Внешняя память

1. Внешняя память

Лекция Ливак Е.Н.

2. Типы накопителей (альтернативные)

• Накопители на жестких магнитных дисках – HDD
(англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD)
жёсткий диск, винчестер
Известны с 1956 (IBM)
• Твердотельные накопители - SSD
(англ. Solid-State Drive, SSD)
Известны с 1978

3. Накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД 

Накопитель на жёстких магнитных
дисках, или НЖМД
запоминающее устройство произвольного доступа, основанное
на принципе магнитной записи
С 2012 года осталось три основных производителя —
Seagate, Western Digital и Toshiba
В 2018 году компания Seagate заявила о создании
жёсткого диска объёмом 16 ТБ

4. Твердотельный накопитель - SSD

энергоНЕзависимое НЕмеханическое запоминающее устройство
на основе микросхем памяти
Пример - флэш-память
Используется чаще в ноутбуках, планшетах, нетбуках
Преимущества
• меньше размер и вес
• беззвучны
• более устойчивы к повреждениям (например, к падению)
• бóльшая скорость записи
Недостатки
• в несколько раз бóльшая стоимость (в расчете на гигабайт)
• ограниченное число циклов перезаписи (меньший ресурс
записи)

5. Накопители RAM SSD

• построены на использовании энергозависимой памяти
(как в ОЗУ персонального компьютера)
• характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и
поиском информации
• Основной недостаток - чрезвычайно высокая стоимость за
единицу объёма
• Используются в основном для ускорения работы
крупных систем управления базами данных и мощных
графических станций

6. Структура жесткого диска

7.

Дорожки (цилиндры) нумеруются с 0
(с внешней – бОльшего радиуса)
!!! Секторы нумеруются с 1
Головки нумеруются с 0

8.

Информация на магнитных дисках размещается и передается блоками,
которые называются секторами
Секторы расположены на дорожках диска (концентрические окружности).

9.

Группа дорожек одного радиуса образует цилиндр

10.

Каждый сектор состоит из поля данных и поля служебной информации,
ограничивающей и идентифицирующей его.
В большинстве ОС размер сектора выбирается равным 512 байт
Физический адрес сектора на диске определяется триадой [c-h-s], где
c - номер цилиндра (cylinder)
h - номер рабочей поверхности диска (магнитной головки, head)
s - номер сектора на дорожке (sector)

11. Два типа организации логической структуры

• на основе MBR
• на основе GPT

12. Логическая структура MBR-диска

SYS
main
Раздел 1
Раздел 2
Может быть максимум 4 раздела
SYS main – MBR (Master Boot Record – главная загрузочная запись
Находится в первом секторе, то есть адресу [c-h-s] [0-0-1])

13. Master Boot Record – главная загрузочная запись

! Формирование MBR происходит во время первоначальной установки компьютера
и разделения его жесткого диска на разделы
Главная загрузочная запись
- MBR - состоит из
• исполняемого кода - программы начальной загрузки (внесистемный загрузчик non-system bootstrap)
MBR обычно не зависит от ОС (на платформе Intel она используется для запуска любой из ОС)
• и таблицы разделов, или таблицы разбиения диска (Disk Partition Table).
Главный загрузочный сектор заканчивается специальной сигнатурой
АА55h (2 байта)
По наличию этой сигнатуры BIOS проверяет, что первый сектор был загружен успешно.
Сигнатура выбрана не случайно. Ее успешная проверка позволяет установить, что все линии
передачи данных могут передавать и нули, и единицы. АА55h = 1010 1010 0101 0101 bin

14. Разделы жесткого диска

Жесткий диск может быть разбит на несколько разделов,
которые могут использоваться либо одной, либо различными ОС.
На каждом разделе может быть организована своя файловая система.
Разделы диска могут быть двух типов:
primary (первичный, простейший);
extended (расширенный).
На диске обязательно должен быть по крайней мере один первичный раздел.
Максимальное число первичных разделов равно 4.
! Только один первичный раздел может быть активным
На одном жестком диске может быть только один расширенный раздел, который, в
свою очередь, может быть разделен на большое количество подразделов - логических
дисков.
Таким образом,
расширенный раздел предназначен для увеличения количества разделов
(>4, позволенных форматом MBR).
! Расширенный раздел не может быть активным

15. Логическая структура ЖД

Boot Record
[C-H-S]
Boot Record

16. MBR: Таблица разделов (Disk Partition Table)

содержит сведения об имеющихся на жестком диске разделах:
• их положение (адреса первого и последнего секторов: c-h-s)
• признак активности
• размер раздела в секторах
• DPT располагается в MBR по смещению Оx1ВЕ h
(начиная с этого адреса)
• занимает 64 байта
• для описания каждого раздела отводится 6 байт (16 * 4 = 64)

17. Элемент таблицы разделов

Проблема с [C-H-S] адресацией состоит в том, что
с помощью такой записи можно адресовать максимум 8 Гб диска.
Первоначально этого было достаточно, но с увеличением емкости дисков становилось недостаточно.
была разработана система адресации LBA (Logical Block Addressing),
которая использовала плоскую 32-битную нумерацию секторов диска (относительные адреса секторов).
Это позволило адресовать диски размером до 2Тб.
Позже разрядность LBA увеличили до 48 бит, однако MBR эти изменения не затронули.
В нем по-прежнему осталась 32-битная адресация секторов
Относительный номер 0 соответствует [0-0-1].
При увеличении относительного номера сектора
вначале увеличивается № сектора, затем № головки, затем № дорожки
относительный номер сектора можно вычислить по формуле
Rsec = (Cyl*Sect*Head) + (Head*Sect) + (Sect-1)

18. Загрузочные записи MBR-диска

MBR
Boot
Record
Раздел 1
(активный)
Boot
Record
Логический
диск 1
Boot
Record
Логический
диск 2
Master Boot Record – системная информация обо всем физическом диске
Boot Record – о логическом диске и активном разделе

19. MBR: Внесистемный загрузчик

Имеет размер 446 байт (из 512 байт главного загрузочного сектора)
Программа начальной загрузки (внесистемный загрузчик) предназначена для
• анализа (сканирования) таблицы разделов,
• выбора активного (Bootable) раздела,
• считывания в ОП загрузочной записи активного раздела
(Boot Record) и передачи ей управления
в зависимости от вида загрузчика
- либо передаётся управление загрузочному коду активного раздела жёсткого диска
(загрузочный код = системный загрузчик, он хранится в загрузочной записи активного
раздела)
- либо загружается ядро ОС с активного раздела в оперативную память и передаётся ему
управление
Некоторые загрузчики имеют имена, например,
o
o
NTLDR — загрузчик ядра Windows NT/2000/XP.
Windows Boot Manager (bootmgr, winload.exe) — загрузчик ядра Windows Vista, Windows 7, Windows 8 и Windows 10

20. Загрузка компьютера = загрузка ОС

Два метода загрузки компьютера
• традиционный метод BIOS-MBR
• более современный UEFI-GPT

21. Загрузка BIOS-MBR (1)

включается питание компьютера
начинает работать процедура проверки POST (Power On Self Test)
o
o
определяется конфигурация компьютера,
проверяется работоспособность основных подсистем.
из CMOS-памяти считываются значения текущей даты и времени,
конфигурация дисковой подсистемы
определяется первое готовое устройство из списка разрешенных и
доступных (программа SetUp) и с этого устройства в ОП загружается
программа-загрузчик
! Для жесткого диска в ОП загружается MBR
и начинает работать внесистемный загрузчик

22. Загрузка BIOS-MBR (2)

программа-внесистемный загрузчик из MBR
анализирует таблицу разделов диска,
выбирает активный (Bootable) раздел,
считывает загрузочную запись активного раздела (Boot Record)
системный загрузчик (system bootstrap) из Boot Record активного
раздела продолжает загрузку операционной системы считываются с диска необходимые файлы операционной системы
и им передается управление
Повторим в зависимости от вида внесистемного загрузчика
- либо передаётся управление системному загрузчику
активного раздела жёсткого диска
- либо загружается ядро ОС с активного раздела в
оперативную память и передаётся ему управление

23. Внедрение загрузочных вирусов

Boot С:
Record Раздел 1
(активный)
В
И
Р
У
С
MBR
Boot
Record
D:
Логический диск

24. Структура разделов GPT

• GPT более новая и продвинутая структура разделов
Основные термины
UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) унифицированный расширяемый интерфейс прошивки
GPT - GUID Partition Table
(коротко: глобальная таблица разделов)
GUID (Globally Unique IDentifier) –
глобальный уникальный идентификатор

25. Структура разделов GPT

GPT состоит из логических блоков (LBA) размером 512 байт.
GPT так же, как и MBR, располагается в начале диска, но занимает 32сектора
(файлы записываются с 34-го сектора жесткого диска (1 сектор на MBR+32 на GPT)
Первый сектор резервируется для MBR, которая в дисках с GPT присутствует для
совместимости со старыми операционными системами

26. Структура разделов GPT

Таблица разделов в GPT может иметь размер в 16 КБ
(при размере сектора в 512 байт располагается в 32 секторах).
присущее MBR ограничение на максимальный размер диска в 2 ТБ снимается!
В GPT максимальный размер диска может составлять более 9 зеттабайт
(1 зеттабайт = 1 000 000 000 ТБ)

27. Таблицы разделов

Итак, MBR содержится в блоке LBA 0, оглавление GPT — в блоке LBA 1.
В оглавлении содержится адрес блока, где начинается сама таблица разделов, обычно
это следующий блок — LBA 2.
Помимо оригинала GPT в начале диска существует ее копия в самом конце диска,
позволяющая восставить таблицу разделов в случае повреждения

28. Загрузка UEFI-GPT