Структура диска

Введение

Жесткий диск — один из наиболее часто упоминаемых компонентов, когда пользователи спрашивают, что находится внутри их системного блока. Самым распространенным носителем данных является жесткий диск. Жесткие диски имеют причудливое название, которое объясняется легендой.

Первый жесткий диск, появившийся в продаже в Америке в начале 1970-х годов, мог хранить 30 МБ данных на каждой рабочей поверхности. В то же время была доступна магазинная винтовка О. Ф. Винчестера калибра 0,30; я не уверен, называли ли первые жесткие диски винчестерами из-за этого, или потому, что они гремели при использовании в качестве пулеметов, или потому, что от них пахло порохом.

Устройство жесткого диска

Блок из нескольких дисков (блинов) устанавливается на шпинделе, который соединен с электродвигателем, а головки чтения/записи располагаются над поверхностью блинов. Головки крепятся к поводку, имеющему форму серпа и напоминающему крылья.

Они «летают» над поверхностями дисков во время их использования в потоке воздуха, создаваемом вращением этих самых дисков. Конечно, давление воздуха на головки влияет на подъемную силу. На нее, в свою очередь, влияет атмосферное давление снаружи.

Поэтому некоторые производители указывают в спецификациях своих устройств потолок эксплуатации (например, 3000 м). Чем не самолет? Диск разделен на дорожки (или треки), которые, в свою очередь, делятся на сектора. Две дорожки, равноудаленные от центра, но расположенные на противоположных сторонах диска, называются цилиндрами.

Хранение информации

Информация хранится на жестком диске в фиксированных единицах, называемых блоками, как и на любом другом блочном устройстве. Наименьшая единица данных на жестком диске с уникальным адресом называется блоком. Адрес блока должен быть указан в качестве параметра команды контроллеру жесткого диска, чтобы данные были считаны или записаны в нужное место. Долгое время размер блока 512 байт был общепринятым для всех жестких дисков.

К сожалению, довольно часто возникает путаница между такими понятиями, как «сектор», «кластер» и «блок». На самом деле, между понятиями «блок» и «сектор» нет никакой разницы. Правда, одно понятие является логическим, а другое — топологическим. «Кластер» — это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как единое целое.

Почему они не отказались от работы в прямом секторе? Решение. Размер таблицы FAT был ограничен, в то время как размер диска рос, что привело к переходу на кластеры. На диске 512 МБ размер кластера в FAT16 составлял 8 КБ, на диске до одного гигабайта — 16 КБ, на двух до двух гигабайт — 32 КБ и так далее.

Чтобы однозначно адресовать блок данных, необходимо указать все три числа (номер цилиндра, номер сектора дорожки, номер головки). Такой способ адресации диска получил широкое распространение и позднее был обозначен аббревиатурой CHS (cylinder, head, sector).

Именно этот метод был изначально реализован в BIOS, поэтому впоследствии с ним были связаны определенные ограничения. Дело в том, что BIOS определял битовую сетку адресов для 63 секторов, 1024 цилиндров и 255 головок. Однако разработка жестких дисков в то время была ограничена использованием только 16 головок из-за сложности изготовления.

Со временем производители начали выпускать более емкие жесткие диски. Поскольку они имели больше цилиндров, чем разрешалось старым BIOS (1024), они имели больше цилиндров, чем было уместно. Однако пока диск адресовался с помощью BIOS, адресуемая часть диска оставалась равной 504 Мбайт. Так называемый механизм трансляции адресов, который подробно описан ниже, в конечном итоге преодолел это ограничение.

Больше информации о загрузочных секторах

При первом форматировании устройства создается загрузочный сектор. Это означает, что загрузочного сектора не будет, если устройство не было отформатировано и не использует файловую систему.

Каждое устройство хранения данных имеет один загрузочный сектор. Для всего диска существует только один загрузочный сектор, независимо от количества разделов или операционных систем на жестком диске.

Существует платное программное обеспечение, например Active @ Partition Recovery, которое может создавать резервные копии и восстанавливать информацию о загрузочном секторе в случае возникновения проблемы. Другие продвинутые программы могут найти на диске другой загрузочный сектор, который можно использовать для восстановления поврежденного.

Вирусы загрузочного сектора

Загрузочный сектор является частой точкой входа для вредоносных программ, кроме того, он может быть поврежден в результате аварии или сбоя оборудования.

Производители вредоносных программ любят фокусировать свое внимание на загрузочном секторе, потому что его код запускается автоматически, а иногда и без защиты, еще до запуска операционной системы!

Если вы думаете, что у вас может быть вирус в загрузочном секторе, я настоятельно рекомендую выполнить проверку на вредоносное ПО, обязательно проверив также загрузочный сектор. См. раздел Как проверить компьютер на вирусы и другие вредоносные программы, если вы не знаете, что делать.

Многие вирусы загрузочного сектора не дают компьютеру полностью запуститься, что делает невозможным сканирование на наличие вредоносных программ из Windows. В этих случаях вам нужен загрузочный антивирусный сканер. У меня есть список бесплатных загрузочных антивирусных инструментов, из которых вы можете выбрать тот, который решает эту особенно неприятную проблему-22.

Некоторые материнские платы имеют программное обеспечение BIOS, которое активно предотвращает модификацию загрузочных секторов, что очень полезно для предотвращения изменения загрузочного сектора вредоносными программами. Однако по умолчанию эта функция, скорее всего, отключена, поэтому инструменты разбиения и программы шифрования дисков будут работать правильно, но ее стоит включить, если вы не используете эти типы инструментов и столкнулись с проблемами вирусов загрузочного сектора,

Длинные имена файлов

Начиная с Windows 95 файлу можно присвоить (в дополнение к короткому имени)
так называемое длинное имя. Для хранения длинного имени используются пустые
элементы каталога, смежные с основным элементом — описателем файла.
Наличие единиц в разрядах 0-3 байта атрибутов является признаком того, что
свободный элемент каталога используется для хранения участка длинного имени
файла (для описателей файлов и каталогов такое сочетание невозможно).
Короткое и длинное имена файла являются уникальными, т.е. не должны
встречаться дважды в одном каталоге.

Длинное имя записывается не ASCII-символами, а в формате Unicode, где
каждому национальному алфавиту соответствует набор кодов. Расплатой за
универсальность Unicode является снижение плотности хранения информации —
каждый символ занимает два байта (16-разрядное слово). В пустые элементы
каталога длинное имя записывается в разрезанном на кусочки виде (см. табл.9).

Таблица 9. Структура элемента каталога, хранящего фрагмент длинного
имени файла

Длинное имя записывается в каталог первым, причем фрагменты размещены в
обратном порядке, начиная с последнего:

Все каталоги, за исключением корневого, содержат в двух первых элементах
вместо описателей файлов специальные ссылки. В элементе № 0 размещается
указатель на сам каталог, а в поле имени находится одна точка («.»). В элементе
№ 1 размещается указатель на родительский каталог , а в поле имени
находятся две точки («..»). Если ссылка на таблицу FAT у элемента № 1 имеет
нулевое значение, то текущий каталог находится в корневом каталоге.

Блок информации диска формируется НЕДОКУМЕНТИРОВАННОЙ функцией DOS
32h.

Все сведения, содержащиеся здесь, можно получить путем чтения корневого сектора
и вызова ряда других функций ОС с некоторыми вычислениями, но блок информации
удобен тем, что он содержит все данные вместе. Это единственный вызов, который
возвращает адрес заголовка драйвера устройства.

Таблица 10. Схема блока информации диска

Битовые флаги режима открытия:

1. 0-2: Права доступа процесса в сети
   000 — чтение; 001 — запись; 010 — чтение и запись.
2. 4-6: Режим разделения:
   000 — режим совместимости
   001 = монопольный захват файла
   010 = отвергать запись
   011 = отвергать чтение
   100 = ничего не отвергать
3. 7: Наследование:
   1 — файл приватный для этого процесса
   0 — наследуется порожденными процессами

Если в байте атрибута файла указано только для чтения, то он перезаписывает эти флажки.

Биты прав доступа в сети и режима разделения имеют эффект только в том
случае, когда установлена программа SHARE.

Замечание:

• 12-битовый элемент может пересекать границы двух секторов,
  так что будьте внимательны, если считываете по одному сектору FAT.

  16-битовые элементы проще — каждый элемент содержит 16-битовое смещение (от
  начала FAT) следующего элемента в цепочке.

  32-битовые элементы — каждый элемент содержит 32-битовое смещение
  следующего элемента в цепочке.

В программах, написанных на ассемблере, для выполнения умножения на 3 вместо
команды MUL часто применяется алгоритм «сдвиг и сложение»: исхродное
число копируется, над копией числа выполняется сдвиг влево на один разряд
(умножение на 2), а затем оба числа складываются (x 2x = 3x). Вместо команды
DIV используется сдвиг вправо на один разряд.

Элемент FAT содержит номер кластера, но при работе с дисками на низком уровне
адресуемой единицей данных является сектор, а не кластер.

Формат дискеты (или раздела жесткого диска) следующий

1. Корневой и резервный сектора ;
2. FAT #1 ;
3. FAT #2 ;
4. Корневой каталог (не существует в FAT32) ;
5. Область данных.

Каждая секция в этой структуре имеет переменную длину, и для корректного
преобразования номера кластера в номер сектора необходимо знать длину каждой
такой секции.

Чтобы получить номер начального сектора кластера из номера кластера
ClustNum
(считанный из соответствующего поля в элементе каталога или в цепи FAT ), вы
можете использовать недокументированную функцию ОС 32h или прочитать
корневой сектор и применить следующие формулы:

Замечания:

1. Номера цилиндра и сектора занимают 10 и 6 бит соответственно:

   Они упорядочены так, что, когда вы загружаете CX 16-битовым
   значением, оно готово для вызова прерывания INT 13h для чтения нужной
   порции диска.
   Таким образом, после чтения Главной записи загрузки в область памяти
   sect_buf, код

   CMP byte ptr sect_buf[01BEh], 80h

   Проверит код и узнает, активен ли первый раздел.

   MOV CX, sect_buf[01C0h]

   загрузит CX для вызова INT 13h для чтения корневого
   сектора раздела № 1.

2. Значение «относительного сектора» по смещению 08h в каждом разделе
   эквивалентно головке, сектору и цилиндру начального адреса раздела.
   Относительный сектор 0 совпадает с цилиндром 0, головкой 0, сектором 1.
   Относительный номер сектора прирастает сначала по каждому сектору на
   головке, затем по каждой головке и наконец по каждому цилиндру.

   Формула важна:

   отн_сек = (#Цил * сек_на_цил * головок)   (#Гол * сек_на_цил)   (#Сек -1)

   Разделы начинаются с четного номера цилиндра, за исключением первого раздела,
   который может начинаться с цилиндра 0, головки 0, сектора 2 (поскольку
   сектор 1 занят Главной записью загрузки).

   Когда корневая запись раздела получает управление, DS:SI указывает на
   соответствующий элемент таблицы разделов.

Как исправить ошибки загрузочного сектора

Это «классическое» решение для подобных проблем, если после поиска неисправностей вы обнаружите, что в возникших проблемах, вероятно, виновата ошибка загрузочного сектора. Отформатируйте жесткий диск, а затем переустановите Windows с нуля.

К счастью, существуют другие, менее разрушительные процедуры, которые каждый может использовать для восстановления загрузочного сектора. Вам не нужно стирать компьютер.

Следуйте моему исчерпывающему руководству «Как записать новый загрузочный сектор в системный раздел Windows», чтобы исправить поврежденный загрузочный сектор в Windows 10, 8, 7 или Vista.

Ошибки загрузочного сектора также могут возникать в Windows XP, но процесс исправления совсем другой. Подробности смотрите в разделе Как записать загрузочный сектор нового раздела в системный раздел Windows XP.

Один из описанных выше официальных процессов, одобренных Microsoft, работает лучше почти во всех случаях, но есть и сторонние инструменты, которые могут восстанавливать загрузочные сектора, если вы хотите попробовать один из них. Смотрите мой список бесплатных инструментов для разбиения диска, если вам нужна рекомендация.

Существуют также некоторые коммерческие инструменты для тестирования жестких дисков, которые рекламируют возможность восстановления данных из поврежденных секторов, что может быть одним из способов исправления ошибки загрузочного сектора, но я бы сосредоточился на уже упомянутых идеях, прежде чем платить за один из них.

Каталоги файлов

Каталог файлов представляет собой массив 32-байтных элементов — описателей
файлов. С точки зрения операционной системы все каталоги (кроме корневого
каталога в системах FAT12 и FAT16) выглядят как файлы и могут содержать
произвольное количество записей.

Корневой каталог (Root Directory) — это главный каталог диска, с которого
начинается дерево подкаталогов. Для корневого каталога в FAT12 и FAT16 в
системной области логического диска выделено специальное место фиксированного
размера (16 Кбайт), рассчитанное на хранение 512 элементов. В системе FAT32
корневой каталог является файлом произвольного размера.

Таблица 8. Структура элемента каталога

Знак «*» означает, что поле обрабатывается только в файловой системе FAT32.
В системах FAT12 и FAT16 поле считается зарезервированным и содержит значение 0.

Короткое имя файла состоит из двух полей: 8-байтного поля, содержащего
собственно имя файла, и 3-байтного поля, содержащего расширение. Если
введенное пользователем имя файла короче восьми символов, то оно дополняется
пробелами (код пробела — 20h), если введенное расширение короче трех символов,
то оно также дополняется пробелами.

Некоторые функции DOS требуют в качестве параметра байт атрибутов файла.
Разряды байта атрибутов устанавливаются в 1 в том случае, если у файла имеется
соответствующее свойство:

• Бит 0 доступен только для чтения;
• Бит 1 — скрытый ;
• Бит 2 — система ;
• Бит 3 — идентификатор тома;
• Бит 4 — каталог;
• Бит 5 — система;
• Бит 6 — каталог;

Поле времени создания файла и поле времени выполнения последней операции
записи в файл имеют следующий формат:

» Second/2″ означает отсчет двух секунд (допустимо любое значение от 0 до 29).

Поле даты создания файла, поле даты последного обращения к файлу и поле
даты последней записи в файл имеют следующий формат:

При создании файлов отсчет дат ведется от начала эпохи MS-DOS, т.е. от
01.01.1980. Биты 9-15 содержат номер года минус 1980 (допустимо значение от
0 до 127).

Ошибки загрузочного сектора

Чтобы BIOS идентифицировал сектор как загрузочный, он должен иметь очень специфическую дисковую сигнатуру. Последние два байта данных — это сигнатура диска загрузочного сектора, которая равна 0x55AA.

Вполне вероятно, что BIOS не сможет найти загрузочный сектор и загрузить необходимые инструкции для поиска и запуска операционной системы, если сигнатура диска была повреждена или изменена каким-либо образом.

Одно из следующих сообщений об ошибках может указывать на неисправность загрузочного сектора:

• Неправильная таблица разделов.
• BOOTMGR не может быть найден.
• Bootmgr отсутствует.
• Операционная система отсутствует.
• Программа установки обнаружила, что ваша файловая система повреждена.
• Произошла ошибка чтения диска.
• NTLDR отсутствует.
• Ошибка загрузки операционной системы.

Даже если одна из этих ошибок часто указывает на проблему с загрузочным сектором, возможны и другие причины и способы устранения. Обязательно следуйте советам по устранению неполадок, которые вы можете найти на моем сайте или в других местах.

Структура корневого сектора

Таблица 4: Формат корневого сектора на дискете или разделе жесткого диска

Таблица параметров дискеты

Эта 10-байтовая структура известна также как «Disk Base Table». Она находится по
адресу вектора прерывания INT 1Eh (4-байтовый адрес в 0:0078). Эта таблица
задает некоторые важные переменные для устройств дискет. Ее инициализирует ROM-BIOS,
а DOS модифицирует, чтобы улучшить производительность дискет.

Таблица 5. Формат таблицы параметров дискеты

Таблица параметров жесткого диска

Эта 16-байтовая структура находится по адресу вектора прерывания INT 41h
(4-байтовый адрес в 0:0104). Параметры для второго жесткого диска (если он есть)
находятся по адресу вектора INT 46h. Эти таблицы задают некоторые важные
переменные для операций с твердыми дисками.

Таблица 6. Формат таблицы жесткого диска

Таблица разделов диска

Начальный сектор жеского диска содержит главную корневую запись, которая
загружается в память и выполняется.

Последняя часть этого сектора содержит таблицу разделов — 4-элементную
таблицу с 16-байтовыми элементами. Этой таблицей манипулирует программа FDISK
(или эквивалентная утилита в иной операционной системе).

Во время загрузки ROM-BIOS загружает главную корневую запись и передает
управление на ее код. Этот код считывает таблицу разделов, чтобы определить
раздел, помеченный как активный. Затем в память считывается корректный корневой
сектор и выполняется.

Таблица 1. Структура главной корневой записи и таблицы разделов

Таблица 2. Структура дескриптора раздела

Код раздела используется для определения наличия и положения на диске
основного и расширенного разделов. После обнаружения нужного раздела его размер
и координаты можно извлечь из соответствующих полей описателя. Если в поле кода
раздела записан 0, то описатель считается пустым, то есть он не определяет на
диске никакого раздела.

Таблица 3. Коды разделов операционных систем Microsoft

Для операционных систем, производимых другими компаниями, зарезервированы следующие коды:

• 02h — раздел CP/M;
• 03h — раздел Xenix;
• 07h — раздел OS/2 (файловая система HPFS).

Таблица распределения файлов (fat)

Размер файла может изменяться со временем. Если допустить хранение файла
только в смежных секторах, то при увеличении размера файла ОС должна
полностью переписать его в другую подходящего объема (свободную) область диска.
Чтобы упростить и ускорить выполнение операции добавления новых данных в файл,
в современных ОС применяются таблицы распределения файлов (File Allocation
Table, сокращенно FAT), которые позволяют хранить файл в виде нескольких
несмежных участков.

При использовании FAT область данных логического диска разделена на участки
одинакового размера — кластеры. Кластер может состоять из одного или нескольких
последовательно расположенных на диске секторов. Число секторов в кластере
должно быть кратным 2N и может принимать значения от 1 до 64 (размер
кластера зависит от типа используемой FAT и объема логического диска).

Каждому кластеру поставлен в соответствие собственный элемент таблицы FAT.
Первые два элемента FAT являются резервными — если на диске имеется
K кластеров данных, то число элементов FAT будет равно K 2.
Тип FAT определяется значением K:

1. Если K<4085 — используется FAT12;
2. Если 4084>K<65525 — используется FAT16;
3. Если 65524>K — используется FAT32.

Название типов FAT происходят от размера элемента. Так элемент FAT12 имеет
размер 12 бит, FAT16 — 16 бит, FAT32 — 32 бита. Следует учитывать, что в FAT32
четыре старших двоичных разряда зарезервированы и игнорируются в процессе
работы ОС (то есть значащими являются только семь младших шестнадцатеричных
разрядов элемента).

FAT — это связный список, который ОС использует для отслеживания физического
расположения данных на диске и для поиска свободной памяти для новых файлов.

В каталоге файлов (оглавлении) для каждого файла содержится номер начального
элемента в таблице FAT, соответствующий первому кластеру в цепочке распределения
файла. Соответствующий элемент FAT либо
указывает конец цепочки, либо ссылается на следующий элемент, и т.д. Пример:

Фундаментальные идеи FAT изображены на этой диаграмме. Она демонстрирует:

1. MYFILE.TXT занимает 10 кластеров. Первый кластер — это кластер 08, последний
   кластер — 1Bh. Цепочка кластеров — 08h, 09h, 0Ah, 0Bh, 15h, 16h, 17h, 19h, 1Ah,
   1Bh. Каждый элемент указывает на следующий элемент цепочки, а последний элемент
   содержит специальный код (см. табл. 7).
2. Кластер 18h помечен как дефектный и не входит в цепочку распределения.
3. Кластеры 06h, 07h, 0Ch-14h и 1Ch-1Fh пусты и доступны для распределения.
4. Еще одна цепочка начинается с кластера 02h и кончается кластером 05h.
   Чтобы узнать имя файла, нужно отыскать элемент оглавления с начальным номером
   кластера 02h.

Таблица 7

FAT обычно начинается с логического сектора 1 в разделе DOS
(т.е. ее можно прочитать по INT 25h с DX=1). В общем случае
сначала надо прочитать корневой_сектор (DX=0) и взять смещение
0Eh. Там указано,
сколько корневых и резервных секторов стоят перед FAT. Используйте затем это
число (обычно 1) как содержимое DX, чтобы прочитать FAT через
INT 25h.

Может существовать несколько копий FAT. Обычно поддерживаются две идентичных
копии. В этих случаях все копии расположены непосредственно друг за другом.

Заключение

Надеюсь, мне удалось дать вам достаточно точную и глубокую информацию о MBR, PT и структуре жесткого диска. Этого объема знаний, на мой взгляд, достаточно для простого «ремонта» хранилища данных. О функциях программ, называемых Boot Manager, я расскажу в следующей статье.

Огромная благодарность Владимиру Дашевскому за помощь