lba hdd что это
Режимы LBA, LARGE и NORMAL
LBA и LARGE — это методы распознавания жестких дисков большой емкости (более 528 Мбайт).
Первоначально режим LBA предназначался для SCSI-устройств.
Цилиндры, головки и сектора распознаются не в трех измерениях, а только в одном.
При доступе к данным, сектора группируются в блоки, в которых первый сектор имеет порядковый номер 0, а адрес данных определяется относительно этого номера.
Полученный результат преобразуется в трехмерный адрес, состоящий из номеров цилиндра, головки и сектора.
Такое возможно, только если BIOS или жесткий диск поддерживают режим LBA.
Метод LARGE заключается в делении числа цилиндров на 2, если оно больше 1024 и меньше 2048, после чего число головок умножается на 2.
Этот метод может быть использован при работе с жесткими дисками, не поддерживающими LBA.
В режиме NORMAL распознаются только жесткие диски емкостью до 528 Мбайт.
Этот режим использовался в старых дисках.
Различие между режимами LARGE и LBA заключается в том, что LBA на половину уменьшает число цилиндров и вдвое увеличивает число головок, в то время как режим LARGE устанавливается, как и режим NORMAL, но число цилиндров увеличивается, увеличивая тем самым емкость.
Большинство производимых сегодня жестких дисков поддерживают режим LBA, поэтому в BIOS Setup для жесткого диска следует установить либо режим Auto, либо LBA.
Методы адресации HDD (CHS и LBA).
Методы адресации HDD (CHS и LBA).
Существует два основных метода, используемых для адресации (или нумерации) секторов накопителей. Первый из них называется CHS (Cylinder Head Sector). Это название образовано по трем соответствующим координатам, которые используются для адресации каждого сектора дисковода. Во втором методе, который носит название LBA (Logical Block Address), для адресации секторов накопителя используется только одно значение. В основе метода CHS лежит физическая структура накопителей (а также способ организации его внутренней работы).
Метод LBA, в свою очередь, представляет собой более простой и логический способ нумерации секторов, не зависящий от внутренней физической архитектуры накопителей.
При последовательном считывании данных с накопителя в режиме CHS процесс чтения начинается с цилиндра 0, головки 0 и сектора 1 (который является первым сектором на данном диске), после чего считываются все остальные секторы первой дорожки. Затем выбирается следующая головка и читаются все секторы, находящиеся на этой дорожке. Это продолжается до тех пор, пока не будут считаны данные со всех головок первого цилиндра. Затем выбирается следующий цилиндр, и процесс чтения продолжается в такой же последовательности.
При последовательном считывании данных с накопителя в режиме LBA процесс чтения начинается с сектора 0, после чего читается сектор 1, сектор 2 и т.д. В режиме CHS первым сектором жесткого диска является 0,0,1. В режиме LBA этот же сектор будет сектором 0.
В качестве примера представьте себе накопитель, содержащий один жесткий диск, две головки (используются обе стороны жесткого диска), две дорожки на каждом жестком диске (цилиндры) и два сектора на каждой дорожке. В этом случае можно сказать, что накопитель содержит два цилиндра (две дорожки на каждой стороне), две головки (по одной на сторону), а также два сектора на каждой дорожке. В общей сложности емкость накопителя равна восьми (2×2×2) секторам. Обратите внимание: нумерация цилиндров и головок начинается с числа 0, а нумерация физических секторов, находящихся на дорожке, — с числа 1. При использовании адресации CHS расположение первого сектора накопителя определяется выражением “цилиндр 0, головка 0, сектор 1 (0,0,1)”; адресом второго сектора является 0,0,2; третьего — 0,1,1; четвертого — 0,1,2 и т.д., пока мы не дойдем до последнего сектора, адрес которого 1,1,2.
Как видно из приведенного примера, использование нумерации LBA заметно облегчает и упрощает процесс обработки данных. Несмотря на это, при создании первых ПК вся адресация BIOS и накопителей АТА была выполнена методом CHS.
Преобразования CHS/LBA и LBA/CHS
Адресация секторов может выполняться как в режиме CHS, так и в режиме LBA. Для данного накопителя существует определенное соответствие между адресациями CHS и LBA, которое, в частности, позволяет преобразовывать адреса CHS в адреса LBA и наоборот. Существует довольно простая формула, с помощью которой можно преобразовывать параметры CHS в LBA:
LBA = (((C × HPC) + H) × SPT) + S – 1.
Реверсирование этой формулы позволяет выполнить обратное преобразование, т.е. преобразовать параметры LBA в адрес CHS:
H = int ((LBA/SPT) mod HPC),
В этих формулах использованы следующие выражения:
— LBA — logical block address;
— C — цилиндр (cylinder);
— HPC — количество головок в каждом цилиндре (общее количество головок);
— SPT — количество секторов на каждой дорожке;
— int X — целочисленная часть X;
— X mod Y — модуль (остаток) от X/Y.
Программы BIOS ( когда объем HDD был очень скромным) использовали адресацию CHS, например:
AL=число читаемых секторов
АL=число переданных секторов
вся адресная информация передается через буфер в оперативной памяти, а не через регистры;
соглашения об использовании регистров изменены (для обеспечения передачи новых структур данных);
для определения дополнительных возможностей аппаратуры (параметров) используются флаги.
Пакет дискового адреса.
Правила передачи параметров дополнительным функциям. При вызове прерывания дополнительным функциям BIOS передаются через регистры процессора следующие данные:
— в АН — номер вызываемой функции;
— в DS: SI — адрес буфера, содержащего пакет дискового адреса.
Передача остальных параметров, как было уже указано выше, производится через пакет дискового адреса.
Дополнительные функции BIOS предназначены только для жестких дисков и дисководов сменных дисков большой емкости, причем функции рассчитаны на использование не более четырех устройств. Передаваемый функции номер диска, таким образом, должен находиться в диапазоне 80h-83h.
После выполнения функции в регистре АН выдается код состояния (статус возврата). Кроме принятого для классических функций BIOS стандартного набора кодов возврата, для дополнительных функций введено еще несколько кодов.
Пример использования прерывание Int 13h, функция 42h: расширенное чтение.
Функция осуществляет передачу секторов с заданной области диска в буфер памяти. Перед вызовом прерывания требуется записать в регистры следующие значения:
— в АН — значение 42h;
— в DL — номер дисковода;
— в DS: SI — адрес пакета дискового адреса.
После завершения операции функция возвращает в регистре АН состояние дисковой системы. В случае аварийного завершения выполнения функции поле счетчика блоков в пакете дискового адреса содержит число блоков, которые были успешно прочитаны (прочитаны до того, как произошла ошибка).
Изучаем структуры MBR и GPT
Для работы с жестким диском его для начала необходимо как-то разметить, чтобы операционная система могла понять в какие области диска можно записывать информацию. Поскольку жесткие диски имеют большой объем, их пространство обычно разбивают на несколько частей — разделов диска. Каждому такому разделу может быть присвоена своя буква логического диска (для систем семейства Windows) и работать с ним можно, как будто это независимый диск в системе.
Способов разбиения дисков на разделы на сегодняшний день существует два. Первый способ — использовать MBR. Этот способ применялся еще чуть ли не с появления жестких дисков и работает с любыми операционными системами. Второй способ — использовать новую систему разметки — GPT. Этот способ поддерживается только современными операционными системами, поскольку он еще относительно молод.
Структура MBR
До недавнего времени структура MBR использовалась на всех персональных компьютерах для того, чтобы можно было разделить один большой физический жесткий диск (HDD) на несколько логических частей — разделы диска (partition). В настоящее время MBR активно вытесняется новой структурой разделения дисков на разделы — GPT (GUID Partition Table). Однако MBR используется еще довольно широко, так что посмотрим что она из себя представляет.
MBR всегда находится в первом секторе жесткого диска. При загрузке компьютера, BIOS считывает этот сектор с диска в память по адресу 0000:7C00h и передает ему управление.
Итак, первая секция структуры MBR — это секция с исполняемым кодом, который и будет руководить дальнейшей загрузкой. Размер этой секции может быть максимум 440 байт. Далее идут 4 байта, отведенные на идентификацию диска. В операционных системах, где идентификация не используется, это место может занимать исполняемый код. То же самое касается и последующих 2 байт.
Начиная со смещения 01BEh находится сама таблица разделов жесткого диска. Таблица состоит из 4 записей (по одной на каждый возможный раздел диска) размером 16 байт.
Структура записи для одного раздела:
Первым байтом в этой структуре является признак активности раздела. Этот признак определяет с какого раздела следует продолжить загрузку. Может быть только один активный раздел, иначе загрузка продолжена не будет.
Следующие три байта — это так называемые CHS-координаты первого сектора раздела.
По смещению 04h находится код типа раздела. Именно по этому типу можно определить что находится в данном разделе, какая файловая система на нем и т.п. Список зарезервированных типов разделов можно посмотреть, например, в википедии по ссылке Типы разделов.
После типа раздела идут 3 байта, определяющие CHS-координаты последнего сектора раздела.
CHS-координаты сектора расшифровываются как Cylinder Head Sector и соответственно обозначают номер цилиндра (дорожки), номер головки (поверхности) и номер сектора. Цилиндры и головки нумеруются с нуля, сектор нумеруется с единицы. Таким образом CHS=0/0/1 означает первый сектор на нулевом цилиндре на нулевой головке. Именно здесь находится сектор MBR.
Все разделы диска, за исключением первого, обычно начинаются с нулевой головки и первого сектора какого-либо цилиндра. То есть их адрес будет N/0/1. Первый раздел диска начинается с головки 1, то есть по адресу 0/1/1. Это все из-за того, что на нулевой головке место уже занято сектором MBR. Таким образом, между сектором MBR и началом первого раздела всегда есть дополнителььные неиспользуемые 62 сектора. Некоторые загрузчики ОС используют их для своих нужд.
Интересен формат хранения номера цилиндра и сектора в структуре записи раздела. Номер цилиндра и номер сектора делят между собой два байта, но не поровну, а как 10:6. То есть на номер сектора приходится младшие 6 бит младшего байта, что позволяет задавать номера секторов от 1 до 63. А на номер цилиндра отведено 10 бит — 8 бит старшего байта и оставшиеся 2 бита от младшего байта: «CCCCCCCC CCSSSSSS», причем в младшем байте находятся старшие биты номера цилиндра.
Проблема с CHS-координатами состоит в том, что с помощью такой записи можно адресовать максимум 8 Гб диска. В эпоху DOS это было приемлемо, однако довольно скоро этого перестало хватать. Для решения этой проблемы была разработана система адресации LBA (Logical Block Addressing), которая использовала плоскую 32-битную нумерацию секторов диска. 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.
Итак, в настоящее время повсеместно используется LBA-адресация для секторов на диске и в структуре записи раздела адрес его первого сектора прописывается по смещению 08h, а размер раздела — по смещению 0Ch.
Для дисков размером до 8Гб (когда адресация по CHS еще возможна) поля структуры с CHS-координатами и LBA-адресации должны соответствовать друг другу по значению (корректно конвертироваться из одного формата в другой). У дисков размером более 8Гб значения всех трех байт CHS-координат должны быть равны FFh (для головки допускается также значение FEh).
В конце структуры MBR всегда находится сигнатура AA55h. Она в какой-то степени позволяет проверить, что сектор MBR не поврежден и содержит необходимые данные.
Расширенные разделы
Разделы, отмеченные в таблице типом 05h и 0Fh, это так называемые расширенные разделы. С их помощью можно создавать больше разделов на диске, чем это позволяет MBR. На самом деле расширенных разделов несколько больше, например есть разделы с типами C5h, 15h, 1Fh, 91h, 9Bh, 85h. В основном все эти типы разделов использовались в свое время различными операционными системами (такими как например OS/2, DR-DOS, FreeDOS) с одной и той же целью — увеличить количество разделов на диске. Однако со временем различные форматы отпали и остались только разделы с типами 05h и 0Fh. Единственное исключение — это тип 85h. Он до сих пор может использоваться в Linux для формирования второй цепочки логических дисков, скрытых от других операционных систем. Разделы с типом 05h используются для дисков менее 8Гб (где еще возможна адресация через CHS), а тип 0Fh используется для дисков больше 8Гб (и используется LBA-адресация).
В первом секторе расширенного раздела находится структура EBR (Extended Boot Record). Она во многом схожа со структурой MBR, но имеет следующие отличия:
В отличие от MBR, где позволяется создавать не более четырёх разделов, структура EBR позволяет организовать список логических разделов, ограниченный лишь размером раздела-контейнера (того самого, который с типом 05h или 0Fh). Для организации такого списка используется следующий формат записей: первая запись в таблице разделов EBR указывает на логический раздел, связанный с данным EBR, а вторая запись указывает на следующий в списке раздел EBR. Если данный логический раздел является последним в списке, то вторая запись в таблице разделов EBR должна быть заполнена нулями.
Формат записей разделов в EBR аналогичен формату записи в структуре MBR, однако логически немного отличается.
Признак активности раздела для разделов структуры EBR всегда будет 0, так как загрузка осуществлялась только с основных разделов диска. Координаты CHS, с которых начинается раздел используются, если не задействована LBA-адресация, также как и в структуре MBR.
А вот поля, где в режиме LBA-адресации должны находиться номер начального сектора и количество секторов раздела, в структуре EBR используются несколько иначе.
Для первой записи таблицы разделов EBR в поле начального сектора раздела (смещение 08h) записывается расстояние в секторах между текущим сектором EBR и началом логического раздела, на который ссылается запись. В поле количества секторов раздела (смещение 0Ch) в этом случае пишется размер этого логического раздела в секторах.
Для второй записи таблицы разделов EBR в поле начального сектора раздела записывается расстояние между сектором самой первой EBR и сектором следующей EBR в списке. В поле количества секторов раздела в этом случае пишется размер области диска от сектора этой следующей структуры EBR и до конца логического раздела, относящегося к этой структуре.
Таким образом, первая запись таблицы разделов описывает как найти, и какой размер занимает текущий логический раздел, а вторая запись описывает как найти, и какой размер занимает следующий EBR в списке, вместе со своим разделом.
Структура GPT
В современных компьютерах на смену BIOS пришла новая спецификация UEFI, а вместе с ней и новое устройство разделов на жестком диске — GUID Partition Table (GPT). В этой структуре были учтены все недостатки и ограничения, накладываемые MBR, и разработана она была с большим запасом на будущее.
В структуре GPT используется теперь только LBA-адресация, никаких CHS больше нет и никаких проблем с их конвертацией тоже. Причем под LBA-адреса отведено по 64 бита, что позволяет работать с ними без всяких ухищрений, как с 64-битными целыми числами, а также (если до этого дойдет) даст в будущем возможность без проблем расширить 48-битную LBA-адресацию до 64-битной.
Кроме того, в отличие от MBR, структура GPT хранит на диске две своих копии, одну в начале диска, а другую в конце. Таким образом, в случае повреждения основной структуры, будет возможность восстановить ее из сохраненной копии.
Рассмотрим теперь устройство структуры GPT подробнее. Вся структура GPT на жестком диске состоит из 6 частей:
Защитный MBR-сектор
Первый сектор на диске (с адресом LBA 0) — это все тот же MBR-сектор. Он оставлен для совместимости со старым программным обеспечением и предназначен для защиты GPT-структуры от случайных повреждений при работе программ, которым про GPT ничего не известно. Для таких программ структура разделов будет выглядеть как один раздел, занимающий все место на жестком диске.
Структура этого сектора ничем не отличается от обычного сектора MBR. В его таблице разделов дожна быть создана единственная запись с типом раздела 0xEE. Раздел должен начинаться с адреса LBA 1 и иметь размер 0xFFFFFFFF. В полях для CHS-адресации раздел соответственно должен начинаться с адреса 0/0/2 (сектор 1 занят под саму MBR) и иметь конечный CHS-адрес FF/FF/FF. Признак активного раздела должен иметь значение 0 (неактивный).
При работе компьютера с UEFI, данный MBR-сектор просто игнорируется и никакой код в нем также не выполняется.
Первичный GPT-заголовок
Этот заголовочный сектор содержит в себе данные о всех LBA-адресах, использующихся для разметки диска на разделы.
Структура GPT-заголовка:
| Смещение (байт) | Размер поля (байт) | Пример заполнения | Название и описание поля |
| 0x00 | 8 байт | 45 46 49 20 50 41 52 54 | Сигнатура заголовка. Используется для идентификации всех EFI-совместимых GPT-заголовков. Должно содержать значение 45 46 49 20 50 41 52 54, что в виде текста расшифровывается как «EFI PART». |
| 0x08 | 4 байта | 00 00 01 00 | Версия формата заголовка (не спецификации UEFI). Сейчас используется версия заголовка 1.0 |
| 0x0C | 4 байта | 5C 00 00 00 | Размер заголовка GPT в байтах. Имеет значение 0x5C (92 байта) |
| 0x10 | 4 байта | 27 6D 9F C9 | Контрольная сумма GPT-заголовка (по адресам от 0x00 до 0x5C). Алгоритм контрольной суммы — CRC32. При подсчёте контрольной суммы начальное значение этого поля принимается равным нулю. |
| 0x14 | 4 байта | 00 00 00 00 | Зарезервировано. Должно иметь значение 0 |
| 0x18 | 8 байт | 01 00 00 00 00 00 00 00 | Адрес сектора, содержащего первичный GPT-заголовок. Всегда имеет значение LBA 1. |
| 0x20 | 8 байт | 37 C8 11 01 00 00 00 00 | Адрес сектора, содержащего копию GPT-заголовка. Всегда имеет значение адреса последнего сектора на диске. |
| 0x28 | 8 байт | 22 00 00 00 00 00 00 00 | Адрес сектора с которого начинаются разделы на диске. Иными словами — адрес первого раздела диска |
| 0x30 | 8 байт | 17 C8 11 01 00 00 00 00 | Адрес последнего сектора диска, отведенного под разделы |
| 0x38 | 16 байт | 00 A2 DA 98 9F 79 C0 01 A1 F4 04 62 2F D5 EC 6D | GUID диска. Содержит уникальный идентификатор, выданный диску и GPT-заголовку при разметке |
| 0x48 | 8 байт | 02 00 00 00 00 00 00 00 | Адрес начала таблицы разделов |
| 0x50 | 4 байта | 80 00 00 00 | Максимальное число разделов, которое может содержать таблица |
| 0x54 | 4 байта | 80 00 00 00 | Размер записи для раздела |
| 0x58 | 4 байта | 27 C3 F3 85 | Контрольная сумма таблицы разделов. Алгоритм контрольной суммы — CRC32 |
| 0x5C | 420 байт | 0 | Зарезервировано. Должно быть заполнено нулями |
Система UEFI проверяет корректность GPT-заголовка, используя контрольный суммы, вычисляемые по алгоритму CRC32. Если первичный заголовок поврежден, то проверяется контрольная сумма копии заголовка. Если контрольная сумма копии заголовка правильная, то эта копия используется для восстановления информации в первичном заголовке. Восстановление также происходит и в обратную сторону — если первичный заголовок корректный, а копия неверна, то копия восстанавливается по данным из первичного заголовка. Если же обе копии заголовка повреждены, то диск становится недоступным для работы.
У таблицы разделов дополнительно существует своя контрольная сумма, которая записывается в заголовке по смещению 0x58. При изменении данных в таблице разделов, эта сумма рассчитывается заново и обновляется в первичном заголовке и в его копии, а затем рассчитывается и обновляется контрольная сумма самих GPT-заголовков.
Таблица разделов диска
Следующей частью структуры GPT является собственно таблица разделов. В настоящее время операционные системы Windows и Linux используют одинаковый формат таблицы разделов — максимум 128 разделов, на каждую запись раздела выделяется по 128 байт, соответственно вся таблица разделов займет 128*128=16384 байт, или 32 сектора диска.
Стандарт IDE включал 22-битный LBA в качестве опции, который был расширен до 28-битного с выпуском ATA-1 (1994) и до 48-битного с выпуском ATA-6 (2003), тогда как размер записи в структурах данных на диске и в памяти, содержащие адрес, обычно имеют размер 32 или 64 бита. Большинство жестких дисков, выпущенных после 1996 года, реализуют адресацию логических блоков.
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор
При логической адресации блоков для адресации данных используется только одно число, и каждый линейный базовый адрес описывает отдельный блок.
LBA была впервые представлена в SCSI как абстракция. Хотя контроллер диска по-прежнему обращается к блокам данных по их адресу CHS, эта информация обычно не используется драйвером устройства SCSI, ОС, кодом файловой системы или любыми приложениями (такими как базы данных), которые обращаются к «необработанному» диску. Системные вызовы, требующие ввода-вывода на уровне блоков, передают определения LBA драйверу устройства хранения; в простых случаях (когда один том отображается на один физический диск) этот LBA затем передается непосредственно контроллеру диска.
Усовершенствованный BIOS
Более ранний стандарт IDE от Western Digital представил 22-битный LBA; в 1994 году стандарт ATA-1 позволял использовать 28-битные адреса в режимах LBA и CHS. Схема CHS использовала 16 бит для цилиндра, 4 бита для головы и 8 бит для сектора, подсчет секторов от 1 до 255. Это означает, что сообщаемое количество головок никогда не превышает 16 (0–15), количество секторов может быть 255 ( 1–255; хотя чаще всего используется 63), а количество цилиндров может достигать 65 536 (0–65535), что ограничивает размер диска 128 ГиБ (≈137,4 ГБ), предполагая 512-байтовые сектора. К этим значениям можно получить доступ, выполнив команду ATA «Идентифицировать устройство» ( EC h) для привода.
LBA-перевод
Когда BIOS настроен на использование диска в режиме трансляции с помощью LBA, BIOS обращается к оборудованию в режиме LBA, но также представляет преобразованную геометрию CHS через интерфейс INT 13h. Количество цилиндров, головок и секторов в преобразованной геометрии зависит от общего размера диска, как показано в следующей таблице.
| Размер диска | Секторы / трек | Головы | Цилиндров |
|---|---|---|---|
| 1 | 63 | 16 | Х ÷ (63 × 16 × 512) |
| 504 МБ | 63 | 32 | Х ÷ (63 × 32 × 512) |
| 1008 МБ | 63 | 64 | Х ÷ (63 × 64 × 512) |
| 2016 МиБ | 63 | 128 | X ÷ (63 × 128 × 512) |
| 4032 МБ | 63 | 255 | X ÷ (63 × 255 × 512) |
LBA48
Преобразование CHS
| Значение LBA | Кортеж CHS |
|---|---|
| 0 | 0, 0, 1 |
| 1 | 0, 0, 2 |
| 2 | 0, 0, 3 |
| 62 | 0, 0, 63 |
| 63 | 0, 1, 1 |
| 945 | 0, 15, 1 |
| 1007 | 0, 15, 63 |
| 1008 | 1, 0, 1 |
| 1070 | 1, 0, 63 |
| 1071 | 1, 1, 1 |
| 1133 | 1, 1, 63 |
| 1134 | 1, 2, 1 |
| 2015 г. | 1, 15, 63 |
| 2016 г. | 2, 0, 1 |
| 16 127 | 15, 15, 63 |
| 16 128 | 16, 0, 1 |
| 32 255 | 31, 15, 63 |
| 32 256 | 32, 0, 1 |
| 16 450 559 | 16319, 15, 63 |
| 16 514 063 | 16382, 15, 63 |
В схеме адресации LBA секторы нумеруются как целочисленные индексы; при сопоставлении с кортежами CHS ( сектор головки блока цилиндров ) нумерация LBA начинается с первого цилиндра, первой головки и первого сектора дорожки. Как только гусеница исчерпана, нумерация продолжается до второй головки, оставаясь внутри первого цилиндра. Когда все головки внутри первого цилиндра исчерпаны, нумерация продолжается со второго цилиндра и т. Д. Таким образом, чем ниже значение LBA, тем ближе физический сектор к первому (то есть самому внешнему) цилиндру жесткого диска.
Кортежи CHS могут быть сопоставлены с адресом LBA по следующей формуле:
Согласно спецификациям ATA, «Если содержание слов (61:60) больше или равно 16 514 064, то содержание слова 1 [количество логических цилиндров] должно быть равно 16 383». Следовательно, для LBA 16450559 диск ATA может фактически ответить кортежем CHS (16319, 15, 63), и количество цилиндров в этой схеме должно быть намного больше 1024, разрешенного INT 13h.