Учебно-методический комплекс

Использование устройств памяти. Восстановление информации. Работа с жестким диском ПК.

 

Для того чтобы понять принципы работы программ по восстановлению удаленных файлов, нам необходимо вспомнить основы логической структуры файловой системы FAT32. Мы не будем углубляться в подробности, основное внимание сосредоточим на том, как хранятся файлы на диске.

Файловая система FAT32 имеет иерархическую структуру. Каждый логический диск имеет корневой каталог, в котором описаны файлы и другие каталоги, которые, в свою очередь, также могут описывать файлы и каталоги. Что значит "описаны"? Это означает, что для каждого файла в каталоге хранится отдельная запись - дескриптор, описывающая файл (или другой каталог).

Дескриптор содержит такую информацию, как имя файла, расширение имени файла, дату и время его последней модификации, длину файла, атрибуты (скрытый, системный, только читаемый и т.д.). Кроме того, дескриптор содержит информацию о расположении файла на диске - номер первого кластера, распределенного файлу.

Напомним, что физически информация на диске храниться в секторах, которые для FAT32 имеют размер 512 байт. Сектор - минимальный элемент данных, читаемый с диска или записываемый на диск. Для работы с файлами система FAT32 пользуется элементами данных, называемых кластерами. Кластер - это просто совокупность секторов, имеющих смежные номера. Кластер может состоять из одного сектора (для дискет) или содержать несколько секторов (для жёсткого диска).

Операционная система выделяет для записываемых на диск файлов некоторое количество кластеров, в зависимости от размера файла (если файл маленький(до 512 байт),выделяется один кластер). Где же располагаются кластеры, выделяемые файлу?

Для нового файла распределяются первые найденные свободные кластеры, даже если они расположены в разных местах диска. Для каждого файла FAT32 хранит номера всех занимаемых им кластеров в специальной таблице размещения файлов - FAT (FileAllocationTable). Файловая система создает две копии таблицы FAT, одна из которых -  резервная. Номер первого выделенного файлу кластера хранится в дескрипторе файла, т.е. в каталоге.

Таблица размещения файлов FAT содержит элементы для каждого кластера, имеющегося на диске. Эти элементы могут хранить определенные значения, характеризующие состояние соответствующего кластера. Например, свободный кластер отмечается нулевым значением. В процессе записи на диск нового файла в FAT записываются номера всех кластеров, распределенных данному файлу. Эти номера хранятся в виде односвязного списка.

Такой метод хранения файлов позволяет использовать всё имеющееся на диске свободное место, т.к. если длина записываемого файла больше, чем размеры непрерывных свободных участков, то файл просто расположится в нескольких несмежных участках. Таким образом, при использовании описанного выше метода файл становится фрагментированным - он как бы "размазан" по диску.

Как происходит процесс удаления файла с диска

При удалении файла все кластеры, принадлежащие файлу, помечаются как свободные - в соответствующие элементы FAT записывается нулевое значение. В каталоге первая буква имени файла изменяется на русскую букву "х" (код символа равен Е5). Это означает, что файл удалён. Те кластеры, которые раньше занимал удалённый файл, становятся доступными для записи новых файлов. При этом сам файл не уничтожается физически с диска, ровно, как и вся остальная информация, хранящаяся в его дескрипторе, т. е. при необходимости имеется возможность его восстановления.

Способы восстановления информации

Если файл был удален в Корзину, при этом таблица размещения файлов FAT не претерпевает никаких изменений, то восстановление данных представляется очень легко: достаточно лишь заменить первый символ имени файла на любой поддерживаемый системой FAT32, код которого не равен Е5.

В случае удаления файла “мимо” Корзины, соответствующие элементы FAT заменяются нулями. При этом можно легко найти первый кластер, отводимый файлу. Однако, остальные кластеры могут лежать где угодно на диске. Для восстановления файла необходимо не только найти все принадлежащие файлу кластеры, но и правильно определить прядок их следования.

Следует иметь в виду, что при потере информации из таблицы расположения файлов (FAT), автоматическое или полуавтоматическое восстановление файлов размером более одного кластера различными программами-утилитами носит чисто случайный характер. Они уверенно восстанавливают файлы, если фрагментация на диске отсутствует (если последовательно расположенные кластеры свободны, то они с большой вероятностью принадлежат одному удаленному файлу).

Если файл фрагментирован, то ему назначается требуемое количество близлежащих свободных кластеров. Примерно так операционная система назначает кластеры файлу при его создании. Однако вследствие больших объемов файлов и интенсивной работы по их созданию/удалению в среде Windows (и не только) такое восстановление чаще всего оказывается некорректным.

Для точного восстановления информации необходимо либо восстановить FAT, либо осуществлять восстановление “вручную” поиском и анализом содержимого кластеров на диске с дальнейшей стыковкой кластеров в необходимом порядке.

Устройство жесткого диска

Если снять верхнюю крышку жесткого диска, вы увидите лишь плату электроники и еще одну крышку, под которой находится герметическая зона. Именно в этой гермозоне и расположены основные элементы HDD. Несмотря на распространенное мнение, что гермозона жесткого диска содержит вакуум, это вовсе не так – внутри гермозона заполнена очищенным от пыли сухим воздухом, а в крышке обычно имеется небольшое отверстие с очищающим фильтром, предназначенное для выравнивания давления воздуха внутри гермозоны.

В целом жесткий диск состоит из следующих основных компонентов:

·  Плата электроники - представляет собой интегральную схему, которая осуществляет управление работой жесткого диска и обрабатывает сигналы, полученные со считывающих головок, преобразовывая их в понятные компьютеру сигналы ATA-стандарта. Плата контроллера имеет свой собственный процессор, устройства ПЗУ и ОЗУ, а также микросхему управления двигателем диска.

·  Шпиндельный двигатель - электромотор, управляемый контроллером, который приводит в движение магнитный диск, вращая его со скоростью 5400-10000 оборотов в минуту (показатель скорости бывает разным в различных моделях HDD).

·  Блок магнитных головок - конструкция, которая состоит из микросхемы предварительного усилителя-комутатора (усиливает сигнал, полученный при чтении с диска) и коромысла, на конце пластин которого расположены магнитные головки, при помощи них происходит считывание и запись информации на диск.

· Магнитный диск - главный элемент винчестера, представляет собой пластину круглой формы, сделанную из алюминия или стекла и покрытую тонким слоем ферромагнитного материала, как правило, двуокиси хрома. Именно этот верхний магнитный слой и служит основой для записи данных при помощи магнитной головки. Как правило, в современных жестких дисках находится несколько таких магнитных дисков, называемых «блинами» и расположенных один над другим.

Принцип работы жесткого диска

Что же происходит, когда на жесткий диск компьютера подается питание и он начинает работать? Следуя команде электронного контроллера, двигатель жесткого диска начинает вращаться, приводя тем самым в движение и магнитные диски, которые жестко прикреплены к его оси. Как только скорость вращения шпинделя достигает значения, достаточного для того, чтобы над поверхностью диска образовался постоянный поток воздуха, который не даст считывающейся головке упасть на поверхность накопителя, механизм коромысла начинает двигать считывающие головки, и они зависают над поверхностью диска. При этом расстояние от считывающей головки до магнитного слоя накопителя составляет всего лишь около 10 нанометров, что равно одной миллиардной части метра.

Первым делом при включении жесткого диска происходит считывание с накопителя служебной информации (ее также называют «нулевой дорожкой»), которая содержит сведения о диске и его состоянии. Если сектора со служебной информацией повреждены, то винчестер не будет работать.

Затем начинается непосредственно работа с данными, расположенными на диске. Частицы ферромагнитного материала, которым покрыта поверхность диска, под воздействием магнитной головки условно формируют биты – единицы хранения цифровой информации. Данные на жестком диске распределены по дорожкам, представляющим собой кольцевую область на поверхности одного магнитного диска. Дорожка в свою очередь поделена на одинаковые отрезки, называемые секторами. Таким образом, паря над рабочей поверхностью диска, магнитная головка может посредством изменения магнитного поля осуществлять запись данных строго в определенное место накопителя, а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации по секторам.

Форматирование жесткого диска

Для того, чтобы на жесткий диск можно было наносить данные, его предварительно подвергают процессу форматирования. Также форматирование иногда требуется при переустановке операционной системы, правда во втором случае форматируется не весь диск, а лишь один его логический раздел.

Во время форматирования на диск наносится служебная информация, а также данные о нахождении секторов и треков на поверхности диска. Это необходимо для точного позиционирования магнитных головок при работе с жестким диском.

Характеристики жесткого диска

Современный рынок жестких дисков предлагает на выбор самые разнообразные модели винчестеров, отличающиеся между собой по различным техническим параметрам. Вот основные характеристики, по которым различаются жесткие диски:

·  Интерфейс подключения.Большинство современных жестких дисков подключаются к материнской плате посредством интерфейса SATA, однако встречаются модели и с другими типами подключений: eSATA, FireWire, Thunderbolt и IDE.

·  Емкость. Величина, характеризующая количество информации, способное поместиться на жестком диске. На данный момент наибольшей популярностью пользуются накопители емкостью 500 Гб и 1 Тб.

·  Форм-фактор. Современные жесткие диски выпускают в двух физических размерах: 2,5 дюйма и 3,5 дюйма. Первые предназначены для использования в ноутбуках и компактных версиях ПК, вторые используются в обычных настольных компьютерах.

·  Скорость вращения шпинделя. Чем выше скорость вращения шпинделя жесткого диска, тем быстрее он работает. Основная масса винчестеров на рынке имеют скорость вращения 5400 или 7200 оборотов за минуту, однако встречаются также диски со скоростью вращения шпинделя 10000 об/мин.

· Объем буфера. Для сглаживания разницы в скорости чтения/записи и передачи через интерфейс в жестких дисках используется промежуточная память, именуемая буфером. Объем буфера составляет от 8 до 128 мегабайт.

·   Время произвольного доступа. Это время, которое требуется длявыполнение операции по позиционированию магнитной головки на произвольный участок поверхности жесткого диска. Может составлять от 2,5 до 16 миллисекунд.