Każdy dysk twardy (HDD) lub dysk SSD przechowuje dane w sposób zorganizowany, który pozwala na szybkie ich odczytanie i zapisanie. Choć użytkownik widzi pliki i foldery w postaci przejrzystego interfejsu systemu operacyjnego, dane te są w rzeczywistości zapisywane na dysku jako ciąg zer i jedynek rozmieszczonych w sektorach. W tym artykule omówimy, jak dane są zapisywane na sektorach dysku, czym są sektory i bloki, a także jak system operacyjny identyfikuje początek i koniec pliku.

Czym są sektory na dysku?

Sektor to podstawowa jednostka przechowywania danych na dyskach twardych oraz SSD. Na poziomie fizycznym sektor jest obszarem pamięci na talerzu magnetycznym (w przypadku HDD) lub w komórkach pamięci NAND (w przypadku SSD), w którym można zapisać określoną ilość danych. W tradycyjnych dyskach HDD rozmiar jednego sektora wynosił 512 bajtów, jednak wraz z rozwojem technologii zaczęto stosować sektory o wielkości 4096 bajtów (4K), co zwiększa efektywność zapisu.

Każdy sektor jest oznaczony unikalnym adresem, który umożliwia kontrolerowi dysku szybkie odnalezienie i odczytanie zapisanych danych. Adres sektora jest określany przez trzy parametry:

1. Cylinder – odpowiada za określenie ścieżki na talerzu dysku.
2. Głowica – wskazuje, która głowica odczytująca ma być użyta.
3. Sektor – określa dokładne miejsce na ścieżce, gdzie znajdują się dane.

Zapisywanie danych na sektorach

Gdy użytkownik zapisuje plik na dysku, system operacyjny dzieli go na mniejsze fragmenty, które są następnie zapisywane w sektorach. Ponieważ rozmiar plików jest zwykle większy niż pojedynczy sektor, plik jest zapisywany jako ciąg sektorów, które mogą znajdować się w różnych miejscach na dysku. Aby umożliwić późniejsze odczytanie pliku w całości, system operacyjny przechowuje informacje o tym, w których sektorach znajdują się kolejne fragmenty danych.

Plik zapisany na dysku składa się z następujących elementów:

• Nagłówek pliku (File Header) – zawiera metadane pliku, takie jak jego nazwa, rozmiar, data utworzenia oraz adres pierwszego sektora, w którym plik jest zapisany.
• Treść pliku – rzeczywista zawartość pliku, czyli dane użytkownika, zapisane w sektorach.
• Znacznik końca pliku (EOF – End of File) – specjalny znacznik oznaczający, że dany fragment danych jest ostatnim fragmentem pliku.

Jak system operacyjny identyfikuje początek i koniec pliku?

Podczas zapisu pliku system operacyjny zapisuje jego metadane w strukturze systemu plików. System plików, taki jak FAT32, NTFS czy ext4, przechowuje informacje o tym, w których sektorach znajdują się poszczególne fragmenty pliku oraz jak je połączyć, aby uzyskać pełną treść. Podstawowe elementy tej struktury to:

1. Tablica alokacji plików
   W systemie plików FAT32 tablica alokacji plików (FAT) przechowuje adresy sektorów, w których znajduje się każdy fragment pliku. System operacyjny, odczytując FAT wie, gdzie zaczyna się plik, a następnie przechodzi do kolejnych sektorów, aż napotka znacznik końca pliku (EOF).
2. Master File Table (MFT)
   W systemie plików NTFS każdy plik ma przypisany wpis w Master File Table (MFT), który zawiera szczegółowe informacje o lokalizacji pliku, jego atrybutach oraz adresach wszystkich sektorów zajmowanych przez plik.
3. Znacznik początku i końca pliku
   Znacznik początku pliku to adres pierwszego sektora, w którym znajduje się fragment pliku. Znacznik końca pliku (EOF) to specjalna wartość umieszczana w ostatnim sektorze pliku, która informuje system, że dany plik został w całości zapisany.

Fragmentacja plików – jak wpływa na zapis danych?

W idealnej sytuacji plik jest zapisywany w sektorach ułożonych obok siebie, co pozwala na szybki odczyt i zapis. W rzeczywistości jednak na dysku może brakować wystarczającej ilości ciągłego wolnego miejsca, co prowadzi do fragmentacji plików. Fragmentacja oznacza, że plik jest zapisany w wielu nieciągłych sektorach, co może obniżać wydajność odczytu, zwłaszcza w przypadku dysków HDD.

Systemy plików, takie jak NTFS, stosują różne mechanizmy minimalizujące fragmentację, a użytkownik może korzystać z narzędzi do defragmentacji dysku, które łączą rozproszone fragmenty plików w jednym ciągu sektorów.

W przypadku dysków SSD fragmentacja nie ma dużego znaczenia (a nawet jest szkodliwa), ponieważ dostęp do danych odbywa się elektronicznie, a nie mechanicznie, jak w HDD.

Zarządzanie wolnym miejscem i usuwanie plików

Gdy plik zostaje usunięty z dysku HDD przez użytkownika, system operacyjny nie usuwa od razu jego zawartości z sektorów. Zamiast tego oznacza odpowiednie sektory jako wolne, umożliwiając zapis nowych danych. Do czasu nadpisania tych sektorów dane pliku pozostają fizycznie na dysku, co pozwala na ich odzyskanie za pomocą specjalistycznego oprogramowania.

W przypadku dysków SSD stosowana jest dodatkowa funkcja TRIM, która informuje kontroler dysku o zbędnych danych, pozwalając na ich natychmiastowe usunięcie i przygotowanie miejsca na nowe dane. Funkcja ta zwiększa wydajność i trwałość SSD, ale jednocześnie utrudnia odzyskiwanie usuniętych plików

             Zapisywanie danych na sektorach dysku to złożony proces, w którym podstawową rolę odgrywają struktury systemu plików oraz kontroler dysku. Dane są dzielone na mniejsze fragmenty, zapisywane w sektorach, a następnie scalane podczas odczytu dzięki informacjom o początku i końcu pliku przechowywanym w metadanych.

Właściwa interpretacja jak działa zapis sektorów, bloków oraz znaczenia takich elementów jak tablica alokacji plików czy Master File Table pozwala lepiej zrozumieć, jak działa pamięć masowa w komputerach. Choć dla użytkownika plik jest po prostu jednym spójnym bytem widocznym w systemie operacyjnym, dla dysku jest to seria rozproszonych fragmentów danych, które muszą być właściwie zarządzane, aby zapewnić szybkość, niezawodność i bezpieczeństwo przechowywanych informacji.