Как обозначаются диски в операционной системе

Обновлено: 09.01.2025

Перед секционированием диска или получением сведений о разметке раздела диска необходимо сначала разобраться в функциях и ограничениях типов базовых и динамических дисковых хранилищ.

в этом разделе термин " том " используется для обозначения понятия раздела диска, отформатированного с помощью допустимой файловой системы, наиболее часто используемой файловой системой NTFS, которая используется операционной системой Windows для хранения файлов. Том имеет имя пути Win32, может быть перечислено функциями финдфирстволуме и финднекстволуме , и обычно ему назначена буква диска, например C:. Дополнительные сведения о томах и файловых системах см. в разделе файловые системы.

Существует два типа дисков, ссылающихся на типы хранилищ в этом контексте: базовые диски и динамические диски. Обратите внимание, что описываемые здесь типы хранилищ не совпадают с физическими дисками или стилями разделов, которые связаны, но являются отдельными концепциями. Например, ссылка на базовый диск не подразумевает определенный стиль раздела — необходимо также указать стиль раздела, используемый для диска в обсуждении. Упрощенное описание того, как базовый тип дискового накопителя связан с физическим жестким диском, см. в разделе дисковые устройства и разделы.

Базовые диски

Основные диски — это типы хранилищ, наиболее часто используемые с Windows. Термин базовый диск относится к диску, содержащему разделы, такие как основные разделы и логические диски, которые, в свою очередь, обычно форматируются с помощью файловой системы и становятся томом для хранилища файлов. Базовые диски предоставляют простое решение для хранения данных, которое может соответствовать удобному массиву сценариев изменения требований к хранилищу. Базовые диски также поддерживают кластеризованные диски, институты гибких и аппаратных инженеров (IEEE) 1394 и съемные носители с универсальной последовательной шиной (USB). для обеспечения обратной совместимости базовые диски обычно используют тот же стиль разделов основной загрузочной записи (MBR), что и диски, используемые операционной системой Microsoft MS-DOS, и все версии Windows но также могут поддерживать разделы таблицы разделов gpt в системах, поддерживающих эту возможность. Дополнительные сведения о стилях разделов MBR и GPT см. в разделе стили разделов .

Пространство в существующих основных разделах и на логических дисках можно увеличить за счет соседнего непрерывного нераспределенного пространства на том же диске. Для расширения базовый том должен быть отформатирован с использованием файловой системы NTFS. Расширить логический диск можно с помощью непрерывного свободного пространства в содержащем его расширенном разделе. Если расширить логический диск с использованием большего пространства, чем доступно в расширенном разделе, последний увеличивается, чтобы вместить логический диск, если за расширенным разделом следует непрерывное нераспределенное пространство. Дополнительные сведения см. в статье как работают основные диски и тома.

Следующие операции могут выполняться только на базовых дисках:

Создание и удаление основных и дополнительных разделов.
Создание и удаление логических дисков в расширенном разделе.
Отформатируйте раздел и пометьте его как активный.

Динамические диски

Для всех случаев использования, за исключением зеркальных томов загрузки (с использованием зеркального тома для размещения операционной системы), динамические диски являются устаревшими. для данных, требующих устойчивости к сбою диска, используйте дисковые пространства, отказоустойчивое решение для виртуализации хранилища. дополнительные сведения см. в разделе общие сведения о дисковые пространства.

Динамические диски предоставляют функции, которые не являются базовыми дисками, например возможность создания томов, охватывающих несколько дисков (составные и чередующиеся тома), а также возможность создания отказоустойчивых томов (томов с зеркальным отображением и тома RAID 5). Как и базовые диски, динамические диски могут использовать стили разделов MBR или GPT в системах, поддерживающих оба. Все тома на динамических дисках называются динамическими томами. Динамические диски обеспечивают большую гибкость в управлении томами, так как они используют базу данных для мониторинга сведений о динамических томах на диске и о других динамических дисках компьютера. Так как каждый динамический диск в компьютере хранит реплику базы данных динамического диска, например, поврежденная база данных динамического диска может восстановить один динамический диск с помощью базы данных на другом динамическом диске. Расположение базы данных определяется стилем раздела диска. В MBR-разделах база данных хранится за последние 1 мегабайт (МБ) диска. В разделах GPT база данных содержится в зарезервированной (скрытой) секции размером 1 МБ.

Динамические диски — это отдельные формы управления томами, которые позволяют томам иметь несмежные экстенты на одном или нескольких физических дисках. Динамические диски и тома зависят от диспетчера логических дисков (LDM) и службы виртуальных дисков (VDS) и связанных с ними функций. Эти функции позволяют выполнять такие задачи, как преобразование базовых дисков в динамические диски и создание отказоустойчивых томов. Чтобы обеспечить использование динамических дисков, поддержка томов с несколькими разделами была удалена с базовых дисков и теперь поддерживается исключительно на динамических дисках.

Следующие операции могут выполняться только на динамических дисках:

Создание и удаление простых, составных, чередующихся, зеркальных и RAID-5 томов.
Расширение простого или составного тома.
Удалите зеркало из зеркального тома или разбейте зеркальный том на два тома.
Исправьте тома с зеркальным отображением или RAID-5.
Повторно активируйте отсутствующий или отключенный диск.

Еще одно различие между базовыми и динамическими дисками заключается в том, что динамические тома диска могут состоять из набора несмежных экстентов на одном или нескольких физических дисках. В отличие от этого, том на базовом диске состоит из одного набора непрерывных экстентов на одном диске. из-за расположения и размера дискового пространства, необходимого для базы данных LDM, Windows не может преобразовать базовый диск в динамический, если на диске не должно быть не менее 1 мб неиспользуемого пространства.

Независимо от того, использует ли динамические диски в системе стиль разделов MBR или GPT, можно создать до 2 000 динамических томов в системе, хотя рекомендуемое число динамических томов — 32 или меньше. Дополнительные сведения и другие рекомендации по использованию динамических дисков и томов см. в разделе динамические диски и тома.

Дополнительные возможности и сценарии использования динамических дисков см. в разделе что такое динамические диски и тома?.

Ниже перечислены операции, общие для базовых и динамических дисков.

Поддержка стилей разделов MBR и GPT.
Проверьте свойства диска, такие как емкость, доступное свободное пространство и текущее состояние.
Просмотр свойств секции, таких как смещение, длина, тип, и, если секция может использоваться в качестве системного тома при загрузке.
Просмотр свойств тома, таких как размер, назначение буквы диска, метка, тип, имя пути Win32, тип секции и файловая система.
Установите назначения букв дисков для томов или разделов диска, а также для устройств чтения компакт-дисков.
Преобразование базового диска в динамический диск или динамического диска на базовый диск.

если не указано иное, Windows изначально разбивает диск в качестве базового диска по умолчанию. Необходимо явным образом преобразовать базовый диск в динамический. Тем не менее существуют рекомендации относительно места на диске, которые необходимо учитывать перед тем, как вы попытаетесь сделать это.

Стили разделов

Стили секций, иногда называемые схемами секционирования, являются термином, указывающим на конкретную базовую структуру структуры диска и то, как на самом деле упорядочивается секционирование, каковы возможности, а также ограничения. для загрузки Windows для реализации BIOS на компьютерах с архитектурой x86 и x64 требуется базовый диск, который должен содержать по крайней мере один раздел основной загрузочной записи (MBR), помеченный как активный, где содержатся сведения о Windows операционной системе (но не обязательно всей установке операционной системы) и о том, где хранятся сведения о секциях на диске. Эти сведения помещаются в отдельные места, и эти два расположения могут размещаться в отдельных разделах или в одном разделе. Все остальные физические диски могут быть настроены в качестве различных сочетаний двух доступных стилей разделов, описанных в следующих разделах. Дополнительные сведения о других типах систем см. в разделе о стилях разделовTechNet.

Динамические диски следуют слегка отличающимся сценариям использования, как описано выше, и способ применения этих двух стилей разделов. Так как динамические диски обычно не используются для хранения системных загрузочных томов, в этом обсуждении упрощено исключение сценариев особых случаев. Дополнительные сведения о структурах блоков данных разделов, а также о базовых и динамических сценариях использования диска, связанных со стилями разделов, см. в статье как работают базовые диски и тома и как работают динамические диски и тома.

основная загрузочная запись (MBR).

все компьютеры с архитектурой x86 и x64, на которых работает Windows, могут использовать стиль разделов, известный как основная загрузочная запись (MBR). Стиль раздела MBR содержит таблицу разделов, в которой содержатся сведения о том, где находятся секции на диске. поскольку MBR является единственным стилем разделов, доступным на компьютерах на базе процессоров x86 до Windows Server 2003 с пакетом обновления 1 (SP1), нет необходимости выбирать этот стиль. Он используется автоматически.

На базовом диске можно создать до четырех разделов, используя схему разделов MBR: четыре основных раздела, три первичных и один расширенные. Расширенный раздел может содержать один или несколько логических дисков. На следующем рисунке показан пример макета для трех основных разделов и один дополнительный раздел на базовом диске с использованием MBR. В расширенном разделе содержится четыре дополнительных логических диска. Расширенный раздел может находиться в конце диска или не располагаться в нем, но для логических дисков с 1 по n всегда используется одно непрерывное пространство.

каждая секция (первичная или расширенная) может быть отформатирована как Windows том с корреляцией "один к одному". Иными словами, одна секция не может содержать более одного тома. в этом примере для Windows хранилища файлов доступно семь томов. Неформатированный раздел недоступен для хранилища файлов в Windows.

Структура MBR динамического диска очень похожа на структуру основного диска MBR, за исключением того, что допускается только один основной раздел (называемый разделом LDM), расширенное секционирование не разрешается, и в конце диска для базы данных LDM имеется скрытая секция. Дополнительные сведения о LDM см. в разделе динамические диски .

таблица разделов GUID.

в системах, где работает Windows Server 2003 с пакетом обновления 1 (SP1) и более поздних версий, в дополнение к стилю раздела MBR можно использовать стиль разделов, известный как таблица разделов guid(gpt). Базовый диск, использующий стиль разделов GPT, может иметь до 128 основных разделов, в то время как динамические диски будут иметь один раздел LDM с разделением MBR. Поскольку базовые диски, использующие секционирование GPT, не ограничивают вас четырьмя секциями, создавать расширенные разделы или логические диски не требуется.

Стиль раздела GPT также имеет следующие свойства.

Допускает разделы размером более 2 терабайт.
Добавлена надежность репликации и циклической проверки избыточности (CRC) таблицы Partition.
Поддержка дополнительных идентификаторов GUID типа раздела, определенных производителями оборудования (OEM), независимыми поставщиками программного обеспечения и другими операционными системами.

Схема секционирования GPT для базового диска показана на следующем рисунке.

Защитная область MBR существует в разметке разделов GPT для обеспечения обратной совместимости с служебными программами управления дисками, работающими с MBR. Заголовок GPT определяет диапазон адресов логических блоков, которые можно использовать в записях секций. Заголовок GPT также определяет расположение на диске, его GUID и контрольную сумму 32-битной циклической проверки избыточности (CRC32), которая используется для проверки целостности заголовка GPT. Каждая запись раздела GUID начинается с GUID типа секции. Идентификатор GUID типа секции 16 байт, АНАЛОГИЧный идентификатору системы в таблице разделов диска MBR, определяет тип данных, содержащихся в секции, и определяет способ использования раздела, например, если это базовый диск или динамический диск. Обратите внимание, что каждая запись раздела GUID имеет резервную копию.

Структура динамических дисковых разделов GPT похожа на этот базовый пример диска, но, как уже упоминалось ранее, у него есть только одна запись раздела LDM, а не 1-n основных разделов, как разрешено на базовых дисках. Кроме того, существует скрытая Секция базы данных LDM с соответствующей записью раздела GUID . Дополнительные сведения о LDM см. в разделе динамические диски .

Определение типа диска

Нет специальных функций для программного обнаружения типа диска, на котором находится определенный файл или каталог. Существует косвенный метод.

Что такое Advanced Format

Увеличение размера сектора в 8 раз связано с необходимостью повышения эффективности размещения данных на современных дисках. Накладные расходы, связанные с 512-байтной разметкой, начинают мешать дальнейшему увеличению ёмкости HDD. Помимо служебных полей в каждом 512-байтном секторе присутствует поле с кодом коррекции ошибок (ECC) длиной в 50 байт. В 4096-байтном секторе длина ECC-поля составляет 100 байт. Общее эффективность хранения данных удалось улучшить примерно на 10%.

Естественно, поддержка нестандартных секторов требуется со стороны дисковых контроллеров и операционных систем. Для решения проблем с совместимостью был ввёден дополнительный стандарт 512E, который обозначает диски с физическим размером сектора 4096 байт, но при этом эмулирующие обычный размер сектора в 512 байт. Advanced Format диски без эмуляции обозначаются 4KN. Таким образом, сейчас существует три варианта разметки:

Формат	Логический размер сектора	Физический размер сектора
	512 байт	512 байт
	512 байт	4096 байт (4КиБ)
	4096 байт (4КиБ)	4096 байт (4КиБ)

Совместимость

Операционные системы

На первый взгляд кажется, что использование эмуляции 512-байтного сектора снимает все проблемы с совместимостью, но это не так. Во-первых, сразу же возникает проблема с производительностью. Что произойдет при записи блока размером 512 байт на диск с размером сектора 4096 байт (пусть и эмулирующий наличие секторов 512 байт)? Произойдёт классический процесс read-modify-write, вместо одной операции понадобится две: прочитать сектор 4096 байт, поменять в нём 512 байт (записываемый блок) и записать 4096 байт обратно. Аналогичная проблема проявляется и при отсутствии выравнивания, когда записываемый блок данных может быть достаточно большим и даже кратным 4096 байт, но при этом сдвинут относительно границ реальных секторов:

В современных условиях операции записи блоками меньше 4096 байт встречаются крайне редко, а вот проблема с выравниванием остаётся. Например, в старых Windows (до Windows Server 2008) при установке загрузочный раздел создаётся со смещением в 63 сектора. Так уж исторически сложилось с тех времён, когда BIOS использовал реальную геометрию диска вместо LBA. Разумеется, смещение в 63x512 не делится на 4096, что приводит к нарушению выравнивания для всех последующих разделов и снижению производительности. Впервые на данную проблему обратили внимание в связи с использованием RAID-контроллеров и необходимостью выравнивания разделов по границам страйпа и она была решена в Windows Vista/ Windows Server 2008 (и примерно в то же время — в других ОС) введением выравнивания по границам в 1024КиБ (1МиБ), т.е. первый раздел создается со смещением в 2048 512-байтных секторов.

Почему именно 1МиБ, если подойдёт меньшее смещение (главное — чтобы делилось на 4096 байт)? Просто потому, что нужен запас, ведь помимо физического диска в качестве блочного устройства могут выступать тома на RAID-контроллерах (с размером страйпа по умолчанию, например, у Adaptec в 256КиБ), SSD (с большим размером страниц) или образы дисков при использовании виртуализации, рекомендуемый размер NTFS-кластера для SQL или Exchange равен 64КиБ и т.д.

Microsoft

Windows 8, 8.1
Windows Server 2012, 2012 R2
Windows 7 w/ MS KB 982018
Windows 7 SP1
Windows Server 2008 R2 w/ MS KB 982018
Windows Server 2008 R2 SP1
Windows Vista w/ MS KB 2553708
Windows Server 2008 w/ MS KB 2553708

Windows 8, 8.1
Windows Server 2012, 2012 R2

Проверить выравнивание существующих разделов и задать смещение для новых разделов в Windows можно при помощи diskpart. Пример (раздел на диске 0 со смещением в 1024КиБ или 2048 512-байтных секторов):

Проверить проще всего через WMI (пример):

Linux

RHEL 6.1
SLES 11 SP2
Ubuntu 13.10
Ubuntu 12.04.4

RHEL 6.1
SLES 11 SP2
Ubuntu 13.10
Ubuntu 12.04.4

Посмотреть размеры физического и логического блоков можно в /sys/block/sdX/queue/physical_block_size и в /sys/block/sdX/queue/logical_block_size соответственно.
GNU Fdisk будет автоматически использовать смещение в 1МиБ при запуске с ключами -c и -u (отключить режим совместимости с DOS и использовать сектор в качестве единицы измерения). Обычный Fdisk не умеет работать с GPT, так что он бесполезен для дисков >2ТиБ, и нужно использовать Parted или GPT Fdisk. Последний по умолчанию использует для 512N/512E дисков нужное нам смещение в 2048 секторов:

Пример для GNU Parted (для 512N/512E дисков):

В LVM всё хорошо: смещение по умолчанию равно 1МиБ и размер PE (physical extent) кратен 1МиБ.

VMware

Статья в базе знаний VMware утверждает, что ни 512E, ни 4KN диски не поддерживаются. Поддержка дисков 4KN заявлена в vSphere 6.0.

С появлением VMFS-5 мы получили единый размер блока — 1МиБ и правильное 1МиБ-смещение для первого раздела. Раньше использовалось не всегда подходящее смещение в 64КиБ. Но всё это не отменяет заявления VMware о том, что 512E диски не поддерживаются. Видимо, это связано с тем, что формат VMDK хранит данные с гранулярностью 512 байт.

Прочие ОС

Mac OSX поддерживает Advanced Format начиная с Tiger. Остаются ещё FreeBSD и прочие *BSD, Oracle Solaris и множество других ОС, но детальное рассмотрение ситуации с Advanced Format дисками в них выходит за рамки данной статьи.

Сервисы Microsoft

Hyper-V

Exchange Server

Все диски, используемые в группе обеспечения доступности (Database Availability Group, DAG) Exchange для хранения баз и логов, должны использовать одинаковый физический размер сектора.
Диски 4KN не поддерживаются
Диски 512E поддерживаются начиная с Exchange 2010 Service Pack 2

SQL Server

Ситуация та же, что и для Exchange Server — в отказоустойчивых конфигурациях для баз и логов на всех узлах должы использоваться диски с одинаковым физическим размером сектора.
При использовании Storage Spaces возникает интересная ситуация: презентуемый размер физического сектора оказывается равным 4КиБ вне зависимости от того, из каких дисков собран Storage Spaces (том Storage Spaces можно создать из разных дисков — 512N и 512E, смешивать с 4KN, естественно, нельзя, кроме случаев использования tiering'а с SSD). Формат VHDX (виртуальный диск) по умолчанию создаётся как 512E. В этом можно убедиться, запустив fsutil fsinfo ntfsinfo :

При использовании VHDX на томе Storage Spaces (или аппаратном RAID), состоящем из 4KN дисков, сам VHDX тоже желательно сделать 4KN:

Безопасно ли это для SQL и других приложений, использующих синхронную запись? Ответ — да, так как большая гранулярность хранения не нарушает целостности данных, на производительность это тоже не влияет, так как 4096 делится на 512.

Сервисы, использующие ESENT

Не совсем актуальная проблема в Windows Server 2008. Сервисы, использующие в работе Extensible Storage Engine API (AD, WINS, DHCP) могут упасть при изменении размера физического сектора (например, при миграции с 512N-диска на 512E). Подробное описание и хотфикс смотрите тут.

Прочее ПО

. поддерживает диски Advanced Format (512E и 4KN) начиная с версии 2012 revision 1798 Service Pack 2. Более ранние выпуски могут работать с дисками 512E, но Symantec утверждает, что подобное сочетание не поддерживается официально. не поддерживает диски 4KN.

Контроллеры

Adaptec by PMC

SAS HBA серий 5 и 6: поддерживают 512E, не поддерживают 4KN
SAS HBA серий 6H и 7H: поддерживают 512E, 4KN — начиная с прошивки 10467.
RAID контроллеры серий 7 и 8: поддерживают 512E, 4KN — начиная с прошивки 30862.

LSI/Avago

Это свойство как раз и отвечает за презентуемые хосту размеры блоков:
Default (0): при наличии в томе дисков 512E он презентуется как 512E. Если все диски — 512N, тогда том презентуется как 512N
Disabled (1): Том всегда презентуется как 512N несмотря на наличие дисков 512E
Forced (2): Том всегда презентуется как 512E даже при отсутствии дисков 512E

Emulation Type был портирован и на SAS2 контроллеры (LSI 2108/2208), но без значения Forced (2).

Программный RAID в чипсетах Intel (RST/RSTe)

4KN не поддерживается совсем, Intel RST на дисках 512E требует свежих драйверов.

Advanced Format в дисках корпоративного класса. Что нас ждёт?

Речь пойдёт о дисках корпоративного класса последний серий. Десктопные HDD и позиционируемые для NAS или видеонаблюдения сюда не попали.

Вендор	Серия	Форм-фактор	Интерфейсы	Скорость вращения шпинделя, об/мин	Дополнительно
Seagate	Enterprise Performance 10K HDD (10k.8)	2.5"	SAS	10000	Y	Y	Y	для 512N ёмкость ограничена: 600/1200ГБ
Seagate	Enterprise Performance 15K HDD (15k.5)	2.5"	SAS	15000	Y	Y	Y	32ГБ встроенного SSD-кэша
Seagate	Enterprise Capacity 2.5 HDD (V.3)	2.5"	SAS, SATA	7200	Y	Y
Seagate	Enterprise Capacity 3.5 HDD (V.4)	3.5"	SAS, SATA	7200	Y	Y
Seagate	Archive HDD	3.5"	SATA	7200	Y	Позиционируются для архивного применения, меньше MTBF и хуже BER
Seagate	Terascale HDD	3.5"	SATA	5900/7200	Y	Позиционируются для облачного применения, меньше MTBF и хуже BER
HGST	Ultrastar C10K1800	2.5"	SAS	10000	Y	Y	Y	для 512N ёмкость ограничена: 300/600/900/1200ГБ
HGST	Ultrastar C15K600	2.5"	SAS	15000	Y	Y	Y
HGST	Ultrastar C7K1000	2.5"	SAS	7200	Y
HGST	Ultrastar He 8	3.5"	SAS, SATA	7200	Y	Y
HGST	Ultrastar He 6	3.5"	SAS, SATA	7200	Y
HGST	Ultrastar 7K6000	3.5"	SAS, SATA	7200	Y	Y
HGST	MegaScale DC 4000.B	3.5"	SATA	5400	Y	Позиционируются для облачного применения, меньше MTBF и хуже BER
WD	Xe	2.5"/3.5"	SAS	10000	Y
WD	Re	3.5"	SATA	7200	Y
WD	Se	3.5"	SATA	7200	Y	Позиционируются для облачного применения, меньше MTBF и хуже BER
WD	Ae	3.5"	SATA	5760	Y	?	Позиционируются для архивного применения, меньше MTBF и хуже BER
Toshiba	AL13SE	2.5"	SAS	10000	Y
Toshiba	AL13SX	2.5"	SAS	15000	Y
Toshiba	AL13SEL	3.5"	SAS	10000	Y
Toshiba	MG03ACA/MG03SCA	3.5"	SAS, SATA	7200	Y
Toshiba	MG04ACA	3.5"	SATA	7200	Y	Y
Toshiba	MG04SCA	3.5"	SAS	7200	Y	Y
Toshiba	MC04ACA	3.5"	SATA	7200	Y	Позиционируются для облачного применения, меньше MTBF и хуже BER

Тенденцию вы видите сами — Advanced Format окончательно проник из десктопного сегмента в корпоративный. Быстрые SAS диски 10/15 тыс. об/мин ещё выпускаются в варианте 512N, но наращивание плотности заставляет производителей использовать 4КиБ-сектора: Seagate 10k.8 и HGST Ultrastar C10K1800 ёмкостью 1800ГБ доступны только в вариантах 512E и 4KN. Все диски объёмом больше 5ТБ за исключением HGST Ultrastar He 6 — только Advanced Format.

SSD имеют свои особенности. Читать и записывать данные можно страницами, размер которых составляет 2–4–8–16КиБ в зависимости от архитектуры SSD. При этом для записи нужно обеспечить предварительное стирание ячеек, которое осуществляется не постранично, а блоками по несколько сотен страниц. Например, Samsung 840 EVO имеет блоки по 2МиБ, каждый из которых состоит из 256-ти страниц по 8КиБ. При этом, естественно, любой презентуемый хосту размер блока — 512 или 4096 байт — будет абстракцией.

Некоторые из современных SAS/SATA SSD эмулируют 512E-диск, но большая часть из соображений совместимости — 512N. Каких-либо особых мер в связи с этим предпринимать не требуется, так как в SSD корпоративного класса содержимое кэша обязательно защищается от потери питания. Достаточно обеспечить выравнивание по размеру страницы.
Некоторые PCI-E SSD, например, производства Fusion IO дают возможность при помощи фирменных утилит изменить при форматировании размер логического сектора, т.е. переключаться между 512E и 4KN режимами. Для некоторых SSD с интерфейсом SAS это тоже возможно, например, Seagate 1200 поддерживает изменение размера сектора обычным sg_format. Переход на 4КиБ сектор в некоторых сценариях может существенно поднять производительность.

Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, это не новое супергеройское трио из вселенной Marvel. Речь идёт о хранении наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно где-то их хранить, надёжно и стабильно, чтобы мы могли иметь к ним доступ и изменять за мгновение ока. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о жёстких дисках!

Итак, давайте погрузимся в изучении анатомии устройств, которые мы сегодня используем для хранения миллиардов битов данных.

You spin me right round, baby

Механический накопитель на жёстких дисках (hard disk drive, HDD) был стандартом систем хранения для компьютеров по всему миру в течение более 30 лет, но лежащие в его основе технологии намного старше.

Первый коммерческий HDD компания IBM выпустила в 1956 году, его ёмкость составляла аж 3,75 МБ. И в целом, за все эти годы общая структура накопителя не сильно изменилась. В нём по-прежнему есть диски, которые используют для хранения данных намагниченность, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Изменился же, и очень сильно, объём данных, который можно на них хранить.

В 1987 году можно было купить HDD на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие же деньги можно купить 14 ТБ: в 700 000 раз больший объём.

Мы рассмотрим устройство не совсем такого размера, но тоже достойное по современным меркам: 3,5-дюймовый HDD Seagate Barracuda 3 TB, в частности, модель ST3000DM001, печально известную своим высоким процентом сбоев и вызванных этим юридических процессов. Изучаемый нами накопитель уже мёртв, поэтому это будет больше похоже на аутопсию, чем на урок анатомии.

Перевернув накопитель, мы видим печатную плату и несколько разъёмов. Разъём в верхней части платы используется для двигателя, вращающего диски, а нижние три (слева направо) — это контакты под перемычки, позволяющие настраивать накопитель под определённые конфигурации, разъём данных SATA (Serial ATA) и разъём питания SATA.

Serial ATA впервые появился в 2000 году. В настольных компьютерах это стандартная система, используемая для подключения приводов к остальной части компьютера. Спецификация формата претерпела множество ревизий, и сейчас мы пользуемся версией 3.4. Наш труп жёсткого диска имеет более старую версию, но различие заключается только в одном контакте в разъёме питания.

В подключениях передачи данных для приёма и получения данных используется дифференцированный сигнал: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных в жёсткий диск, а контакты B — для получения этих сигналов. Подобное использование спаренных проводников значительно снижает влияние на сигнал электрического шума, то есть устройство может работать быстрее.

Если говорить о питании, то мы видим, что в разъёме есть по паре контактов каждого напряжения (+3.3, +5 и +12V); однако большинство из них не используется, потому что HDD не требуется много питания. Эта конкретная модель Seagate при активной нагрузке использует менее 10 Вт. Контакты, помеченные как PC, используются для precharge: эта функция позволяет вытаскивать и подключать жёсткий диск, пока компьютер продолжает работать (это называется горячей заменой (hot swapping)).

Контакт с меткой PWDIS позволяет удалённо перезагружать (remote reset) жёсткий диск, но эта функция поддерживается только с версии SATA 3.3, поэтому в моём диске это просто ещё одна линия питания +3.3V. А последний контакт, помеченный как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жёсткий диск технологию последовательной раскрутки шпинделей staggered spin up.

Перед тем, как компьютер сможет их использовать, диски внутри устройства (которые мы скоро увидим), должны раскрутиться до полной скорости. Но если в машине установлено много жёстких дисков, то внезапный одновременный запрос питания может навредить системе. Постепенная раскрутка шпинделей полностью устраняет возможность таких проблем, но при этом перед получением полного доступа к HDD придётся подождать несколько секунд.

Сняв печатную плату, можно увидеть, как она соединяется с компонентами внутри устройства. HDD не герметичны, за исключением устройств с очень большими ёмкостями — в них вместо воздуха используется гелий, потому что он намного менее плотный и создаёт меньше проблем в накопителях с большим количеством дисков. С другой стороны, не стоит и подвергать обычные накопители открытому воздействию окружающей среды.

Благодаря использованию таких разъёмов минимизируется количество входных точек, через которые внутрь накопителя могут попасть грязь и пыль; в металлическом корпусе есть отверстие (большая белая точка в левом нижнем углу изображения), позволяющее сохранять внутри давление окружающей среды.

Теперь, когда печатная плата снята, давайте посмотрим, что находится внутри. Тут есть четыре основных чипа:

LSI B64002: чип основного контроллера, обрабатывающий инструкции, передающий потоки данных внутрь и наружу, корректирующий ошибки и т.п.
Samsung K4T51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемые для кэширования данных
Smooth MCKXL: управляет двигателем, крутящим диски
Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флеш-памяти, используемой для хранения встроенного ПО накопителя (немного похожего на BIOS компьютера)

Открыть накопитель просто, достаточно открутить несколько болтов Torx и вуаля! Мы внутри…

Учитывая, что он занимает основную часть устройства, наше внимание сразу привлекает большой металлический круг; несложно понять, почему накопители называются дисковыми. Правильно их называть пластинами; они изготавливаются из стекла или алюминия и покрываются несколькими слоями различных материалов. Этот накопитель на 3 ТБ имеет три пластины, то есть на каждой стороне одной пластины должно храниться 500 ГБ.

Изображение довольно пыльное, такие грязные пластины не соответствуют точности проектирования и производства, необходимого для их изготовления. В нашем примере HDD сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но отполирован до такой степени, что средняя высота отклонений на поверхности меньше 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).

Базовый слой имеет глубину всего 0,0004 дюйма (10 микронов) и состоит из нескольких слоёв материалов, нанесённых на металл. Нанесение выполняется при помощи химического никелирования с последующим вакуумным напылением, подготавливающих диск для основных магнитных материалов, используемых для хранения цифровых данных.

Этот материал обычно является сложным кобальтовым сплавом и составлен из концентрических кругов, каждый из которых примерно 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) в ширину и 0,000001 дюйма (25 нм) в глубину. На микроуровне сплавы металлов образуют зёрна, похожие на мыльные пузыри на поверхности воды.

Каждое зерно обладает собственным магнитным полем, но его можно преобразовать в заданном направлении. Группирование таких полей приводит к возникновению битов данных (0 и 1). Если вы хотите подробнее узнать об этой теме, то прочитайте этот документ Йельского университета. Последними покрытиями становятся слой углерода для защиты, а потом полимер для снижения контактного трения. Вместе их толщина составляет не больше 0,0000005 дюйма (12 нм).

Скоро мы увидим, почему пластины должны изготавливаться с такими строгими допусками, но всё-таки удивительно осознавать, что всего за 15 долларов можно стать гордым владельцем устройства, изготовленного с нанометровой точностью!

Однако давайте снова вернёмся к самому HDD и посмотрим, что же в нём есть ещё.

Жёлтым цветом показана металлическая крышка, надёжно крепящая пластину к электродвигателю привода шпинделя — электроприводу, вращающему диски. В этом HDD они вращаются с частотой 7200 rpm (оборотов/мин), но в других моделях могут работать медленнее. Медленные накопители имеют пониженный шум и энергопотребление, но и меньшую скорость, а более быстрые накопители могут достигать скорости 15 000 rpm.

Чтобы снизить урон, наносимый пылью и влагой воздуха, используется фильтр рециркуляции (зелёный квадрат), собирающий мелкие частицы и удерживающий их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Над дисками и рядом с фильтром есть один из трёх разделителей пластин: помогающих снижать вибрации и поддерживать как можно более равномерный поток воздуха.

В левой верхней части изображения синим квадратом указан один из двух постоянных стержневых магнитов. Они обеспечивают магнитное поле, необходимое для перемещения компонента, указанного красным цветом. Давайте отделим эти детали, чтобы видеть их лучше.

То, что выглядит как белый пластырь — это ещё один фильтр, только он очищает частицы и газы, попадающие снаружи через отверстие, которое мы видели выше. Металлические шипы — это рычаги перемещения головок, на которых находятся головки чтения-записи жёсткого диска. Они с огромной скоростью движутся по поверхности пластин (верхней и нижней).

Посмотрите это видео, созданное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько они быстрые:

В конструкции не используется чего-то вроде шагового электродвигателя; для перемещения рычагов по соленоиду в основании рычагов проводится электрический ток.

Обобщённо их называют звуковыми катушками, потому что они используют тот же принцип, который применяется в динамиках и микрофонах для перемещения мембран. Ток генерирует вокруг них магнитное поле, которое реагирует на поле, созданное стержневыми постоянными магнитами.

Не забывайте, что дорожки данных крошечны, поэтому позиционирование рычагов должно быть чрезвычайно точным, как и всё остальное в накопителе. У некоторых жёстких дисков есть многоступенчатые рычаги, которые вносят небольшие изменения в направление только одной части целого рычага.

В некоторых жёстких дисках дорожки данных накладываются друг на друга. Эта технология называется черепичной магнитной записью (shingled magnetic recording), и её требования к точности и позиционированию (то есть к попаданию постоянно в одну точку) ещё строже.

На самом конце рычагов есть очень чувствительные головки чтения-записи. В нашем HDD содержится 3 пластины и 6 головок, и каждая из них плавает над диском при его вращении. Для этого головки подвешены на сверхтонких полосках металла.

И здесь мы можем увидеть, почему умер наш анатомический образец — по крайней мере одна из головок разболталась, и что бы ни вызвало изначальный повреждение, оно также погнуло один из рычагов. Весь компонент головки настолько мал, что, как видно ниже, очень сложно получить её качественный снимок обычной камерой.

Чуть дальше, и головки не смогут распознавать изменения магнитных полей дорожки; если бы головки лежали на поверхности, то просто поцарапали бы покрытие. Именно поэтому нужно фильтровать воздух внутри корпуса накопителя: пыль и влага на поверхности диска просто сломают головки.

На этом изображении другого жёсткого диска устройства чтения и записи находятся под всеми электрическими соединениями. Запись выполняется системой тонкоплёночной индуктивности (thin film induction, TFI), а чтение — туннельным магнеторезистивным устройством (tunneling magnetoresistive device, TMR).

Создаваемые TMR сигналы очень слабы и перед отправкой должны проходить через усилитель для повышения уровней. Отвечающий за это чип находится рядом с основанием рычагов на изображении ниже.

Как сказано во введении к статье, механические компоненты и принцип работы жёсткого диска почти не изменились за многие годы. Больше всего совершенствовалась технология магнитных дорожек и головок чтения-записи, создавая всё более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводило к увеличению объёма хранимой информации.

Однако механические жёсткие диски имеют очевидные ограничения скорости. На перемещение рычагов в нужное положение требуется время, а если данные разбросаны по разным дорожкам на различных пластинах, то на поиски битов накопитель будет тратить довольно много микросекунд.

Прежде чем переходить к другому типу накопителей, давайте укажем ориентировочные показатели скорости типичного HDD. Мы использовали бенчмарк CrystalDiskMark для оценки жёсткого диска WD 3.5" 5400 RPM 2 TB:

В первых двух строчках указано количество МБ в секунду при выполнении последовательных (длинный, непрерывный список) и случайных (переходы по всему накопителю) чтения и записи. В следующей строке показано значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке показана средняя задержка (время в микросекундах) между передачей операции чтения или записи и получением значений данных.

В общем случае мы стремимся к тому, чтобы значения в первых трёх строчках были как можно больше, а в последней строчке — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих числах, мы просто используем их для сравнения, когда будем рассматривать другой тип накопителя: твердотельный накопитель.

узнайте о методах развертывания Windows на разных дисках, включая жесткие диски, твердотельные накопители (ssd) или виртуальные жесткие диски (vhd), а также с различными структурами разделов, включая разделы данных и служебные программы.

Типы дисков

Windows можно установить на жесткий диск, например жесткий диск или твердотельный накопитель. Для обеспечения дополнительной безопасности можно использовать жесткие диски, предварительно зашифрованные с помощью фабрики. Один компьютер может содержать несколько дисков.

Твердотельные накопители

Твердотельный накопитель (SSD) — это жесткий диск, использующий твердотельную память для хранения постоянных данных. Для установки Windows SSD-диск должен иметь не менее 16 гигабайт (ГБ) пространства. Дополнительные сведения о дисковом пространстве и ОЗУ см. в статье Оптимизация использования дисковых операционных систем, одного источника данных и изображения.

больше не требуется запускать тесты оценки системы Windows (WinSAT) на дисках SSD. Windows теперь обнаруживает накопители SSD и соответствующим образом выполняет настройку.

Диски расширенного формата

Для дополнительного дискового пространства можно использовать некоторые дополнительные диски формата.

Диски с улучшенным форматом эмуляции 512 (512e) поддерживаются на компьютерах на базе BIOS или UEFI.

Расширенный формат 4 КБ Native (4Kn) диски поддерживаются только на компьютерах на основе UEFI.

Для расширенного формата дисков объемом в машинном формате (4 КБ на сектор) минимальный размер раздела составляет 260 Мб из-за ограничения формата файла FAT32. Минимальный размер раздела для дисков FAT32 вычисляется как размер сектора (4 КБ) x 65527 = 256 МБ. Дополнительные сведения см. в разделе Настройка разделов жесткого диска на основе UEFI/GPT.

Жесткие диски, зашифрованные с завода

для защиты среды развертывания можно использовать предварительно зашифрованный жесткий диск фабрики, чтобы предотвратить несанкционированный доступ до установки Windows или другого программного обеспечения. Дополнительные сведения см. в статье заводские зашифрованные диски.

Несколько жестких дисков

при установке Windows на устройстве с несколькими жесткими дисками можно использовать путь к расположению диска, чтобы обеспечить применение образов к нужным дискам.

Системный диск может не отображаться как диск 0 в средстве DiskPart. При перезагрузке система может назначать устройствам разные номера. Разные компьютеры с одинаковой конфигурацией дисков могут иметь разные номера дисков.

Секции

Жесткий диск можно разделить на несколько разделов. можно создать отдельные разделы системы, восстановления, Windows или данных.

чтобы повысить безопасность раздела Windows или секции данных, можно использовать BitLocker для шифрования раздела. Дополнительные сведения см. в разделе Шифрование диска BitLocker.

Типы секций должны соответствовать встроенному по компьютера. вы можете установить Windows на жестких дисках, которые основаны на одном из следующих типов встроенного по:

Базовая система ввода-вывода (BIOS). Использует структуру разделов основной загрузочной записи (MBR).
Расширяемый интерфейс микропрограмм (EFI) (класс 1): использует структуру разделов таблицы разделов GUID (GPT).
Единый интерфейс EFI (UEFI) класс 2. использует структуру разделов GPT. Также включает модуль поддержки совместимости (CSM), позволяющий использовать функции BIOS, включая структуру разделов MBR. Этот модуль можно включить или отключить в встроенном по.
Единый интерфейс EFI (UEFI) класс 3. использует структуру разделов GPT.

Чтобы определить тип системы, обратитесь к производителю оборудования.

Системные и служебные разделы

Системный раздел — это раздел, содержащий аппаратно-зависимые файлы, необходимые для загрузки Windows.

по умолчанию во время программа установки Windows Windows сохраняет эти файлы, относящиеся к оборудованию, в отдельном разделе. Это позволяет компьютеру использовать следующие действия:

Средства безопасности. Для некоторых средств безопасности, таких как BitLocker, требуется отдельный системный раздел.
Средства восстановления. для некоторых средств восстановления, например Windows среды восстановления (Windows RE), требуется отдельный системный раздел.
Несколько операционных систем. если компьютер имеет несколько операционных систем, например Windows 11 и Windows 10, компьютер отображает список операционных систем. Затем пользователь может выбрать операционную систему для загрузки. если системные загрузочные файлы находятся в отдельной секции, проще удалить Windows раздел или заменить раздел новой копией Windows.

добавьте разделы системных служебных программ перед разделом Windows, так как в случае, когда требуется полное восстановление системы, этот порядок секционирования помогает предотвратить перезапись системных и служебных разделов средствами восстановления.

сведения о настройке системных разделов при применении образов см. в разделе захват и применение Windows, системы и разделов восстановления.

Зарезервированный раздел Майкрософт (MSR)

MSR используется в системах UEFI/GPT для поддержки программных компонентов, ранее использовавших скрытые сектора.

Дополнительные сведения о настройке разделов MSR см. в разделе Настройка разделов жесткого диска на основе UEFI/GPT.
дополнительные сведения о секциях MSR см. в разделе вопросы и ответы по Windows и GPT

Разделы восстановления

добавьте отдельную секцию для Windows среды восстановления (Windows RE) в конце жесткого диска сразу после раздела Windows. в этом порядке разделов, если для будущих обновлений требуется добавить или заменить раздел средств Windows RE, Windows сможет автоматически управлять размером раздела.

для систем на основе BIOS/MBR по-прежнему можно объединить раздел Windows RE tools с системным разделом. Чтобы сэкономить место на диске, рассмотрите возможность создания логических секций, чтобы обойти ограничение в четырех разделах. Дополнительные сведения см. в разделе Настройка более четырех разделов на жестком диске с BIOS/MBR.

Секции данных

можно включить отдельный раздел данных, чтобы упростить обслуживание в ситуациях, когда основная операционная система может быть заменена или если на одном устройстве существует несколько операционных систем, например Windows 10 и Windows 7. Если устройство имеет несколько жестких дисков, раздел данных может храниться на другом диске.

Для типичных конфигураций с одним диском лучше не использовать отдельный раздел данных. Существует две основные причины.

Читайте также: