3585 СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я  Р А Б О Т А № 1

Физическая структура дисковой памяти в MS DOS

 

1. Теоретическая часть

Аппаратная часть современных персональных компьютеров (ПК) включает дисковую подсистему памяти на магнитных носителях, которая обычно комплектуется одним или двумя накопителями на жестких магнитных дисках (ЖМД), называемыми винчестерами, и одним накопителем на дискетах - гибких магнитных дисках (ГМД). Операционная система (ОС) позволяет пользователю разбивать ЖМД на части (разделы), каждая из которых рассматривается как отдельный так называемый логический диск. По своей внутренней структуре логический диск полностью соответствует дискете. Поэтому вначале остановимся на логической структуре ЖМД.

Конструктивно винчестер состоит из нескольких двухсторонних пластин, на которых информация записывается концентрическими дорожками. Гибкий диск (дискета) отличается лишь тем, что имеет одну пластину и соответственно две стороны. Дорожки всех пластин (сторон), расположенные на одном удалении от центра, объединяются понятием цилиндра. Цилиндры, как и дорожки, нумеруются от края диска внутрь. Нумерация начинается с нуля. Стороны дисков также нумеруются, начиная с нулевой.

Чтобы данные могли быть записаны на диск, каждая дорожка разбивается на участки, называемые секторами. Логический размер сектора для всех дисков составляет 512 байт.  Секторам присваиваются номера в соответствии с двумя существующими системами нумерации - абсолютной и относительной.

Абсолютная нумерация секторов относится к физическому диску в целом независимо от того, разбит ли он (в случае ЖМД) на логические диски или нет. В этом случае местоположение сектора определяется тремя компонентами: номером головки (стороны), номером цилиндра (дорожки) и номером собственно сектора в пределах данной дорожки. При этом на каждой дорожке нумерация секторов начинается с 1, а не с нуля.

Относительная нумерация секторов ведется в пределах логических дисков винчестера, а также устанавливается для секторов дискет. Каждый логический диск и дискета имеют свою собственную относительную нумерацию секторов, начинающуюся с нуля.

Самый первый сектор жесткого диска (сектор 1, сторона 0, цилиндр 0), который называется главным загрузочным сектором (Master Boot Sector), состоит из нескольких частей. Основной из них является так называемая главная загрузочная запись - Master Boot Record (MBR). Формат первого сектора ЖМД представлен в табл.1.

Таблица 1

Номер поля

Смещение

Размер,

байт

Содержимое

1

00h

446

Программа главной загрузочной записи

2

1BEh

64

Таблица разделов диска - Partition Table

3

1FEh

2

Сигнатура AA55h - признак конца сектора

Поля первого сектора формируются в процессе форматирования диска, а поле 2 дополнительно заполняется во время выполнения процедуры разбиения диска на разделы.

Если загрузка ОС выполняется с винчестера, то весь Master Boot Sector читается в память модулем инициализации BIOS. При этом программа главной загрузочной записи размещается по адресу 7С00:0000h и ей передается управление. Эта программа сканирует содержимое Partition Table, состоящее из четырех 16-байтных элементов, разбитых на поля. Все элементы таблицы разделов имеют одинаковый формат (табл.2).

Таблица 2

Смещение

Размер,

байт

Название

поля

Содержимое

00h

1

Признак

загрузки

80h  -  загружаемый раздел

00h  - незагружаемый раздел

01h

02h

03h

1

1

1

Начало

раздела

диска

Биты 0 - 7: головки (0-255)

Биты 0 - 5: номер сектора (1-63)

Биты 6 и 7: ст.биты номера цилиндра

Биты 0 - 7: мл.биты номера цилиндра

04h

1

Тип

раздела

00h - раздел не используется

01h - MS DOS 2.X с 12-битовой FAT

04h - MS DOS 3.X с 16-битовой FAT

05h - MS DOS 3.30 Extended-раздел

06h - MS DOS 4.0 и выше с 16-битовой FAT

05h

06h

07h

1

1

1

Конец

раздела

диска

Биты 0 - 7: номер головки (0-255)

Биты 0 - 5: номер сектора (1-63)

Биты 6 и 7: ст. биты номера цилиндра

Биты 0 - 7: мл. биты номера цилиндра

08h

4

Номер

сектора

Количество секторов перед началом раздела

0Ch

4

Размер

раздела

Количество секторов в разделе

Программа MBR при своем выполнении анализирует содержимое поля "Признак загрузки" каждого элемента и по коду 80h находит загружаемый(активный) раздел. Затем MBR считывает самый первый сектор этого раздела в память. Этот сектор содержит загрузочную запись (Boot Record - BR), которой главная загрузочная запись передает управление для дальнейшего выполнения загрузки модулей ОС, содержащихся в активном разделе.

Рассмотрим содержимое полей элемента таблицы разделов диска.

Содержимое поля "Признак загрузки" является флагом активного раздела. Коды байтов полей "Начало раздела диска" и "Конец раздела диска" определяют координаты границ раздела на диске. Несколько необычное распределение битов в байтах номеров сектора и цилиндра этих полей объясняется тем, что оно соответствует формату загрузки регистров процессора перед обращением к функции 02h чтения физического сектора диска прерывания 13h BIOS, используемого в программе начальной загрузки.

Код в поле "Тип раздела" указывает, какой именно ОС принадлежит данный раздел. Для MS DOS зарезервированы значения 0,1,4,5,6. Если код равен 1,4 или 6, это означает, что данный раздел используется MS DOS в качестве первичного раздела (Primary Partition), который обычно является загружаемым. В зависимости от того, какой именно код используется для обозначения первичного раздела, меняется одна из характеристик логического диска - размер элемента таблицы размещения файлов. Таблица размещения файлов рассматривается в следующей лабораторной работе.

Значение кода типа раздела, равное 5, обозначает так называемый расширенный раздел (Extended Partition). Использование этого раздела позволяет создать на ЖМД несколько логических дисков, что решает проблему эффективного применения винчестеров большого объема. Для создания логических дисков используются специальные системные утилиты - диск-менеджеры. MS DOS располагает в своем составе утилитой FDISK, позволяющей создать один первичный и один расширенный раздел. Первичный раздел обычно используется как логический диск C:, является активным и из него выполняется загрузка ОС. Расширенный раздел может разбиваться утилитой на логические диски D:,E: и т.д. Он не может быть активным, и, следовательно, невозможно выполнить загрузку ОС с логических дисков, расположенных в этом разделе.

Если поле "Тип раздела" содержит код 05h, то физический сектор, определяемый в поле "Начало раздела диска", является не загрузочным сектором расширенного раздела, а по существу вторичным Master Boot-сектором винчестера. Этот сектор содержит собственную таблицу разделов, называемую таблицей логического диска (Logical Drive Table - LDT). Эта таблица определяет местоположение и размер логического диска, с которым MS DOS обращается как с отдельным физическим диском. Вторичный Master Boot-сектор отличается от основного Master Boot-сектора тем, что он не содержит программы загрузки и имеет в своем составе только два 16-байтных элемента аналогичной структуры, а не четыре, как у Partition Table.

В поле "Тип раздела" первого элемента LDT указывается код 1,4 или 6, а в таком же поле второго элемента таблицы может содержаться код 5 или 0. Если этот код равен 5, то второй элемент LDT определяет вторичный Master Boot-сектор другого логического диска и т.д. В результате LDT всех логических дисков связываются в список (см. рисунок), на начало которого указывает элемент таблицы разделов всего диска с кодом 5 в поле "Тип раздела". Если код типа раздела равен 0, то соответствующий элемент не используется.

 

Каждый логический диск содержит свой Boot-сектор, две копии таблицы размещения файлов (FAT – File Allocation Table), корневой каталог и область данных1).

Для LDT имеется отличие в использовании полей границ логических дисков: если код в поле "Тип раздела" равен 1, 4, 6, границы вычисляются относительно начала расширенного раздела; если этот код равен 5 - то относительно начала физического диска.

Поле элемента таблицы разделов "Номер сектора" хранит число секторов до начала раздела. Оно определяется путем последовательного подсчета секторов, начиная с сектора 1, головки 0, цилиндра 0 физического диска, и увеличения номера сектора на дорожке, затем номера головки и цилиндра.

Число секторов в разделе хранится в 4-байтном поле "Размер раздела". Как и для предыдущего поля, первое слово содержит младшую часть числа, второе - старшую.

MS DOS не предоставляет пользователю средств для непосредственной работы с таблицей разделов диска и главной загрузочной записью. Для обращения к этим системным областям необходимо либо спроектировать свои собственные функции, либо воспользоваться возможностью прямого обращения к самому первому сектору жесткого диска с помощью функции 02h прерывания 13h BIOS, либо использовать средства сервисного программного пакета Norton Utilities и, в частности, утилиту DISKEDIT.

Формат вызова функции 02h прерывания 13h имеет следующий вид:

на входе:

AH = 02h

AL = число читаемых секторов;

CH = номер дорожки;

CL = номер сектора;

DH = номер стороны диска;

DL = физический адрес дисковода (80h для ЖМД);

ES:BX = адрес буфера для данных сектора;

на выходе:

CF = 0, AX = 0000h - функция завершена успешно;

CF = 1, AX = код ошибки - функция завершилась с ошибкой.

В первом секторе на первой стороне нулевой дорожки логического диска и первом секторе на нулевой стороне той же дорожки каждой дискеты размещается так называемая загрузочная запись - Boot Record (BR), которая записывается туда программой форматирования диска. Содержимое первого сектора считывается из активного раздела винчестера программой MBR, после чего программная часть загрузочной записи запускается на выполнение. Помимо программной составляющей в загрузочной записи в ее форматированной области хранятся параметры, описывающие характеристики логического диска или дискеты. Эти параметры объединяются в структуру, называемую блоком параметров BIOS - BIOS Parameter Block (BPB). Формат загрузочного сектора логического диска или дискеты представлен в табл.3.

Таблица 3

Номер

поля

Смещение

Размер,

байт

Содержимое

Примеча-

ние

1

00h

3

Код команды EBxx90 перехода на программу начальной загрузки

Форматированная область сектора

2

03h

8

Имя и версия ОС

 

3

0Bh

51

Расширенный (Extended) блок BPB

 

4

03Eh

448

Программа начальной загрузки

Неформатирован-

ная область сектора

5

1FEh

2

Cигнатура AA55h - признак окон-чания загрузочного сектора

 

Блок BPB для версий MS DOS, начиная с 4.0, имеет структуру, отличающуюся от аналогичной структуры в более ранних версиях. Он состоит из стандартного BPB и дополнительного расширения. Формат расширенного блока BPB приведен в табл.4.

Как обычный, так и расширенный блоки параметров BIOS содержат байт-описатель среды носителя данных (media descriptor). Этот байт служит для идентификации носителя данных и может содержать следующие коды, характеризующие носитель данных по количеству сторон и числу секторов на дорожке: FDh - 2 стороны, 9 секторов; F9h - 2 стороны, 15 секторов (для дискет формата 5.25"); F9h - 2 стороны ,9 секторов и F0h - 2 стороны, 15 секторов (для дискет формата 3.5"); F8h - жесткий диск.