Рис. 9.57. Основные механические детали жесткого диска

Для того чтобы операционная система компьютера «знала», где искать нужную информацию на жестком диске, он разбивается на отдельные области, что позволяет компьютеру легко и быстро найти нужные последовательности битов.

Такой способ разметки жесткого диска называется форматированием. Форматирование подготавливает жесткий диск к записи файлов таким образом, что нужная информация может быть быстро считана, когда это потребуется.

Прежде чем можно будет использовать новый жесткий диск, его необходимо отформатировать. Форматирование — это метод организации записанной на диск информации, зависящий от операционной системы.

Существует два вида форматирования жестких дисков: низкоуровневое и высокоуровневое. Низкоуровневое форматирование осуществляется прежде, чем высокоуровневое.

Рис. 9.58. Два основных формата жестких дисков: жесткие диски 3.5" используются в настольных компьютерах, а жесткие диски 2.5" применяются в ноутбуках

Форматирование осуществляется разметкой поверхности на секторы, кластеры (группа секторов) и дорожки в соответствии с используемой операционной системой. Дорожки представляют собой окружности, отмеченные на каждой стороне пластинки (такие же дорожки можно видеть на виниловой пластинке или компакт-диске). Дорожки отличаются номерами. Их нумерация начинается с нулевой дорожки, расположенной ближе других к внешнему краю пластинки. Дорожки разделяются на меньшие участки — секторы, используемые для хранения фиксированных объемов данных. Секторы обычно форматируются таким образом, что содержат 512 байтов данных (1 байт состоит из 8 бит). Цилиндр состоит из набора дорожек, которые находятся на одном и том же расстоянии от шпинделя на всех сторонах магнитных пластинок. Например, третья дорожка на каждой стороне у каждой магнитной пластинки находится на одном и том же расстоянии от шпинделя. Если представить, что эти дорожки вертикально соединены, то мы получим форму цилиндра. Программное и аппаратное обеспечение компьютера очень часто работает, используя цилиндры. Когда данные организованы на жестком диске цилиндрами, к ним можно быстро получить доступ без многократного позиционирования головок жесткого диска. Поскольку позиционирование головок производится достаточно медленно по сравнению со скоростью вращения магнитных пластинок и переключением между головками, запись цилиндрами значительно сокращает время доступа к информации на жестком диске.

Рис. 9.59. Цилиндры формируются из дорожек на обеих сторонах магнитных пластинок

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, магнитные свойства покрытия пластинки с течением времени постепенно ухудшаются. Со временем головкам жесткого диска становится все труднее считывать и записывать информацию в секторы магнитной пластинки. Секторы, которые стали непригодны для хранения данных, называют дефектными (bad sectors). К счастью, качество современных жестких дисков таково, что дефектные секторы на них встречаются относительно редко. Более того, современные компьютеры умеют определять, когда сектор испортился и отмечать его как дефектный. После этого сектор больше не будет использоваться для хранения данных, а вместо него будет выбран другой сектор из резервной области.

После того как жесткий диск был отформатирован на низком уровне, требуется произвести высокоуровневое форматирование, которое помещает на диск файловую систему, что позволяет операционной системе, такой, как Windows или Linux, использовать доступное пространство для хранения файлов.

Различные операционные системы используют разные файловые системы, поэтому высокоуровневое форматирование определяется используемой операционной системой.

Рис. 9.60. Разбивка жесткого диска на разделы (партиции)

Если мы форматируем весь жесткий диск только под одну файловую систему, то это автоматически ограничивает количество и типы операционных систем, которые могут быть установлены на него. Но если мы разбиваем диск на несколько разделов (партиций), то каждый из разделов может быть отформатирован под разные файловые системы, что позволит установить на один жесткий диск несколько разных операционных систем. Кроме того, разбивка жесткого диска на разделы позволяет использовать дисковое пространство более эффективно.

Для того чтобы считывать или записывать данные, головка жесткого диска должна быть позиционирована над нужной дорожкой вращающейся магнитной пластинки. Те значения времени поиска (seek time), которые указывают производители жестких дисков, обычно учитывает еще и время, нужное для того, чтобы магнитная головка перестала вибрировать после перемещения (время стабилизации, settling time).

Затем учитывается время, которое потребуется, чтобы нужный сектор оказался под магнитной головкой (задержка вращения, rotational latency). Современные диски используют позиционирование с ускорением, это означает что, получив команду сменить дорожку, магнитная головка начинает ускоряться до тех пор, пока она не пройдет половину пути до искомой дорожки, затем до подхода к нужной дорожке происходит замедление. Поэтому среднее время поиска всего лишь в несколько раз больше минимального времени поиска. Максимальное время поиска обычно примерно в два раза больше среднего времени поиска, поскольку головка достигает максимальной скорости перемещения, прежде чем дойдет до средней дорожки. Минимальное время поиска дорожки — это время, которое тратится на перемещение головки на соседнюю дорожку. При чтении больших блоков информации, как, например, при считывании архивных записей нашим цифровым видеорегистратором, именно этот параметр будет определять производительность жесткого диска. Среднее время доступа более важно при произвольном считывании небольших объемов информации (например, при перемещении по дереву директорий).

Время доступа складывается из времени переключения между головками, времени поиска нужной дорожки, задержки вращения и времени считывания сектора. Большее количество головок сокращает время, уходящее на механическое позиционирование на новую дорожку. При повышении скорости вращения увеличивается максимальная скорость передачи данных и сокращается задержка вращения, которая представляет собой дополнительное время ожидания появления нужного сектора под магнитной головкой. Приведенная таблица показывает различия между жесткими дисками с разной скоростью вращения и максимальную скорость передачи данных (на этом мы остановимся чуть позже), которая является самым важным параметром, отвечающим за то, какой максимальный объем информации мы можем записать на жесткий диск за единицу времени.

(Задержка вращения в данном случае рассчитывалась следующим образом. Например, для 7200 об/мин скорость вращения (7200) делится на 60 секунд = 120 об/сек и берется обратное значение, но это будет максимальная задержка вращения… Когда же говорят об этом параметре, то очень часто подразумевается среднее значение. Так как время ожидания случайного сектора будет иметь равномерное распределение, то средняя задержка вращения будет равна половине максимальной. Прим. ред.)