхности магнитного диска). С помощью этой утилиты можно установить и менеджер загрузки (boot-менеджер).

Прежде чем перейти к boot-менеджерам, рассмотрим ещё раз процесс загрузки ОС. Процедура начальной загрузки (bootstrap loader) вызывается как программное прерывание (BIOS INT 19h). Эта процедура определяет первое готовое устрой­ство из списка разрешенных и доступных (гибкий или жесткий диск, в совре­менных компьютерах это могут быть также CD-ROM, привод ZIP-drive компании Iomega, сетевой адаптер или другое устройство) и пытается загрузить с него в ОЗУ короткую главную программу-загрузчик. Для винчестеров – это загруз­чик non-system bootstrap из MBR, и ему передаётся управление. Главный загруз­чик определяет на диске активный раздел, загружает его собственный загрузчик (system bootstrap) и передаёт управление ему. И, наконец, этот загрузчик загру­жает необходимые файлы операционной системы и передаёт ей управление. Далее операционная система выполняет инициализацию подведомственных ей программных и аппаратных средств. Она добавляет новые сервисы, вызываемые, как правило, тоже через механизм программных прерываний, и расширяет (или заменяет) некоторые сервисы BIOS. Необходимо отметить, что в современных мультипрограммных операционных системах большинство сервисов BIOS, изна­чально расположенных в ПЗУ, как правило, заменяются собственными драйве­рами, поскольку они должны работать в режиме прерываний, а не в режиме ска­нирования готовности.

Соответственно рассмотренному процессу загрузки, мы каждый раз при запуске компьютера будем попадать в одну и ту же ОС. Но иногда это нас не устраивает. Так называемые boot-менеджеры (менеджеры загрузки) предназначены для того, чтобы пользователь мог выбрать среди нескольких установленных на компью­тере ОС нужную и передать управление загрузчику этой выбранной ОС. Суще­ствует большое количество таких менеджеров, хороший обзор таких программ приведен в работе [78]. В ней рекомендуется в качестве менеджера загрузки ис­пользовать System commander. Однако этот менеджер должен располагаться в активном разделе с файловой системой FAT, что в наше время нельзя признать хорошим решением. На наш взгляд, одним из лучших долгое время был Boot manager компании IBM, входящий в состав утилит OS/2. Для его размещения создается отдельный primary-раздел, который, естественно, и является активным (он помечается как startable). Раздел для Boot-менеджера OS/2 занимает всего один цилиндр и может размещаться не только на нулевом (начальном) цилиндре, но и на последнем цилиндре. В этом разделе не организуется никакой файловой системы, поскольку обращение к менеджеру идет с использованием абсолютной адресации, а сам Boot manager представляет собой простейшую абсолютную дво­ичную программу. Установка Boot manager осуществляется из программы FDISK. При этом появляется возможность указать, какие разделы могут быть загружае­мыми (они помечаются как bootable), то есть в каких разделах на первом логиче­ском секторе будут размещены программы загрузки ОС. Загружаемыми могут быть как primary-, так и extended-разделы. При этом, естественно, имеется воз­можность указать как время на принятие решения, так и загрузку некоторой ОС «по умолчанию». Удобным является и то, что при разбиении диска на разделы можно вообще не создавать primary-разделов. Это особенно важно, если в ком­пьютере установлено более одного дискового накопителя либо если мы подго­тавливаем винчестер, который должен достаточно часто переноситься с одного компьютера на другой. Дело в том, что в большинстве ОС принято следующее правило именования логических дисков: первый логический диск обозначается литерой С:, второй – D: и т. д. При этом литеру С: получает активный primary-раздел. Однако если к одному винчестеру в персональном компьютере подключить второй винчестер и он тоже имеет активный primary-раздел, то этот primary-раз­дел второго винчестера получит литеру D:, отодвигая логический диск D: перво­го винчестера на место диска Е: (и т. д. по цепочке). Если же второй (и после­дующие) винчестер не имеет primary-раздела с установленной на нем файловой системой, которую данная ОС знает, то «именование» логических дисков перво­го винчестера не нарушается. Естественно, что логические диски второго винче­стера получают литеры логических дисков вслед за дисками первого винчестера. Boot manager OS/2, создавая только логические диски на винчестере, на самом деле создает и «пустой» primary-раздел, однако этот раздел не становится актив­ным и не получает статус логического диска. К сожалению, все более популяр­ная в наши дни ОС Windows 2000 теперь не только снимает флаг активности с раздела, в котором размещен Boot manager (как это происходило при инсталля­ции любых ОС от компании Microsoft), но и физически уничтожает его двоичный код. Замена драйвера FASTFAT.SYS системы Windows 2000 на более раннюю вер­сию (в бета-версии ОС Windows 2000 система не уничтожала код Boot manager) помогает лишь до установки Service pack. Поэтому рекомендовать этот менеджер загрузки уже нельзя. Из последних менеджеров загрузки, пожалуй, наиболее мощ­ным является Boot star, но его нельзя рекомендовать неподготовленным пользо­вателям.

Одной из самых известных и до сих пор достаточно часто используемых утилит, с помощью которой можно посмотреть и отредактировать таблицу разделов, а также выполнить и другие действия, связанные с изучением и исправлением данных как на дискете, так и на винчестере, является программа Disk editor из комплекта нортоновских утилит. Работа с ней достаточно подробно изложена в книге [9]. Следует, однако, заметить, что Disk editor, с одной стороны, очень мощ­ное средство, и поэтому его следует использовать с большой осторожностью, а с другой стороны – эта утилита работает только в среде DOS. На сегодняшний день главным недостатком этой утилиты является ограничение на максималь­ный размер диска в 8 Гбайт.

Надо признать, что в последнее время появилось большое количество утилит, которые предоставляют возможность более наглядно представить разбиение дис­ка на разделы, поскольку в них используется графический интерфейс. Эти про­граммы успешно и корректно работают с наиболее распространенными типами разделов (разделы под FAT, FAT32, NTFS). Однако созданы они в основном для работы в среде Win32API, что часто ограничивает возможность их использова­ния. Одной из самых известных и мощных программ для работы с разделами же­сткого диска является Partition Magic фирмы Power Quest.