Управление блочными устройствами

Структура диска

Основным видом блочных устройств являются магнитные и другие диски, поэтому начнем с рассмотрения структуры диска (рис. 2‑7).

Рис. 2‑7

Поверхность нового магнитного диска покрыта однородным слоем магнитного материала. У дискеты используется либо одна поверхность, либо (чаще) обе поверхности. Число поверхностей жесткого дискового тома определяется количеством дисков, из которых собран том.

Первой операцией, которая должна быть проделана с диском, является низкоуровневое форматирование. Оно заключается в разметке поверхности на дорожки магнитной записи, разделенные на секторы. Расстояние между дорожками определяется шагом перемещения головок чтения/записи, а разбиение на секторы выполняется программно, путем записи данных на дорожки в моменты, рассчитанные на основании известной скорости вращения диска. Для всех операций с диском, кроме низкоуровневого форматирования, сектор является минимальной единицей чтения или записи данных.

Совокупность дорожек одинакового радиуса на всех поверхностях диска называется цилиндром.

Структура сектора показана на рис. 2‑8.

Рис. 2‑8

Сектор состоит из заголовка, блока данных и контрольной информации (контрольной суммы), которая служит для проверки правильности считывания сектора.

Заголовок сектора содержит физический адрес сектора и его размер. Физический адрес состоит из трех чисел: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора на дорожке. Самый первый сектор диска имеет адрес (0, 0, 1). Размер сектора на IBM-совместимых компьютерах всегда равен 512 байт.

Одно время было модно использовать нестандартный размер отдельных секторов на дискете (например, 1024 байта) для затруднения несанкционированного копирования. Дискету, содержащую нестандартный сектор, могла правильно прочитать только программа, которой было точно известно о наличии такого сектора.

Между секторами и внутри секторов имеются промежутки, которые используются аппаратурой при поиске заданного сектора.

Нумерация секторов не обязательно ведется в порядке их размещения на дорожке. Если скорость имеющейся аппаратуры недостаточна для того, чтобы успеть прочесть и передать в память данные со всей дорожки за время одного оборота диска, то система при форматировании нумерует секторы «через один» или даже «через два». Например, при 9 секторах на дорожке они могут быть пронумерованы «через один» в таком порядке: 1, 6, 2, 7, 3, 8, 4, 9, 5. После чтения сектора 1 у контроллера диска есть время передать прочитанные данные, пока к головке чтения не подойдет сектор 2. В результате вся дорожка может быть прочитана за два оборота диска.

Разделы и логические тома

Общая структура дискет и жестких дисков различаются между собой. Эти структуры показаны на рис. 2‑9.

Рис. 2‑9

Начальный сектор дискеты (рис. 2‑9, а) принято называть BOOT-сектором. Он содержит количественные данные о дискете (размер секторов, количество секторов на каждой дорожке и на всей дискете, число поверхностей и т.п.), метку (название) и серийный номер дискеты, а также данные о файловой системе. Кроме того, если дискета содержит системные файлы ОС, то в BOOT-секторе находится также небольшая программа начальной загрузки, которая считывает один сектор ОС и передает ему управление для продолжения загрузки. Все остальные секторы дискеты могут использоваться ОС для хранения ее файлов и других данных. Общее количество секторов на дискете не может превышать 2¹⁶ (на самом деле, их значительно меньше).

Скажите быстро, сколько примерно секторов содержит стандартная трехдюймовая дискета?

Для жесткого диска (рис. 2‑9, б) начальный сектор называется MBR (Master Boot Record, главная загрузочная запись). Он тоже может содержать программу начальной загрузки, но, кроме того, содержит таблицу разделов (partition table), которая описывает разбиение жесткого диска на разделы.

Таблица может содержать от 1 до 4 записей о разделах. Каждая запись содержит тип раздела, число секторов в нем, физические адреса начала и конца раздела.

Возможны следующие типы разделов.

· Обычный раздел. Его структура точно такая же, как у дискеты, т.е. такой раздел начинается с BOOT-сектора, а общее число секторов не превышает 2¹⁶. Таким образом, общий размер раздела не может превышать 32 Мб.

· Большой раздел. Он отличается от обычного тем, что число секторов может достигать 2³². Это позволяет описывать большие разделы размером до 2048 Гб.

· Расширенный раздел. Его структура аналогична структуре всего жесткого диска, т.е. начальный сектор раздела – не BOOT, а MBR-сектор. Аналогия не совсем полная, поскольку таблица разделов в MBR расширенного раздела может содержать не более двух записей, причем первая из них должна описывать либо обычный, либо большой раздел, а вторая запись, если она имеется, описывает еще один расширенный раздел.

· Разделы других ОС (например, UNIX).

Обычные и большие разделы называются также логическими томами или логическими дисками, в отличие от физических дисков. Обычная буквенная нумерация дисков A, B, C, D и т.д. относится именно к логическим томам. Для дискет понятия физического и логического тома совпадают.

Изначально MS-DOS поддерживала только обычные разделы на жестком диске. В 80-е годы казалось, что 32 Мб – это очень большой объем диска. Когда появились диски объемом в несколько сотен мегабайт, была придумана матрешечная структура расширенных разделов, что позволило на одном физическом томе разместить сколько угодно логических томов по 32 Мб. Затем были реализованы большие разделы, что потребовало от разработчиков MS-DOS внести существенные изменения в программный интерфейс и реализацию средств работы с дисками. После этого использование расширенных разделов стало необязательным, если пользователю достаточно иметь не более четырех логических томов на одном физическом диске.

Средства доступа к дискам

На уровне архитектуры системы контроллер диска представлен несколькими регистрами, доступными через порты компьютера. В эти порты перед выполнением операций заносятся такие данные, как номер диска, количество секторов, участвующих в операции и физический адрес начального сектора, записываемые данные. Один из портов служит для посылки команды на выполнение операции (чтение, запись, запись с проверкой, поиск цилиндра, форматирование дорожки и др.). Когда операция завершена, контроллер посылает сигнал прерывания.

Прикладные программы могут работать с дисками либо средствами BIOS (программное прерывание int 13h), либо средствами DOS (программные прерывания int 25h – чтение и int 26h – запись). При этом BIOS работает только с физическими дисками, используя физическую нумерацию секторов, в то время как MS-DOS работает только с логическими томами, а секторы при этом нумеруются числами от 0 (что соответствует BOOT-сектору) до максимального номера сектора на томе. На практике то и другое используется достаточно редко. Большинство прикладных программ не работают с дисками как с устройствами, вместо этого работа ведется на уровне файлового ввода/вывода, а отображение файлов на секторы диска является обязанностью ОС.

Для повышения эффективности работы с дисками в MS-DOS используются кэширование дисков и опережающее чтение, описанные в пп. 2.6.6 и 2.6.7. Дисковый кэш в MS-DOS устроен проще, чем в UNIX. Во-первых, в однозадачной системе нет необходимости в списке свободных блоков (когда процесс обращается к диску, нет других процессов, которые могли бы в это время работать с буферами). Во-вторых, размер кэша редко превышает 30 – 40 буферов, поэтому не нужны и хеш-цепочки, все буфера объединены в едином LRU-списке.

Почему в MS-DOS не нужен такой большой кэш, как в UNIX?