Cấu trúc vật lý và logic của đĩa từ

Chơng Cơ chế quản lý truy nhập liệu HĐH MS-DOS Windows máy tính PC 1.1 Cơ chế quản lý phân hoạch đĩa cứng vật lý Phần đa thông tin chung ®Üa cøng (Hard Disk Drives - HDD) vµ cÊu tróc ®Üa møc thÊp Néi dung bao gåm: - CÊu tróc vËt lý cđa ®Üa cøng - CÊu tróc logic cđa ®Üa cøng - Master Boot Record (MBR) - ViƯc ph©n hoạch đĩa bảng Partition 1.1.1 Cấu trúc vật lý đĩa cứng Một đĩa cứng hộp kín bên có nhiều đĩa tròn, xếp chồng đồng tâm Một đĩa cứng đợc lắp đặt theo vị trí nằm ngang thẳng đứng Trong phần mô tả đĩa cứng đợc lắp đặt theo vị trí nằm ngang Các đầu đọc/ ghi điện từ đợc bố trí dới mặt đĩa gọi đầu từ Các đầu từ di chuyển vào theo phơng hớng tâm với đĩa tròn xoay Các đĩa quay quanh trục cố định Do đầu từ vơn tới vị trí bề mặt đĩa 1.1.1.1 Các rãnh từ (tracks) Trên đĩa cứng, liệu đợc lu trữ rãnh tròn đồng tâm mảnh Một đầu từ vị trí đọc ghi vòng tròn rãnh gọi rãnh từ (track) Có thể có 1000 tracks đĩa cứng 3,5 inch Một track đợc chia làm nhiều phần nhau, phần đợc gọi sector Một sector đơn vị lu trữ vật lý nhỏ đĩa, hầu nh 512 bytes (0.5 KB) Hình 1.1 dới cho thấy đĩa cứng với đĩa Hình 1-1 Các phần đĩa cứng Cấu trúc đĩa cứng trớc (tức trớc có Windows 95) đề cập tíi ký hiƯu mét cylinder/ head/ sector Mét cylinder lµ tập hợp bao gồm tất tracks có bán kính mặt đĩa khác nhau, với cách tổ chức đĩa cứng đọc/ ghi liệu chậm so với đĩa cứng ngày Tất đĩa cứng ngày liên tục đợc cải tiến hệ điều hành Windows 95 đời để làm việc phù hợp với hệ điều hành Để phù hợp với hệ điều hành hành: - Các tracks tổ chức theo cấu trúc logic cấu trúc vật lý, đợc thiết lập đĩa đợc định dạng cấp thấp Các tracks đợc đánh số (kể từ cạnh phía đĩa) tăng dần số hiệu lên đến số cao nhất, điển hình 1023 (gần tâm đĩa nhất) - Tơng tự có 1024 cylinder đợc đánh số từ đến 1023 đĩa cứng - Các Heads (đầu từ ) đợc đánh số từ đến 255 (thông thờng đầu từ 255 không dùng cho việc truy xuất liệu ngời sử dụng) đĩa cứng - Các sectors track đợc đánh số từ đến 63 Các đĩa quay tròn đồng tâm theo tốc độ không đổi Do quãng đờng đợc đầu từ bề mặt đĩa đầu từ gần tâm đĩa nhỏ đầu từ gần cạnh đĩa đơn vị thời gian Tức số lợng liệu đọc/ ghi đợc đầu từ gần tâm đĩa gần cạnh đĩa đơn vị thời gian Để bù lại, tức đảm bảo số lợng liệu đợc đọc/ ghi đơn vị thời gian nh đầu từ vị trí bề mặt đĩa mật độ c trú liệu track gần phía cạnh đĩa nhỏ track gần tâm đĩa (tăng dần theo hớng hớng tâm đĩa) Không gian nhớ đĩa đợc điền đầy theo sơ đồ chuẩn Một mặt đĩa chứa khoảng không dành riêng cho việc ghi thông tin vị trí track phần cứng (track positioning data) không dành cho hệ điều hành Nh vậy, việc lắp đặt đĩa gồm đĩa có mặt đĩa dành cho việc ghi liệu Thông tin vị trí track đợc ghi vào đĩa trình lắp đặt nhà máy Bộ điều khiển đĩa đọc thông tin để đặt đầu từ vào vị trí sector xác 1.1.1.2 Sectors and Clusters Một sector đơn vị lu trữ vật lý nhỏ đĩa, hầu nh có dung lợng 512 bytes 512 số lũy thừa (29) Mỗi sector đĩa đợc gán nhãn nhà máy qua track positioning data Dữ liệu nhận biết sector đợc ghi vị trí sector, trớc vùng dành để chứa liệu sector cho biết địa bắt đầu sector Phơng pháp tối u lu trữ file đĩa lu trữ theo chuỗi cluster liỊn kỊ Cã nhiỊu file cã dung lỵng lớn 512 bytes hệ thống quản lý file định rõ số sectors lu trữ liệu file Ví dụ dung lợng file 800 bytes có sectors (mỗi sector có dung lợng 512 bytes) đợc định cho file Thông thờng cluster có dung lợng sector, trờng hợp file có dung lợng 800 bytes đợc lu trữ cluster Chúng đợc gọi cluster đơn vị không gian nhớ đợc cấp phát cho việc lu trữ nội dung liệu file, điều bảo vệ liệu đợc lu không bị ghi đè Về sau liệu ghi nối thêm vào file giả sử dung lợng tăng lên 1030 bytes, có thêm cluster đợc định cho việc lu trữ file, tức toàn file đợc lu trữ cluster Hình 1-2 Sectors and Clusters Nếu đĩa sẵn cluster trống (cha lu trữ liệu) liền kề nhau, cluster sau đợc định cho việc lu trữ file nằm ổ đĩa (có thể cylinder cylinder khác nơi mà hệ thống quản lý file tìm sectors trống Một file đợc lu trữ clusters không liền kề nh đợc gọi bị phân mảnh Sự phân mảnh liệu file làm giảm hiệu hệ thống hệ thống quản lý file phải điều khiển đầu từ tới số địa khác để tìm tất liệu file mà ta muốn đọc Thời gian tăng thêm để đầu từ tới số địa nguyên nhân gây nên độ trễ (làm chậm) trớc đọc đợc toàn nội dung file Dung lợng cluster thay đổi để phù hợp với thiết bị lu trữ file Một cluster có dung lợng lớn làm giảm khả phân mảnh liệu file, nhng lại tăng khả lãng phí vùng nhớ không đợc sử dông hÕt cluster (vÝ dô, nÕu file chØ cã dung lợng 460 bytes, với cluster có dung lợng 512 bytes không gian nhớ bị lãng phí khoảng 10%, nhng với cluster có dung lợng 1024 bytes không gian nhớ bị lãng phí khoảng 55%) Việc sử dụng cluster lớn sector làm giảm phân mảnh liệu file làm giảm dung lợng không gian đĩa cần thiết để quản lý thông tin vùng nhớ đĩa ®· ®ỵc sư dơng hay cha ®ỵc sư dơng 1.1.2 Cấu trúc logic đĩa cứng Nội dung phần nhằm mục đích minh họa dạng cấu trúc logic đĩa từ, mô hình cấu trúc áp dụng cho đĩa cứng có phân hoạch sử dụng hệ thống quản lý file FAT (File Allocation Table) Hình 1-3 sau minh họa tổ chức đĩa cứng vật lý có volume định dạng theo hệ thống file FAT Trong - MSB (Master Boot Record) vùng để quản lý phân hoạch đĩa vật lý - Vùng bị che: không dùng đến Vùng với MSB chiếm hết track thuộc mặt đĩa đĩa vật lý - Các phân hoạch định dạng theo hệ thống file FAT (các volume), volume có vùng hệ thống riêng vùng lu trữ liệu riêng chúng độc lập với nh đĩa từ riêng biệt Nội dung chi tiết thành phần xin đợc trình bày chi tiết phần tiếp sau Phầ n bị che Vïng hƯ MBS thèng cđa ®Üa vËt lý Partition Boot Sector FAT1 FAT2 (sao lu dù phßng) Vïng hƯ thèng cđa mét volume Root Folde r C¸c th mơc file Vùng liệu volume Hình 1-3 Tổ chức đĩa cứng với volume định dạng hệ thống file FAT 1.1.3 Bản ghi khởi ®éng chÝnh (Master Boot Record) trªn ®Üa cøng Master Boot Record, cấu trúc liệu quan trọng đĩa, đợc tạo ta thực phân hoạch đĩa cứng Nó thuộc sector đĩa cứng Vị trí track (cylinder 0), side (head 0), vµ sector Master Boot Record, chứa bảng Partition lu trữ thông tin phân hoạch đĩa cứng đoạn mã nhỏ có khả thi hành, Master Boot Record không phụ thuộc vào hệ điều hành Trên máy tính chạy vi xử lý x86 đoạn mã kiểm tra bảng Partition xác định phân hoạch khởi động Sau Master Boot Record tìm đến vị trí bắt đầu phân hoạch khởi động đĩa cứng, nạp sector khởi động phân hoạch (Partition boot sector) nµy vµo bé nhí Sau cïng Master Boot Record chun giao qun thi hµnh cho m· thi hµnh boot sector phân hoạch khởi động Mọi đĩa cứng cã mét Master Boot Record, m· thi hµnh sector đợc sử dụng để tìm phân hoạch khởi động khởi động đợc máy tính đĩa có phân hoạch khởi động (phân hoạch hệ thống) Ví dụ sau cho thấy nội dung sector chứa Master Boot Record (dữ liệu dạng số hệ 16), đợc hiển thị làm phần: - Phần thø nhÊt lµ Master Boot Record, nã chiÕm 446 bytes sector Chữ ký đĩa (FD 4E F2 14) đánh dấu kết thúc Master Boot Record - Phần thứ hai nội dung bảng Partition Nội dung sector vật lý có địa chỉ: Cylinder 0, head 0, Sector 00000000:00 00000010:BF 00000020:B3 00000030:CB 00000040:CB 00000050:56 00000060:BB 00000070:4F 00000080:55 00000090:69 000000A0:6C 000000B0:20 000000C0:6D 000000D0:69 000000E0:00 000000F0:00 00000100:00 00000110:00 00000120:00 00000130:00 00000140:00 00000150:00 00000160:00 00000170:00 00000180:00 00000190:00 000001A0:00 000001B0:00 33 00 04 75 74 BB 00 75 AA 64 65 6F 00 6E 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 C0 06 80 EF 1A 07 7C ED 75 20 00 70 4D 67 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 8E B9 3C CD 80 00 B8 BE C7 70 45 65 69 20 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 D0 00 80 18 3C B4 01 A3 8B 61 72 72 73 73 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 BC 01 74 8B 00 0E 02 06 F5 72 72 61 73 79 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 F2 0E 14 74 CD 57 EB EA 74 6F 74 69 73 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 7C A5 80 8B F4 10 CD D3 00 69 72 69 6E 74 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 -8B -EA -3C -4C -BE -5E -13 -BE -7C -74 -20 -6E -67 -65 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -00 -FD F4 1D 00 02 8B EB 5F C2 00 69 6C 67 20 6D 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 4E 50 06 75 8B 06 F0 73 06 00 6F 6F 20 6F 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 F2 07 00 1C EE AC EB 0C BF 49 6E 61 73 70 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 14 50 00 83 83 3C FE 33 FE 6E 20 64 79 65 80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 1F BE C6 C6 00 BF C0 7D 76 74 69 73 72 45 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000001C0:01 000001D0:41 000001E0:C1 000001F0:C1 00 97 2D 93 06 07 05 01 0F 0F 0F 0F 7F FF FF FF 96 2C 92 A6 3F 90 30 D0 00 42 81 12 -00 -06 -0C -0E 00 00 00 00 51 A0 A0 C0 42 3E 91 4E 06 06 01 00 00 00 00 00 FB BE 10 10 74 05 CD 81 61 61 6E 74 61 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 FC 07 FE FE 0B 00 13 3D 6C 62 67 65 74 15 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 80 00 00 00 55 01 00 00 00 AA | P.P .