Физическая структура дисковой памяти

 

Теоретическая часть

Аппаратная часть современных персональных компьютеров (ПК) включает дисковую подсистему памяти на магнитных носителях, которая обычно комплектуется одним или двумя накопителями на жестких магнитных дисках (ЖМД), называемыми винчестерами, и одним накопителем на дискетах - гибких магнитных дисках (ГМД). Операционная система (ОС) позволяет пользователю разбивать ЖМД на части (разделы), каждая из которых рассматривается как отдельный так называемый логический диск. По своей внутренней структуре логический диск полностью соответствует дискете. Поэтому вначале остановимся на логической структуре ЖМД.

Конструктивно винчестер состоит из нескольких двухсторонних пластин, на обе стороны которых информация записывается в виде концентрических окружностей, называемых дорожками. Дорожки всех пластин (сторон), расположенные на одном удалении от центра, объединяются понятием цилиндра. Цилиндры, как и дорожки, нумеруются от края диска внутрь. Нумерация начинается с нуля. Стороны дисков также нумеруются, начиная с нулевой.

Чтобы данные могли быть записаны на диск и прочитаны с диска, каждая дорожка разбивается на участки, называемые секторами. Логический размер сектора для всех дисков составляет 512 байт. Секторам присваиваются номера в соответствии с двумя существующими системами нумерации - абсолютной и относительной.

Абсолютная нумерация секторов относится к физическому диску в целом независимо от того, разбит ли он (в случае ЖМД) на логические диски или нет. В этом случае местоположение сектора определяется тремя компонентами: номером магнитной головки (стороны), номером цилиндра (дорожки) и номером собственно сектора в пределах данной дорожки. При этом на каждой дорожке нумерация секторов начинается с 1, а не с нуля.

Относительная нумерация секторов ведется в пределах логических дисков винчестера, а также устанавливается для секторов дискет и флеш-дисков. Каждый логический диск имеют свою собственную относительную нумерацию секторов, начинающуюся с нуля.

Самый первый сектор жесткого диска (сторона 0, цилиндр 0, сектор 1), который называется главным загрузочным сектором (Master Boot Sector), состоит из нескольких частей. Основной из них является так называемая главная загрузочная запись - Master Boot Record (MBR). Формат первого сектора ЖМД представлен в табл.1.

Таблица 1

Номер поля	Смещение	Размер, байт	Содержимое
	00h		Программа главной загрузочной записи MBR
	1BEh		Таблица разделов диска - Partition Table
	1FEh		Сигнатура AA55h - признак конца сектора

 

Поля первого сектора формируются в процессе форматирования диска, а поле 2 дополнительно заполняется во время выполнения процедуры разбиения диска на разделы.

Если загрузка ОС выполняется с винчестера, то весь Master Boot Sector читается в память модулем инициализации BIOS. При этом программа главной загрузочной записи размещается по адресу 7С00:0000h и ей передается управление. Эта программа сканирует содержимое таблицы разделов Partition Table, состоящее из четырех 16-байтных элементов, разбитых на поля. Все элементы таблицы разделов имеют одинаковый формат (табл.2).

 

Таблица 2

Смеще-ние	Размер, байт	Название поля	Содержимое
00h		Признак загрузки	80h - загружаемый раздел 00h - незагружаемый раздел
01h 02h 03h		Начало раздела диска	Биты 0 - 7: номер головки (0-255) Биты 0 - 5: номер сектора (1-63) Биты 6 и 7: ст.биты номера цилиндра Биты 0 - 7: мл.биты номера цилиндра (0-1023)
04h		Тип раздела	00h - раздел не используется 01h – для ОС с 12-битовой FAT 04h – для ОС с 16-битовой FAT 05h - расширенный Extended-раздел 06h – для ОС старших версий с 16-битовой FAT
05h 06h 07h		Конец раздела диска	Биты 0 - 7: номер головки (0-255) Биты 0 - 5: номер сектора (1-63) Биты 6 и 7: ст. биты номера цилиндра Биты 0 - 7: мл. биты номера цилиндра (0-1023)
08h		Номер сектора	Количество секторов перед началом раздела
0Ch		Размер раздела	Количество секторов в разделе

Программа MBR при своем выполнении анализирует содержимое поля "Признак загрузки" каждого элемента и по коду 80h находит загружаемый (активный) раздел. Затем MBR считывает самый первый сектор этого раздела в память. Этот сектор содержит загрузочную запись (Boot Record - BR), которой главная загрузочная запись передает управление для дальнейшего выполнения загрузки модулей ОС, содержащихся в активном разделе.

Рассмотрим содержимое полей элемента таблицы разделов диска.

Содержимое поля "Признак загрузки" является флагом активного раздела. Коды байтов полей "Начало раздела диска" и "Конец раздела диска" определяют координаты границ раздела на диске. Несколько необычное распределение битов в байтах номеров сектора и цилиндра этих полей объясняется тем, что оно соответствует формату загрузки регистров процессора перед обращением к функции 02h чтения физического сектора диска прерывания 13h BIOS, используемого в программе начальной загрузки.

Код в поле "Тип раздела" указывает, какой именно ОС принадлежит данный раздел. Если код равен 1,4 или 6, это означает, что данный раздел используется операционной системой в качестве первичного раздела (Primary Partition), который обычно является загружаемым. В зависимости от того, какой именно код используется для обозначения первичного раздела, меняется одна из характеристик логического диска - размер элемента таблицы размещения файлов. Таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table) рассматривается в следующей лабораторной работе.

Значение кода типа раздела, равное 5, обозначает так называемый расширенный раздел (Extended Partition). Использование этого раздела позволяет создать на ЖМД несколько логических дисков, что решает проблему эффективного применения винчестеров большого объема. Для создания логических дисков используются специальные вспомогательные системные программы (утилиты - диск-менеджеры). Одной из них является утилита FDISK, позволяющей создать один первичный и один расширенный раздел. Первичный раздел обычно используется как логический диск C:, является активным и из него выполняется загрузка ОС. Расширенный раздел может разбиваться утилитой на логические диски D:,E: и т.д. Он не может быть активным, и, следовательно, невозможно выполнить загрузку ОС с логических дисков, расположенных в этом разделе.

Если поле "Тип раздела" содержит код 05h, то физический сектор, определяемый в поле "Начало раздела диска", является не загрузочным сектором расширенного раздела, а по существу вторичным Master Boot-сектором винчестера. Этот сектор содержит собственную таблицу разделов, называемую таблицей логического диска (Logical Drive Table - LDT). Эта таблица определяет местоположение и размер логического диска, с которым ОС обращается как с отдельным физическим диском. Вторичный Master Boot-сектор отличается от основного Master Boot-сектора тем, что он не содержит программы загрузки и имеет в своем составе только два 16-байтных элемента аналогичной структуры, а не четыре, как у Partition Table.

В поле "Тип раздела" первого элемента LDT указывается код 1,4 или 6, а в таком же поле второго элемента таблицы может содержаться код 5 или 0. Если этот код равен 5, то второй элемент LDT определяет вторичный Master Boot-сектор другого логического диска и т.д. В результате LDT всех логических дисков связываются в список (рис. 1), на начало которого указывает элемент таблицы разделов всего диска с кодом 5 в поле "Тип раздела". Если код типа раздела равен 0, то соответствующий элемент не используется.

Рис. 1

Каждый логический диск содержит свой Boot-сектор, две копии таблицы размещения файлов (FAT – File Allocation Table), корневой каталог и область данных 1).

Для LDT имеется отличие в использовании полей границ логических дисков: если код в поле "Тип раздела" равен 1, 4, 6, границы вычисляются относительно начала расширенного раздела; если этот код равен 5 - то относительно начала физического диска.

Поле элемента таблицы разделов "Номер сектора" хранит число секторов до начала раздела. Оно определяется путем последовательного подсчета секторов, начиная с сектора 1, головки 0, цилиндра 0 физического диска, и увеличения номера сектора на дорожке, затем номера головки и цилиндра.

Число секторов в разделе хранится в 4-байтном поле "Размер раздела". Как и для предыдущего поля, первое слово содержит младшую часть числа, второе - старшую.

Операционная система не предоставляет пользователю средств для непосредственной работы с таблицей разделов диска и главной загрузочной записью. Для обращения к этим системным областям необходимо либо спроектировать свои собственные функции, либо воспользоваться возможностью прямого обращения к самому первому сектору жесткого диска с помощью функции 02h прерывания 13h BIOS, либо использовать средства сервисного программного пакета Norton Utilities и, в частности, утилиту DISKEDIT (в случае, если ОС допускает прямое обращение к ЖМД).

Формат вызова функции 02h прерывания 13h имеет следующий вид:

на входе:

AH = 02h

AL = число читаемых секторов;

CH = номер дорожки;

CL = номер сектора;

DH = номер стороны диска;

DL = физический адрес дисковода (80h для ЖМД);

ES:BX = адрес буфера для данных сектора;

на выходе:

CF = 0, AX = 0000h - функция завершена успешно;

CF = 1, AX = код ошибки - функция завершилась с ошибкой.

В первом секторе на первой стороне нулевой дорожки логического диска и первом секторе на нулевой стороне той же дорожки каждой дискеты размещается так называемая загрузочная запись - Boot Record (BR), которая записывается туда программой форматирования диска. Содержимое первого сектора считывается из активного раздела винчестера программой MBR, после чего программная часть загрузочной записи запускается на выполнение. Помимо программной составляющей в загрузочной записи в ее форматированной области хранятся параметры, описывающие характеристики логического диска или дискеты. Эти параметры объединяются в структуру, называемую блоком параметров BIOS - BIOS Parameter Block (BPB). Формат загрузочного сектора логического диска или дискеты представлен в табл.3.

Таблица 3

Номер поля	Смеще-ние	Размер, байт	Содержимое	Примечание
	00h		Код команды EBxx90 перехода на программу начальной загрузки	Форматированная область сектора
	03h		Имя и версия ОС
	0Bh		Расширенный (Extended) блок BPB
	03Eh		Программа начальной загрузки	Неформатирован- ная область сектора
	1FEh		Cигнатура AA55h - признак окон-чания загрузочного сектора

Блок BPB в зависимости от версии ОС и типа FAT, имеет структуру, отличающуюся от аналогичной структуры в более ранних версиях. Он состоит из стандартного BPB и дополнительного расширения[1]. Формат расширенного блока BPB приведен в табл.4.

Таблица 4

Смеще-ние	Размер, байт	Содержимое	Примечание
0Ch		Количество байтов в одном секторе	Стандартный     блок     параметров     BIOS
0Dh		Количество секторов на кластер
0Eh		Количество резервных секторов, включая Boot-сектор
10h		Число таблиц FAT
11h		Максимальное число элементов в корневом каталоге
13h		Общее количество секторов на логическом диске
15h		Тип носителя (media descriptor)
16h		Количество секторов в одной FAT
18h		Количество секторов на дорожке
1Ah		Количество головок
1Ch		Количество "скрытых" секторов
20h		Общее количество секторов на логическом диске	Расширение   блока   параметров   BIOS
24h		Физический номер диска
25h		Зарезервировано
26h		Код 29h символа ')'
27h		Двоичный номер диска
28h		Метка диска
36h		Зарезервировано

Как обычный, так и расширенный блоки параметров BIOS содержат байт-описатель среды носителя данных (media descriptor). Этот байт служит для идентификации носителя данных и может содержать следующие коды, характеризующие носитель данных по количеству сторон и числу секторов на дорожке: FDh - 2 стороны, 9 секторов; F9h - 2 стороны, 15 секторов; F9h - 2 стороны,9 секторов и F0h - 2 стороны, 15 секторов; F8h - жесткий диск.

Для непосредственного обращения к загрузочной записи можно использовать прерывания MS DOS 25h и 26h, позволяющие выполнять операции чтения и записи сектора соответственно по его относительному (логическому) номеру. Формат этого прерывания для в случае работы с логическим диском объемом свыше 32 Мб, имеет вид:

на входе: AL = адрес дисковода (0=A, 1=B, 2=C и т.д.);

CX = FFFFh - код, определяющий, что работа будет производиться с логическим диском, имеющим размер более 32 Мб;

DS:BX = адрес управляющего блока следующей структуры (табл. 5):

Таблица 5

Размер поля, байт	Содержимое
	Начальный номер логического сектора
	Число секторов для чтения/записи
	FAR-адрес буфера для данных

на выходе:

CF=1 - ошибка, AH = код ошибки;

CF=0 - ошибки нет.

Если размер логического диска менее 32 Мб, формат вызова прерываний 25h,26h несколько иной:

на входе:

AL = адрес дисковода;

CX = количество читаемых (или записываемых) секторов;

DX = начальный номер логического сектора;

DS:BX = адрес буфера для передачи данных;

на выходе:

CF, AH имеют те же значения.

На практике следует учитывать одну важную особенность прерываний 25h,26h: после их выполнения в системном стеке остается одно слово, а именно старое значение регистра флагов. Поэтому после вызова прерывания это слово надо извлечь из стека командой pop и переслать в любой регистр, например CX.

Для чтения секторов диска в память может быть использована также команда l системного отладчика debug. Основные сведения о командах этого отладчика приведены в приложении.

 

Практическая часть

Примечание. Практическая часть работы выполняется в режиме виртуализации операционной системы MS DOS поскольку только эта система обеспечивает возможность непосредственного доступа к аппаратным средствам компьютера и, в частности, к устройствам внешней памяти.

Программная часть работы базируется на использовании средств системного отладчика debug и утилиты DISKEDIT из программного пакета Norton Utilities. При чтении содержимого памяти командами отладчика, в частности командой d, необходимо учитывать, что при выводе числовой информации на экран первый слева байт каждого поля данных является младшим, т.е. значения байтов поля записываются в обратном порядке.

В практической части работы необходимо вначале ознакомиться с командами отладчика debug, основные из которых представлены в приложении, и затем выполнить пункты 2.1 и 2.2.

2.1. Чтение и анализ содержимого первого сектора ЖМД

2.1.1. При выполнении данного пункта можно использовать функцию 02h прерывания 13h BIOS двумя способми:

1) с помощью команд отладчика a <смещение>, g <смещение пустой строки> выполнить ассемблерную последовательность команд, реализующую функцию 02h прерывания 13h. При выполнении команды a задать: <смещение> =100, BX =200. Командой d ES:BX получить на экране дамп первого сектора ЖМД. После команды d ES:BX трижды последовательно задать команду d.

2) с помощью текстового редактора оболочки NC создать текстовый файл[2] mbr.dbg вида:

a 100

mov ah,02

mov al,1

mov ch,0

mov cl,1

mov dh,0

mov dl,80

mov bx,200

int 13

<пустая строка>

g <смещение пустой строки>

r bx

0000

r cx

n master.sec

w es:200

q

< Enter >

Выполнить команду debug<mbr.dbg

В результате содержимое первого сектора ЖМД должно быть получено в файле master.sec текущего каталога.

Второй способ позволяет получить тот же результат, но в более удобной для дальнейшего использования форме.

2.1.2. Получить дамп MBR, используя первый способ чтения начального сектора винчестера. Проанализировать его занести в отчет таблицу разделов винчестера.

2.1.3. Используя второй способ чтения начального сектора ЖМД, получить файл master.sec. Проанализировать содержимое файла и занести в отчет таблицу разделов винчестера. Расшифровать значения всех полей элементов таблицы для первичного и расширенного разделов. Данные занести в таблицу, аналогичную табл.2. Сравнить результаты выполнения пунктов 2.1.2 и 2.1.3.

2.1.4. Запустить на выполнение программу просмотра диска DISKEDIT и проанализировать содержимое начального сектора винчестера в текстовом и шестнадцатеричном режимах. Сопоставить полученную информацию с результатами пп.2.1.2, 2.1.3.

Примечание. При работе с программой DISKEDIT запрещается внесение каких-либо изменений в системные таблицы винчестера, т.к. это может сделать диск неспособным к загрузке!

2.1.5. На основании информации из элемента расширенного раздела определить местоположение на диске (цилиндр, сторона, сектор) вторичного загрузочного сектора логического диска D:. Найти его таблицу разделов, прочитать и расшифровать содержимое элементов этой таблицы.

Примечание. При выполнении этого пункта использовать программу DISKEDIT.

2.2 .Чтение и анализ содержимого загрузочной записи логического диска (дискеты)

2.2.1. Прочитать загрузочный сектор логического диска A: c помощью прерывания25h, составив для этого фрагмент ассемблерной программы и выполнив его с помощью команды отладчика a. Проанализировать полученный дамп памяти, расшифровать его и заполнить в отчете таблицу форматированной области сектора (см. табл.3 и 4). При выполнении прерывания 25h принять BX=200.

2.2.2. Выполнить задание п.2.2.1 другим способом, для чего:

а) подготовить в редакторе NC текстовый файл br.dbg вида:

l cs:100<номер логич.диска> <нач.номер читаемого сектора> <число читаемых секторов>

r cx

n boot.sec

w

q

б) выполнить команду debug<br.dbg;

в) получить файл загрузочного сектора boot.sec, проанализировать его содержимое. Сравнить полученные результаты с данными в п.2.2.1.

2.2.3. Выполнить задание п.2.2.2 для логических дисков C:,D:. Занести в отчет содержимое форматированной области загрузочных секторов этих дисков. Сопоставить результаты с данными, полученными в пп.2.2.1, 2.2.2.

2.2.4. Прочитать и проанализировать содержимое загрузочных секторов дисков A:, C:,D: с помощью программы DISKEDIT. Сравнить полученные результаты с данными, полученными в пп. 2.2.1. – 2.2.3.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе составляется отдельно на каждого студента. Он должен быть оформлен в виде документа Word, и содержать полные результаты по каждому пункту практической части.

Приложение