Transcript A merevlemezes tároló

Háttértárolók
Háttértárolók
A háttértároló perifériákra két fő okból van
szükség:
az adatok a gép kikapcsolása után bármilyen
hosszú ideig tárolhatók legyenek (merevlemez,
szalagok archiváláshoz)
az operatív memória kapacitásának kibővítése
cserélhető adathordozókkal
Háttértárak
Mágneses elvű
Papír alapú
Lyukkártya
Lyukszalag
Optikai
ROM
Szalagos
Lemezes
Hajlékony
WARM
WORM
Merevlemez
Mágneses adattárolás
• Mágneses háttértárolók
 véletlen elérésű (floppy, merevlemez)
 sorfolytonos elérésű (szalagok)
A merevlemezes tároló
HDD
Winchester
Hard disk
Vinyó
Vinycsi
Stb…
A HDD,az adat-rögzítés alapelvei
• A merevlemezes tároló nagy sebességű és
nagy tárolókapacitású háttértároló.
• Fizikailag egy vagy több közös tengelyen
elhelyezett lemezből áll, melynek a bevonata
mágneses mezőre érzékeny.
• Minden lemez mindkét oldala írható és
olvasható (ez alól csat a két szélső lemez burkolat felőli oldala
lehet kivétel.)
• Minden lemezoldalhoz tartozik egy író- és
egy olvasófej. (Ezeket már kivétel nélkül egybeintegrálva
készítik el. Az összes fej egyszerre mozdul el, a fejmeghajtó
elektronika biztosítja, hogy az összes lemezoldalra egyszerre
történjen meg az írás vagy olvasás).
• A lemez felülete speciális anyag, melynek elemi
részecskéi a mágneses mezőtől függő irányba állnak be.
A fej típusa nyitott lágyvas, melyen egy tekercset
helyezünk el. Ha a tekercsen váltakozó feszültséget
kapcsolunk, akkor a vasmag két vége közti nyílásban
mágneses mező indukálódik. (Tulajdonképpen a tér
minden irányában tapasztalunk mágneses mezőt, de
ennek erőssége elenyésző a részben lévő mezőhöz
képest.). A mágneses erővonalak „kigyűrődnek" a
vasmag síkjából. Ezek az erővonalak érintkeznek
tulajdonképpen a lemezzel.
A mágneses rögzítés elve
Mágneses erővonalak
Az erővonalak iránya a lemezbevonat részecskéit a
megfelelő irányba állítják. Mivel a számítógép digitális
működésű és bináris kódolást használ, ezért a jeleknek
csak két állapota, 0 és 1 lehet.
• Amikor írunk a lemezre, mindig csak egy fej dolgozik
egy időben. Szembekerülünk azonban két problémával,
amely ugyanazt az eseményt okozza. Ha a lemez
forgási sebessége állandó, akkor a lemez külső és
belső széle nem egyforma kerületi sebességgel
forog. Ezen lehet segíteni, hogy ha az elektronika a
forgási sebességet úgy változtatja, hogy a fej alatti sáv
kerületi sebessége állandó maradjon. A másik probléma,
hogy a lemezeket forgató motor fordulatszáma nem
állandó, bizonyos tűrési tartományon belül mozog.
Ennek az eredménye, hogy a lemez forgási sebessége
is ingadozni fog. Ez a beolvasásnál is és az írásnál is
komoly probléma, mert így a szektorhatárokat nehéz
megtalálni. Ennek kiküszöbölésére az információt
kódoljuk és a kódolásban beépítünk olyan
információt, mely megoldja a szinkronizációt.
A legismertebb kódolási eljárások:
KÓDÓLÁSI ELJÁRÁSOK
6
4
6
3
0
1
1
0
0 1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0 1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
Az FM eljárás
Az MFM
eljárás
Az RLL eljárás
• FM (Frekvenci Modulation, frekvencia moduláció). Ennél
a kódolásnál az alacsony és a magas szinteket eltérő
frekvenciájú jelek jelzik. Általában a 0 szinthez egy
nagyságrenddel alacsonyabb frekvenciájú jel tartozik,
mint az 1 szinthez.
• - MFM (Modify Frekvency Modulation, módosított
frekvencia moduláció). Az FM kódolás hiányosságait
hivatott kiküszöbölni az MFM eljárás. Az első
winchestereknél ezt használták, a h hajlékonylemezek
még ma is ezt a kódolást használják. A jeleket itt felfutó
élek jelölik. A két szintet a felfutó él elhelyezkedése
határozza meg. 0 szintet a bithatár elején lévő, míg az 1
állapotot a bitközépen elhelyezkedő felfutó él jelöli. Ha
az 1-est 0 követi, , akkor ott nincs impulzus a kódolt
jelben. Erre azért van szükség, mert akkor túl közel
kehülne két impulzus, és zavar esetén ezek
egybefolyhatnak. Ha ez bekövetkezne, nem érzékelnénk
a bitváltozást.
• Manchester kódolás. Ez a kódolás nullára szimmetrikus
feszültségszinteket használ. Itt a biteket jelátmenet
jelképezi, az ugrás irányának is szerepe van. Például
0~1 átmenet 1-est, az 1 ~0 átmenet 0-át jelöl. Akkor, ha
több azonos bit követi egymást, akkor a jelnek a két bit
között vissza kel térnie az eredeti szintre azért, hogy a
következő bitidőben ugyanolyan átmenet .következhessen.
• - RLL kódolás: Kifejlesztésénél a cél az volt, hogy a
fluxusváltozást tovább csökkentsék. Ezt az adatok
átkódolásával sikerült megoldani. A kódolás elve
viszonylag egyszerű, két 1 állapot között meghatározott
számú 0 állapotnak kell lennie. Ez a módszer kapta az
RLL (Run Lenght Limited, futási hossz korlátozás) nevet.
Lemezkezelés:
• Fizikai felépítés
•
•
•
•
A lemezek koncentrikus körökre vannak felosztva: sávok.
A sávok a fejek sugárirányú elmozdulásával érhetők el. Az egymás alatti
sávok egy cilindert alkotnak, ennek adatai fejmozgás nélkül elérhetőek.
Mindegyik sáv megadott számú, egyenlő kapacitású adattároló helyet
tartalmaz, ezek a szektorok.
A szektor a lemezen kezelhető legkisebb fizikai adategység. Egy szektorhoz
való hozzáférésnek (írásnál vagy olvasásnál) a szektort három paraméter
megadása azonosítja:
– a cilinder száma (C = cylinder),
– a fej száma (H = head),
– a szektor száma (S = sector).
•
Ezeket az információkat a szektor kezdő része, az ún. szektorfej
tartalmazza
A merevlemez mechanikai
szerkezete
• A felületen koncentrikus körökben helyezkednek el a
sávok melyek szektorokra vannak osztva.
• Struktúrák a lemezen:
(A) Sáv
(B) Mértani szektor
(C) Informatikai
szektor
(D) Adat-cluster
Egyértelmű, hogy a lemez külső részén található sávokon nagyobb
hely van a szektorok számára (nagyobb a kerületük), így itt több
szektor alakítható ki:
• Az alacsonyszintű formázáskor alakul ki a lemez tényleges
kapacitása. Értelemszerűen minél sűrűbben jönnek egymás után a
sávok, illetve minél sűrűbben írjuk fel a biteket egy sávba, annál
nagyobb kapacitást kapunk. Ennek megfelelően két mértékkel
jellemezzük a lemez adatsűrűségét:
TPI (Track Per Inch): A lemezen sugárirányban 1 inch hosszon
található sávok száma - vagyis milyen sűrűn írjuk fel a sávokat. (Egy
mai merevlemez TPI értéke több tízezer.)
BPI (Bit Per Inch): A lemezen egy sáv 1 inchén belül található bitek
száma - vagyis milyen sűrűn irjuk fel a sávban a biteket. (Egy mai
merevlemez BPI értéke több százezer)
• A mai típusoknál egy felületen legalább 35.000(!) sáv kialakítása
lehetséges. A külső sávcsoportoknál a sávonkénti szektorszám
2.500, míg a belső sávcsoportoknál 1.500. Ezek a számok persze
csak tájékoztató jellegűek, és az adott winchesterhez tartozó fizikai
paraméterek, melyeket a felhasználó nem lát!!!!
•
• A winchesterek esetében a legkisebb címezhető egység
a szektor (általában 512 bájt). Tudni kell, hogy ilyen kis
egységet az operációs rendszer csak speciális beállítás
esetén tud kezelni.
• Az operációs rendszerek minden esetben cluster (fürt)
szinten kezelik a tárolókat. A cluster méretét a
formattálás alakítja ki. Ennek értéke függ az alkalmazott
operációs rendszertől (W9x, NT, Novell, Linux, stb.) a
kialakított partíció méretétől, valamint az alkalmazott
fájlrendszertől (FAT-16, FAT-32, NTFS, stb.). Mindezek
függvényében egy cluster 2-64 szektor méretű lehet.
A szektor
• lemezen minden szektor két részből áll: a
szektorfejből és az adatblokkból. Ezek
kezdetét egy-egy azonosító mutatja meg
(IM = Identifier Mark, DM = Data Mark). Az
adatblokk mérete tipikusan 512 bájt. Mivel
a legkisebb adategység a szektor, a
merevlemez fizikai kezelése szektorszintű
műveletekkel történik.
A szektor fizikai felépítése
Winchester fordulatszámok
5400
rpm
notebook winchesterek, mai (2010) nagykapacitású
(1,5TB) merevlemezek
7200
rpm
notebook és IDE winchesterek
10000
rpm
nagyteljesítményű IDE és SCSI winchesterek
15000
rpm
nagyteljesítményű SCSI winchesterek
A merevlemez logikai szerkezete
• Logikai formázás: kialakítja a lemezen az alkalmazni
kívánt fájlrendszert.
• A fájlok elhelyezkedését a lemez elején létrehozott
FAT tábla mutatja, amely után a hierarchikus
fájlrendszer gyökérkatalógusa következik.
• Alapegysége: a több szektorból álló szektorcsopor
(klaszter = cluster).
A fájlok a lemezen klaszterekre vannak osztva, így az
operációs rendszer írni és olvasni a merevlemezt
csak klaszterenként tudja. Egy klaszterben található
szektoroknak a száma a lemez kapacitásától függ.
Állomány-elhelyezési tábla:
• Az állomány-elhelyezési tábla (FAT = File
Allocation Table) az állományok
rekordjainak, azaz klasztereinek a
lemezen történő elhelyezkedését tárolja.
Ezzel tartja nyilván az OS a
lemezterületek foglaltságát
• A FAT hibátlansága a rendszer
működésének elengedhetetlen feltétele.
A partíciók
• A lemezen kialakított fizikai szerkezet
önmagában még nem teszi lehetővé, hogy
állományokat is tároljunk rajta. Ehhez a
következő lépésket kell még megtenni:
• A lemez partícionálása
• A partíción a logikai fájlszerkezet
kialakítása (logikai formázás)
A partíció fogalma
• Egy lemez összefüggő fizikai
szerkezetét tehát logikailag egymástól
logikailag független részekre bontjuk.
Ezeket a részeket nevezzük
partícióknak, a felosztás folyamatát
pedig particionálásnak.
Háromféle partíciót különböztetünk
meg.
Elsődleges (primary) partíció.
Legfontosabb tulajdonsága, hogy a különböző
operációs rendszerek szeretnek az elsődleges
partícióról indulni. Egy merevlemezen az
elsődleges partíciók száma (PC-s
rendszerekben) 0, 1, 2, 3 vagy 4. A partíciókhoz
a Windows operációs rendszer általában betűt
rendel (C:, D: stb.), de lehetőség van már itt is
arra, hogy egy partíció egy könyvtárban jelenjen
meg.
Kiterjesztett (extended) partíció.
• A kiterjesztett partíció nem formázható,
csupán újabb, úgynevezett logikai
partíciók hozhatók rajta létre. Extended
partíció száma (PC-s rendszerekben) 0
vagy 1 lehet.
Logikai partíció, mely az előzőek
szerint az extended partíción található.
Számuk nem korlátozott.
(maximum 128 logikai meghajtó támogatott).
A Windows ezekhez is betűt rendel .
A dinamikus lemezek, kötetek:
• a dinamikus lemezeken akár 1000 partíció
is létrehozható. Alaplemeznél nincs
bonyolítás, partíció, partíció, egy kutya.
Dinamikus lemezeknél viszont 5 féle kötet
létezik: egyszerű, átnyúló, sávos,
tükrözött, RAID-5.
Honnan tudja a rendszer, hogy hány
partícióra van felosztva a
merevlemez, illetve hol vannak
ezek a partíciók?
Egy kis előzetes:
MBR - Master Boot Record
PC-s rendszerekben a lemez 0. szektora (melynek neve
MBR, azaz Master Boot Record) tartalmaz egy partíciós
táblát és egy kis programot. A partíciós tábla felfogható a
merevlemezen levő partíciók ’tartalomjegyzékének’ ! Az
MBR partíciós tábla mindig a 0. Számú logikai szektor, a
0. sávon a 0. fejjel elérhető 1. fizikai sorszámú szektor.
Ahogy egy könyv tartalomjegyzéke megmutatja, hogy a
könyv bizonyos fejezetei a könyv hányadik oldalán
kezdődnek, úgy a Master boot record-ban levő partíciós
tábla is megmutatja, hogy a partíciók a merevlemezen
hol találhatóak.
• A partíciós táblának 4 sora van, és ezekben
vannak eltárolva az elsődleges partíciók és a
kiterjesztett partíció adatai. A kiterjesztett
partíció által tartalmazott logikai partíciók
táblázata nem a MBR-ben, hanem a kiterjesztett
partícióban található. Mivel 4 sor van, ezért lehet
maximum 4 partíció. Ha ebből mind a 4
elsődleges, akkor nem lehet kiterjesztett (így
logikai sem), ha meg van 1 kiterjesztett (több
nem lehet), akkor maximum mellette 3
elsődleges található.
• Mint minden szektor, a MBR is 512 bájt terjedelmű. A
Master boot record (MBR) partíciós táblájában
mindegyik partíció bejegyzése a következő információk
leírásából áll:
– aktív állapotot jelző bájt: azt jelzi, hogy a partíció
aktív-e vagy sem (Az aktív partícióról próbálja meg
betölteni az operációs rendszert)
– partíció kezdete és vége (vagyis a partíció melyik
cilinder melyik lemezoldalának melyik szektoránál
kezdődik, illetve melyiknél végződik)
– partíció mérete (szektor darabszámban kifejezve) maximum 2 TerraByte méretű lehet egy partíció
– partíció típusa (ami lehet elsődleges vagy
kiterjesztett)
• A MBR épsége nagyon fontos. Ha a MBR-ben
levő partíciós tábla megsérül, akkor a
számítógép indítását követően a MBR program
nem találja meg az indítandó operációs rendszer
partícióját, következésképpen az operációs
rendszer nem fog elindulni. Amennyiben a MBR
program a partíciókat nem találja meg, a
merevlemez partíción tárolt fájlok és könyvtárak
sem lesznek elérhetőek. Ha a MBR program
sérül meg, akkor a merevlemezről nem fog az
operációs rendszer bootolni.
Az MBR működése:
Tartalma:
• A szektor első részében egy programot
találunk, ami az igazi partíciós táblát
értelmezi és a betöltésre kijelölt partíció
betöltő szektorat beolvassa.
• Valamint a partíció táblát. (Ez a HDD
felosztásáról, partícióiról tartalmaz
adatokat, jellemzőket.
Betöltődés „BOOT” rendszer
induláskor:
A bootolás az a folyamat, mely a
számítógép bekapcsolásától az
operációs rendszer betöltődéséig tart.
A bootolás lépései a
következők:
0. PC be kapcsolás….
1. Először az alaplap BIOS rendszere kapja meg az
vezérlést. A BIOS különféle ellenőrzéseket végez
annak megállapítására, hogy a számítógép hardver
eszközei (RAM memória, billentyűzet, merevlemez,
stb.) rendben vannak-e. Ezt a néhány másodpercig
tartó ellenőrzési folyamatot power on self test-nek
vagy rövidítve POST-nak nevezik.
2. Miután a POST ellenőrzések sikeresen végrehajtódnak,
a BIOS megnézi, hogy milyen hardver eszközről kell
végrehajtani a bootolást (lehetséges esetek: floppy,
merevlemez, CD/DVD, sőt újabban USB flash drive). A
továbbiakban azt az esetet vizsgáljuk, amikor
merevlemezről indul az operációs rendszer bootolása.
3. A ROM BIOS program az önteszt és a
kezdeti paraméterek beállítása után az
első fizikai szektort (MBR és a partíciós
tábla) betölti a 07COOh RAM címre, majd
a vezérlést átadja erre a címre.
Innentől az MBR betöltő programja fut!
4. Átmásolja önmagát a 00600h címre, majd
a végrehajtást innen folytatja.
5. Elemzi a partíciós tábla első bejegyzését.
Ha nem aktív, akkor átugrik a következő
bejegyzésre. Amennyiben nem talál aktív
bejegyzésű partíciót, akkor az operációs
rendszert az A: meghajtóról próbálja meg
elindítani. Amennyiben van a meghajtóban
lemez, de nem tartalmaz operációs
rendszert, vagy nincs benn lemez, akkor
az üzenettel kér minket, hogy helyezzünk
be rendszerlemezt.
Abban az esetben, ha egy partíció bejegyzés
nem OOh vagy 80h, akkor az „Invalid partition
table" üzenetet kapjuk. Ennek eredménye,
hogy itt végtelen ciklusba lép. Ebből csak a
számítógép újraindításával lehet kibillenteni.
Ha egy bejegyzés aktív, tárolja a betöltő szektor
tartalmát.
6. Betölti az aktív partícióhoz tartozó betöltő
(Az aktív partíció boot rekordja egy másik, saját kis boot
programot (bootstrap code) tartalmaz)
07COOh memória címre.
szektort a
• Abban az esetben., ha az előbbi művelet
többszöri kísérletezés után is eredménytelen,
akkor az „Error loading operating system"
üzenet íródik ki a képernyőre. Az üzenetet
kiírása után az MBR program végtelen ciklusban
kerül.
• Ha a betöltő szektor utolsó szava (2 bájt) nem
SSAah, akkor a„Missing operating system"
üzenetet írja ki a program és végtelen ciklusba
lép.
7. Sikeres betöltés esetén a művelet
végeztével átugrik a betöltő szektor
végrehajtásához a 07COOh címre.
8. Ez a bootstrap program elkezdi az aktív
partíción található operációs rendszert a
merevlemezről betölteni a memóriába.
Ettől kezdve már az operációs rendszer
saját boot lépései következnek.
• Vége