Подсистема ввода-вывода. Дисковая подсистема

1.

Лекция 9
Подсистема ввода-вывода
Дисковая подсистема

2.

Физическая организация диска
Для чтения определенного сектора данных (его емкость принята равной
512 байт) нужно:
1) отвести головки на нужное расстояние от центра, то есть
позиционировать на нужный цилиндр,
2) начать просмотр дорожки на нужной пластине, активировав нужную
головку и
3) производить чтение всей информации до появления заголовка
сектора, номер которого (содержится в этом заголовке) совпадает с
нужным нам для операции чтения или записи
В соответствии с такой схемой метод нахождения нужной информации
на жестком диске называется CHS-адресацией (Cylinder-Head-Sector).

3.

Работа диска через BIOS
• BIOS (базовая система ввода-вывода) является набором
системных подпрограмм (функций), среди которых есть и
программа чтения-записи данных на жестком диске. Для
получения содержимого одного сектора требуется указать его
CHS-адрес.
• Число секторов, цилиндров и головок BIOS'у должно быть
известно, для этого и существует автодетект в Setup.
• Информация о геометрии, используемая для работы функций
доступа к диску, даже близко не соответствует реальной
геометрии современного жесткого диска. У него 1-3 пластины,
одна из которых может использоваться только с одной стороны,
и 1-6 головок.
• Поэтому контроллер жесткого диска производит трансляцию
поступающих адресов, такую же трансляцию производит и BIOS,
работая по механизму LBA (Logical Block Addressing)

4.

EFI
• Унифицированный Расширяемый интерфейс прошивки
(Extensible Firmware Interface EFI) - интерфейс между
операционной системой и микропрограммами, управляющими
низкоуровневыми функциями оборудования, его основное
предназначение: корректно инициализировать оборудование
при включении системы и передать управление загрузчику
операционной системы.
• В EFI BIOS находится собственный менеджер загрузки, с
помощью которого выясняется какие EFI приложения должны
запуститься и откуда (например указан диск, раздел)
• Менеджер загрузки запускает EFI приложения с раздела,
отформатированного под файловую систему FAT (HFS/HFS+ для
Apple-Intel Mac). Этот раздел называется EFI System Partition
(ESP).

5.

Интерфейсы подключения жёстких дисков
IDE/ATA (Integrated Drive Electronics ; Advanced
Technology Attachment один из первых
интерфейсов для подключения жестких дисков.
Является стандартом. Управляющая электроника
располагается в самом винчестере. Контроллер
встроен в материнскую плату IDE, к одному каналу
можно подключать два устройства - Master и Slave.
После появления SATA был переименован в PATA
(Parallel ATA)
SCSI (Small Computer Systems Interface) – интерфейс,
разработанный для объединения на одной шине
различных по своему назначению устройств, таких
как
жёсткие
диски,
накопители
на
магнитооптических дисках, стримеры, сканеры и т. д.
Стандарт определяет не только физический
интерфейс, но и систему команд, управляющих
устройствами SCSI. Позволяет использовать до 7 —
15 (в зависимости от ширины шины) подключаемых
устройств

6.

Интерфейсы подключения жёстких дисков
SATA (Serial ATA) — более новая разработка, заменяющая
интерфейс АТА, SATA использует 7-контактный разъём
вместо 40-контактного разъёма у PATA, предусматривает
«горячую замену» (Hot-plug) устройств и функцию очереди
команд (NCQ Native Command Queuing — аппаратная
установка очередности команд), каждому устройству
полагается отдельный кабель, что снижает задержки при
одновременной работе двух устройств на одном кабеле.
Кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего
уменьшается сопротивление воздуху - улучшается
охлаждение системы, разъем более устойчив к
многократному подключению.
SAS (Serial Attached SCSI) обеспечивает подключение по
шине SATA устройств, управляемых набором команд SCSI.
Обладая обратной совместимостью с SATA, он даёт
возможность подключать по этому интерфейсу любые
устройства, управляемые набором команд SCSI — не
только винчестер, но и сканеры, принтеры и др.

7.

Основная терминология
• Диск — физическое устройство внешней памяти, например
жесткий диск, 3,5-дюймовая дискета или компакт-диск (CDROM).
• Диск делится на секторы, блоки фиксированного размера.
Размер сектора определяется аппаратно. Например, размер
сектора жесткого диска, как правило, составляет 512 байтов, а
размер сектора CD-ROM — обычно 2048 байт.
• Раздел (partition) — набор непрерывных секторов на диске.
Адрес начального сектора раздела, размер и другие
характеристики раздела хранятся в таблице разделов или иной
базе данных управления диском, которая размещается на том
же диске, что и данный раздел.
• Простой том (simple volume) — объект, представляющий
секторы одного раздела, которым драйверы файловых систем
управляют как единым целым.

8.

BIOS и GPT диски
ОС Windows можно установить на диски на основе любой из
следующих структур:
BIOS. Базовая система ввода-вывода. Также известна как
основная загрузочная запись (MBR)
UEFI. Единый интерфейс EFI. Также известен как таблица
разделов GUID (GPT)
Базовый
Динамический
BIOS (MBR)
Basic/MBR
Dynamic/MBR
UEFI (GPT)
Basic/GPT
Dynamic/GPT

9.

Базовые и динамические диски
• Диски, созданные по схеме разделения на
разделы, принятой в MS-DOS, в Windows 7
называются базовыми. По умолчанию все диски,
создаваемые в Windows 10, являются базовыми
• Динамические диски – диски, управляемые LDM
(Logical Disk Manager) диспетчером логических
дисков, разработанным компанией VERITAS
Software

10.

Базовый (Basic) диск на MBR

11.

Базовый (Basic) диск на MBR
• Первый сектор жесткого диска имеет название Master
Boot Record, MBR и состоит из двух частей - программы
начального загрузчика и таблицы разделов (Disk Partition
Table, DPT)
• DPT состоит из четырех записей, обозначающих
• адрес начала раздела,
• его размер в секторах,
• адрес конца и
• тип файловой системы
• загрузка возможна с того раздела, у которого установлен
флаг активности в таблице DPT.
• Первый сектор раздела называется Boot Sector. В его
составе также есть загрузочная программа и таблица BIOS
Parameter Block, BPB

12.

Таблица разделов GPT
• Таблица разделов GUID (GUID Partitioning Table GPT) была
представлена в рамках инициативы по созданию (Unified
Extensible Firmware Interface UEFI). GPT обеспечивает более
гибкий механизм разбиения диска на разделы, чем схема Master
Boot Record MBR.

13.

Таблица разделов GPT
• В таблице разделов GPT для обратной совместимости
с дисковыми утилитами присутствует защищенная
область MBR
• Заголовок GPT содержит диапазон адресов
логических блоков для использования записями о
разделах, их GUIDы, контрольную сумму CRC.
• Каждая запись о разделе имеет копию. Диск GPT
может содержать теоретически неограниченное
число разделов, но реализация Windows
ограничивает их число до 128 разделов (124 диска
для данных)
• Число разделов ограничено размером пространства
зарезервированного для записей о разделах в GPT

14.

Базовый GPT vs. базовый MBR

15.

Базовый GPT vs. базовый MBR
• На каждом основном GPT-диске можно создать до
128 основных томов. Максимальный размер тома на
GPT-диске составляет 16 экзабайт.
• В отличие от базовых GPT-дисков, на каждом базовом
MBR диске может содержаться до четырех основных
томов или до трех основных томов и неограниченное
количество логических томов. Максимальный размер
тома на MBR-диске равен 2 ТБ.

16.

Динамические диски
Каждый динамический диск имеет скрытую базу данных, в
которой LDM хранит конфигурацию всех динамических томов .
На MBR-диске эта база данных занимает 1 МБ дискового
пространства. На GPT-диске Windows создает выделенный
раздел метаданных LDM, отбирая дисковое пространство у
раздела Microsoft Reserved Partition (MSR).
Для обеспечения обратной совместимости LDM реализует и
таблицу разделов стиле MS-DOS, чтобы
– другие ОС не решили, что на диске не определены разделы
– для того, чтобы загрузочный код Window 10 мог найти
системный и загрузочный тома

17.

Динамический диск
Динамический диск может использовать в качестве схемы
разделов основную загрузочную запись (MBR) или схему разделов
GPT

18.

Активный, системный и
загрузочный том
Активный том - это том, с которого машина загружается после
включения, обычно содержит одну из следующих программ:
Операционная система.
Программа, позволяющая выбрать запускаемую операционную
систему (если установлено несколько операционных систем),
например загрузчик GRUB.
Средство диагностики или восстановления, которое запускается до
операционной системы, например Восстановление при загрузке.
Системный том не виден в проводнике (нет буквы диска)
содержит файл bootmgr
На загрузочном томе находятся файлы ОС (каталог Windows)

19.

Системный том (раздел)
• После добавления буквы диска в Диспетчере дисков
отобразится содержимое системного тома
• Каталог Boot содержит базу данных BCD в
формате куста реестра

20.

Структура разделов по умолчанию в W10
• MBR диск

21.

Требования к разделам (BIOS/MBR)
При развертывании Windows на устройстве с BIOS необходимо
отформатировать жесткие диски с помощью файловой системы
MBR. Windows не поддерживает файловую систему таблицы разделов GUID
(GPT) на компьютерах с BIOS.
Системный раздел
• Системный раздел должен быть настроен как активный
• Минимальный размер – 100Мб
Раздел Windows
• Не менее 20 гигабайт (ГБ) дискового пространства для 64-разрядных
версий или 16 ГБ для 32-разрядных версий. Максимум 2Тб
• Файловая система NTFS
• Не менее 16Гб свободно после Out of Box Experience (OOBE)
Раздел восстановления
• Образ для восстановления, winre.wim, обычно имеет размер 250–300
МБ, в зависимости от того, какие драйверы, языки и настройки вы
добавляете.
• Сама файловая система может занимать дополнительное место.
Например, NTFS может зарезервировать 5-15 МБ или более на разделе
750 МБ.

22.

Структура разделов по умолчанию в W10
• GPT диск

23.

Требования к разделам (UEFI/GPT)
При развертывании Windows на устройстве на основе UEFI необходимо отформатировать
жесткий диск, содержащий раздел Windows, с помощью файловой системы таблицы
разделов GUID (GPT). Дополнительные диски могут использовать формат файла GPT или
основной загрузочной записи (MBR).
Системный раздел (системный раздел EFI - ESP)
• Системный раздел должен быть настроен как активный
• Минимальный размер – 100Мб, FAT32
Зарезервированный раздел Microsoft (MSR - microsoft system reserved)
MSR - это зарезервированный раздел, который не получает идентификатор раздела. Он
не может хранить пользовательские данные.
• Размер 16Гб
Раздел Windows
• Не менее 20 гигабайт (ГБ) дискового пространства для 64-разрядных версий или 16
ГБ для 32-разрядных версий. Максимум 2Тб
• Файловая система NTFS
• Не менее 16Гб свободно после Out of Box Experience (OOBE)
Раздел восстановления (>300 Мб)
• Образ для восстановления, winre.wim, обычно имеет размер 250–300 МБ, в
зависимости от того, какие драйверы, языки и настройки вы добавляете.
• Сама файловая система может занимать дополнительное место. Например, NTFS
может зарезервировать 5-15 МБ или более на разделе 750 МБ.