《鸟哥的Linux私房菜》笔记——03. 磁盘分区

  • Everything is a file.

  • 常见硬件对应于 Linux 下的文件（/dev目录下）

    装置 装置在Linux内的档名
    SCSI/SATA/U盘硬盘机 /dev/sd[a-p]
    U盘 /dev/sd[a-p]（与SATA相同）
    VirtI/O界面 /dev/vd[a-p]（用于虚拟机内）
    软盘机 /dev/fd[0-1]
    打印机 25针: /dev/lp[0-2]; USB: /dev/usb/lp[0-15]
    鼠标 PS2: /dev/psaux; USB: /dev/usb/mouse[0-15]
    CDROM/DVDROM /dev/scd[0-1]（通用）; /dev/sr[0-1]（通用，CentOS较常见）
    当前CDROM/DVDROM /dev/cdrom
    当前的鼠标 /dev/mouse
    磁带机 IDE: /dev/ht0; SATA/SCSI: /dev/st0
    IDE硬盘机 /dev/hd[a-d]（近乎被淘汰）

MBR 分区方式

  • 硬盘的第一个扇区主要记录了两个重要的信息，分别是：

    • 主要启动记录区(Master Boot Record, MBR)：可以安装启动管理程序的地方，有446 bytes
    • 分割表(partition table)：记录整块硬盘分割的状态，有64 bytes

  • 关于磁盘分区表(partition table)：

    • 磁盘分区的最小单位是磁柱。
    • 在分割表所在的64 bytes容量中，总共分为四组记录区，每组记录区记录了该区段的启始与结束的磁柱号码。

  • 假设下面的硬盘文件名为/dev/hda，那么这四个分区的文件名就如下所示：

    • P1: /dev/hda1
    • P2: /dev/hda2
    • P3: /dev/hda3
    • P4: /dev/hda4

  • 以上提到的四个分区指的是主分区，如果需要，可以通过扩展分区来实现：

    • 在上图中，四个主分区记录区仅使用其中两个，P2通过扩展分区，分配出五个逻辑分区。

    • 扩展分配的目的是使用额外的磁区来记录分割信息，扩展分配本身并不能被拿来格式化。

    • 其在Linux系统中文件名如下：

      • P1: /dev/hda1
      • P2: /dev/hda2
      • L1: /dev/hda5
      • L2: /dev/hda6
      • L3: /dev/hda7
      • L4: /dev/hda8
      • L5: /dev/hda9
        其中没有出现/dev/hda3与/dev/hda4，是因为前面四个数字保留给主分区/扩展分区使用。

    • 小总结：

      • 主要分割与扩展分配最多可以有四笔(硬盘的限制)
      • 扩展分配最多只能有一个(操作系统的限制)
      • 逻辑分割是由扩展分配持续切割出来的分割槽；
      • 能够被格式化后，作为数据存取的分割槽为主要分割与逻辑分割。扩展分配无法格式化；
      • 逻辑分割的数量依操作系统而不同，在Linux系统中，IDE硬盘最多有59个逻辑分割(5号到63号)， SATA硬盘则有11个逻辑分割(5号到15号)。

    • 缺点：

      • 操作系统无法识别大于 2.2T 以上的磁盘容量；
      • MBR 仅有一个区块，若被破坏后，无法或很难恢复；
      • 存放 boot loader 的区块仅有 446 bytes，无法容纳较多的代码。

GUID partition table, GPT 分区方式

  • 过去一个扇区大小为512bytes，而目前已经出现了4k的扇区设计。为了兼容于所有的硬盘，在扇区的定义上，大多使用逻辑区块地址（Logical Block Address, LBA）来处理。GPT将硬盘所有区块以此LBA（预设为512bytes）来规划，第一个LBA称为LBA0。

  • 与MBR仅仅使用第一个512bytes来记录不同，GPT使用了34个LBA区块来记录硬盘分割信息，同时整个硬盘的最后33个LBA被用来作为另一个备份。

    • LBA0（MBR兼容区块）：
      与MBR模式类似，也分为两部分，一部分是与之前446bytes相似的区块，存储第一阶段的boot loader程序。但在原本的磁盘分割表记录区中，仅仅放入一个特殊标志分割，以此表明当前为GPT分区方式。
    • LBA1（GPT表头记录）：
      这个部分记录了分割表本身的位置与大小，同时记录了备份用的GPT分割放置的位置，以及校验码（CRC32）。操作系统可以根据校验码判断GPT是否正确，若有错误，则可以取得备份来恢复。
    • LBA2-33（实际记录分割记录信息处）：
      从LBA2区块开始，每个LBA都可以记录4个分割记录，所以在默认情况下，可以记录4*32=128个记录。每一个记录除了记录所需要的标志码与相关记录意外，还分别提供了64bits来记录开始/结束的区块号码。因此对一单一的分区来说，最大容量限制在「264 × 512bytes = 263 × 1Kbytes = 233 × TB = 8 ZB 」

系统启动流程（BIOS + MBR/GPT）

简单的说，整个启动流程到操作系统之前的动作应该是这样的：

  • BIOS：启动主动运行的韧体，会认识第一个可启动的装置；
  • MBR：第一个可启动装置的第一个磁区内的主要启动记录区块，内含启动管理程序；
  • 启动管理程序(boot loader)：一支可读取核心文件来运行的软件；
  • 核心文件：开始操作系统的功能...

关于第二点，如果分区方式为GPT的话，BIOS同样可以在MBR兼容区块（LBA0）读取到boot loader程序，如果boot loader可以识别GPT分区的话，就可以正常启动系统。

由于MBR仅有446 bytes，所以boot loader非常精简，其主要任务是：

  • 提供菜单：使用者可以选择不同的启动项目，这也是多重启动的重要功能！
  • 加载核心文件：直接指向可启动的程序区段来开始操作系统；
  • 转交其他loader：将启动管理功能转交给其他loader负责。

正是因为有第三点的功能，才能实现「多系统」功能。

举例，计算机只有一个硬盘，分为四个分区，其中第一、二分区分别安装了Windows与Linux。如何在启动时选择启动哪个操作系统呢？

假设MBR内安装的是可以同时认识Windows与Linux操作系统的启动管理程序，整个流程就如下图所示：

MBR的启动管理程序提供两个菜单，菜单一(M1)可以直接加载Windows的核心文件来启动； 菜单二(M2)则是将启动管理工作交给第二个分割槽的启动磁区(boot sector)。

当使用者在启动的时候选择菜单二时， 那么整个启动管理工作就会交给第二分割槽的启动管理程序了。 当第二个启动管理程序启动后，该启动管理程序内(上图中)仅有一个启动菜单，因此就能够使用Linux的核心文件来启动。

  • 小总结：
    • 每个分割槽都拥有自己的启动磁区(boot sector)
    • 图中的系统槽为第一及第二分割槽，
    • 实际可启动的核心文件是放置到各分割槽内的！
    • loader只会认识自己的系统槽内的可启动核心文件，以及其他loader而已；
    • loader可直接指向或者是间接将管理权转交给另一个管理程序。

系统启动流程（UEFI + GPT）

事实上，BIOS 并不能识别GPT，其是通过GPT的兼容实现（LBA0）来加载boot loader。同时，BIOS仅仅为16位程序，功能较弱。因此UEFI(Unified Extensible Firmware Interface) 这个可扩展的界面产生。其基本上可以说是一个低级层次的小型操作系统。

比较项目 传统 BIOS UEFI
使用程序语言 汇编语言 C 语言
硬件资源控制 使用中断 (IRQ) 管理; 不可变的内存存取; 不可变得输入/输出存取 使用驱动程序与协定
处理器运行环境 16 位元 CPU 保护模式
扩展方式 通过 IRQ 连接 直接載入驱动程序
第三方厂商支持 较差 较好且可支持多平台
图形化能力 较差 较好
內建简化操作系统前环境 不支持 支持

另外，与BIOS相比，虽然UEFI可以直接读取GPT的分割表，不过最好依然拥有BIOS boot的分区支持（LBA0）。同时为了兼容Windows，并提供其他第三方厂商所使用的UEFI程序存储空间，必须格式化一个vfat的文件系统，大约提供512MB到1G左右的容量，以便让其他UEFI程序执行较为方便。

关于挂载（mount）

  • Linux 的目录树结构

  • 文件系统与目录树的关系
    所谓的「挂载」就是利用一个目录当成进入点，将磁盘分区槽的数据放置在该目录下； 也就是说，进入该目录就可以读取该分区的意思。这个动作我们称为『挂载』，那个进入点的目录我们称为『挂载点』。

上图中假设硬盘分为两个分区，partition 1是挂载到根目录，而partition 2则是挂载到/home这个目录。 这也就是说，当数据放置在/home内的各次目录时，数据是放置到partition 2的，如果不是放在/home底下的目录， 那么数据就会被放置到partition 1。

其实判断某个文件在那个partition底下是很简单的，透过反向追踪即可。以上图来说， 当我想要知道/home/vbird/test这个文件在那个partition时，由test --> vbird --> home --> /，看那个『进入点』先被查到那就是使用的进入点了。 所以test使用的是/home这个进入点而不是/。

posted @ 2017-10-09 14:37  hiwangzi  阅读(1117)  评论(0)  编辑  收藏  举报