Copyright © 2009 Алексей Алимкин, Олег Фоминов.
Вот и пришло время разобраться с тем, как же все-таки работает компьютер после того, как мы нажимаем на нем кнопочку «Power» («Питание»). Но прежде, чем мы приступим к разбору полетов, хочу напомнить вам, что скорость работы вашего компьютера в первую очередь зависит не столько от быстродействия его центрального процессора и шины передачи данных, сколько от скорости работы системного жесткого диска, встроенного в ваш компьютер, а так же количества и параметров его оперативной памяти (RAM).
«Да при чем тут жесткий диск и моя память?!» — это самый распространенный вопрос, который слышат специалисты сервисных центров Apple и который задает большинство компьютерных пользователей, как новичков, так и тех, кто работает на компьютере уже не один год.
Давайте, не вникая в технические подробности, рассмотрим процесс включения (запуска) на примере компьютера Mac Intel с установленной на нем операционной системой Mac OS X (например, версии 10.5.x или 10.6.x). (Процесс запуска компьютеров производства компании Apple за некоторыми деталями практически не отличается от аналогичного процесса запуска компьютеров на основе операционной системы Windows). Затем мы с вами в общих чертах разберемся с устройством жесткого диска и принципами его работы, что вполне логично подведет нас к теме следующей МЖ #8: Оптимизация и дефрагментация жесткого диска, которую мы с вами рассмотрим в самое ближайшее время.
Что происходит после нажатия кнопки включения питания?
После того, как вы нажмете кнопку включения питания компьютера (Power), запуск операционной системы Mac OS X будет состоять в поочередном выполнении следующих четырех этапов:
➡Запуска встроенной программы (firmware), которая производит инициализацию оборудования компьютера Apple Mac, после чего находит и запускает программу загрузчика. При успешном завершении этого этапа звучит стартовый музыкальный аккорд, сопровождаемый яркой вспышкой светодиода индикатора питания, и весь экран заполняется светло-серым фоном.
➡Запуска программы-загрузчика (booter), основная работа которой состоит в загрузке (например, считывании с жесткого диска, флэшки и др.) в основную память ядра системы и его основных расширений (KEXT), после чего управление передается ядру операционной системы. Этот этап распознается по темно-серому логотипу компании Apple, показываемому на экране основного монитора.
➡Запуска ядра (kernel), которое обеспечивает функционирование системы и загружает дополнительные драйверы и базовую систему BSD UNIX. На это указывает темно-серая вращающаяся шестеренка, появляющаяся ниже логотипа Apple на экране основного монитора.
➡Запуска рабочей среды пользователя (user environment). Сразу же после того, как в память загружается базовая операционная система, она запускает первый процесс — launchd, который отвечает за загрузку всей пользовательской среды целиком. На то, что производится именно этот этап, указывает ярко-синий фон на экранах всех мониторов. Успешное завершение этого этапа приводит либо к появлению окна входа в систему (login window), либо к запуску приложения Finder и появлению рабочего стола.
Как мы видим, практически весь этап запуска компьютера состоит из считывания данных с системного жесткого диска вашего компьютера в его оперативную память. А поскольку система состоит из большого количества довольно мелких файлов, важна не столько линейная скорость считывания данных (критичная для работы, например, с видео), сколько скорость доступа к файлу, зависящая в первую очередь от частоты вращения шпинделя диска. Из всего выше сказанного мы можем сделать вполне логичный вывод: наша операционная система будет запускаться быстрее в том случае, если мы будем пользоваться более быстрым системным жестким диском. Если вы владелец переносного компьютера Mac Book (или Mac Book Pro), вы с легкостью можете убедиться в этом, заменив стандартный системный жесткий диск в своем MacBook (или MacBook Pro), со шпинделем, вращающемся со скоростью 5400 об/мин (оборотов в минуту) на больший по объёму и оборудованный шпинделем на 7200 об/мин жесткий диск типа Seagate Momentus 500 GB модели ST9500420ASG. Ручаюсь, вы будете приятно удивлены тому, насколько быстрее начнет работать ваш Бук.
Давайте посмотрим, как же устроен жесткий диск.
Устройство жесткого диска
Разобранный жесткий диск. Фотографии взяты с сайта www.vovasa.ru
Жесткий диск (или Hard Disk Drive, HDD, HD) состоит из гермозоны и блока электроники. Механизм внутри гермозоны состоит из центрального шпинделя, жестко соединенного с электромотором, на котором расположены одна или несколько керамических или алюминиевых пластин, покрытых тончайшим ферромагнитным слоем. Над обеими поверхностями каждой из пластин движутся магнитные головки, производящие чтение или запись информационных данных. Они крепятся на легком поворачивающемся рычажке-коромысле. Чтобы во время перемещения магнитных головок над зеркальной поверхностью дисковых пластин они не касались и не царапали ее, головкам придается форма летящего крыла, позволяющая им как бы парить в набегающем воздушном потоке.
Магнитная головка. Вид снизу. Фотографии взяты с сайта www.vovasa.ru
Воздушный поток создается вращением магнитных пластин, поэтому подъемная сила зависит от давления воздуха, воздействующего на поверхность головок. В свою очередь, давление, оказываемое на головки, напрямую зависит от внешнего атмосферного давления. Поэтому некоторые производители жестких дисков указывают в их спецификации предельный потолок эксплуатации — максимально допустимую высоту над уровнем моря (например, 3000 метров).
Вполне возможно, что для вас, как и для большинства компьютерных пользователей, этот фактор не имеет никакого значения, но, если вдруг вы соберетесь на съемки фильма где-нибудь в Тибете, обязательно убедитесь в том, что ваш жесткий диск приспособлен для работы на большой высоте.
А теперь давайте посмотрим, каким же образом производится размещение цифровых данных на пластинах жесткого диска.
Геометрия магнитного диска
Для того, чтобы упростить доступ к считываемым или записываемым на жесткий диск данным, поверхность его магнитных пластин размечается определенным образом, или — форматируется. В целях адресации дискового пространства поверхности дисковых пластин делятся на концентрические кольцевые области — дорожки или треки (tracks). Каждая из дорожек делится на равные отрезки — секторы (sectors).
Адресация CHS (cylinder-head-sector или цилиндр-головка-сектор) предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов. Обратите внимание на оговорку "в заданной зоне" — современные диски могут иметь разное число секторов на разных дорожках (меньшее — для близких к оси вращения диска и большее — для переферийных зон), что позволяет увеличить среднюю плотность хранения данных.
Совокупность дорожек, равностоящих от центра и расположенных на всех пластинах жесткого диска, называется цилиндром (cylinder). Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть, определенную дорожку в цилиндре), а номер сектора — точно заданный сектор на этой дорожке.
Мы рассмотрели лишь частный пример геометрии магнитного диска, дающий только общее представление об устройстве жесткого диска, поскольку прогресс идет семимильными шагами и технология изготовления жестких дисков, изменившись кардинальным образом всего лишь за пару последних лет, на сегодняшний день применяет намного более изощренные системы физического форматирования поверхности магнитных пластин диска.
Но нам, как обычным компьютерным пользователям, для успешного выполнения своих собственных утилитарных задач достаточно знать и понимать хотя бы основные принципы работы жестких дисков.
Логическая геометрия
По мере роста емкости выпускаемых жестких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами. Помимо этого, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию, вписывающуюся в эти ограничения, но не соответствующую реальности. Так, например, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно емкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.
Кстати, тот же механизм логической адресации используется для подмены дефектных секторов диска резервными, что позволяет диску совершенно нормально работать при появлении небольшого числа сбойных секторов. Строго говоря, обычно даже на совершенно новом и полностью исправном диске несколько секторов изначально подменены на резервные, что позволяет производителю добиться более высокого процента выхода годных дисков.
Операционные системы часто используют свою схему адресации данных на дисках. На уровне ОС базовым понятием является блок (block), который является элементарной адресуемой единицей хранения. Чаще всего каждому блоку соответствует один сектор жесткого диска, но, строго говоря, возможны и более изощренные варианты. Размер блока обычно равен 512 байтам, но встречаются варианты систем с блоками в 4096 и даже 8192 байта. Для оптимизации работы ОС блоки объединяются в объекты более высокого уровня, конкретная структура и название которых зависят от операционной системы. Одним из примеров группы блоков, адресуемых на уровне операционной системы, являются кластеры (clusters).
Более подробно об устройстве жесткого диска и способах хранения информации на нем вы можете узнать в статье Жесткий диск свободной энциклопедии Википедия, но и всего вышесказанного нам с вами достаточно для того, чтобы понять, насколько важно не только обладать высокоскоростным системным жестким диском, но и хранить на нем данные в определенном порядке с тем, чтобы иметь к ним максимально быстрый доступ — другими словами, оптимизировать работу жесткого диска таким образом, чтобы данные на нем располагались плотно, и чтобы магнитные головки не носились от начала к концу диска и обратно, судорожно собирая в единый файл валяющиеся там и сям крохотные обрывки данных.
Само собой разумеется, что считать одним заходом файл, записанный в секторах, последовательно расположенных друг за другом, намного проще, нежели собирать его из разных мест, расположенных по закоулкам вашего жесткого диска. Процесс перераспределения файлов на жестком диске с целью расположения их в непрерывных областях, называется дефрагментацией.
Если вы — опытный компьютерный пользователь, разбирающийся в устройстве диска и различных файловых системах, и вас не устраивает такое упрощенное определение термина «дефрагментация», другое, более сложное определение гласит, что дефрагментация — это процесс обновления и оптимизации логической структуры раздела диска с целью обеспечения хранения файлов в непрерывной последовательности кластеров (или блоков).
После проведения дефрагментации жесткого диска значительно ускоряется как чтение, так и запись файлов, а следовательно, ускоряется и работа программ, записанных на этом диске.
О том, как правильно производить дефрагментацию диска и какие программы для этого можно использовать, вы узнаете в МЕЛОЧИ ЖИЗНИ #10: ОПТИМИЗАЦИЯ И ДЕФРАГМЕНТАЦИЯ ЖЕСТКОГО ДИСКА.
Copyright © 2009 Алексей Алимкин, Олег Фоминов.
Олег Фоминов
Выпускник Физического Факультета МГУ, где одновременно работал в направлении моделирования микропроцессорной техники. Второе образование — по специальности "Государственное и муниципальное управление", получено в "Российской академии государственной службы при Президенте Российской Федерации".
После окончания МГУ работал в "Институте прикладной геофизики", где занимался созданием программного обеспечения для моделирования процессов в ионосфере и обработки данных экспериментов. Далее работал в представительстве компании Apple, выполнял функции менеджера по поддержке российских разработчиков ПО. 3 года проработал на должности менеджера по продуктам 3Com (вся линейка продуктов) и Network General (сетевая безопасность). Отвечал, кроме всего прочего, за разработку референтных проектов, анализ предложений конкурентов, обучение дилеров.
После этого занялся консалтинговой деятельностью, сначала в компании "Diploma Consulting", затем — как независимый консультант. Также регулярно привлекался российским представительством Apple при создании тендерной документации, разработке и проведении различных учебных курсов.
Текущая область интересов — предпроектный и проектный консалтинг по оценке и выбору корпоративного ПО.
Имеет множество статей по различным направлениям программного и аппаратного обеспечения, опубликованных в журналах PCWeek/RE, PC Magazine/RE и "Подводная Лодка".
Продолжение: МЖ #10: Оптимизация и дефрагментация жесткого диска
Дополнительная информация:
1.Свободная энциклопедия Википедия:
•Кластер.
2.DataLabs. Восстановление данных и устройство жесткого диска.
3.СпасИнфо. Устройство и принципы работы современного жесткого диска.
3 ноября 2009 г.
МЖ #7: Что происходит после нажатия кнопки включения питания?
Hard Disk
Накопитель на жёстких магнитных дисках, НЖМД, жёсткий диск, винчестер, Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD —энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех компьютерах.
Copyright © 2009 www.macsound.ru All rights reserved.
Site www.macsound.ru is an Independent Information site.
The site is not affiliated with Apple Inc. and other companies.
All trademarks, product names, and company names and logos
appearing on this web site are the property of their respective owners.
Site www.macsound.ru makes no guarantees regarding any of the advice
offered on this web site or by its staff or users.