操作系统学习十---硬盘

　硬盘

　　

 

　　硬盘如上图所示，包括：

1. 盘片:类似光盘中的一个圆盘，上面布满了磁性介质。

2. 扇区:扇区是硬盘读写的基本单位，它在磁道上均匀分布，与磁头和磁道不同，扇区从 1 开始编号。扇区的大小字节数=256×N。 N为自然数。通常取 N 为 2，因此扇区大小为 512 字节。

3. 磁道: 盘片上的一个个同心圈就是磁道，它是扇区的载体，每一个磁道由外向里从 0开始编号。同一盘片上的每一个磁道上都由扇区组成，即磁道其实是一圈扇区。磁盘上的磁道数取决于制作工艺。离圆心近的磁道与最外圄的磁道周长肯定不一致，那这两种磁道上的扇区数一样吗?答案是:老硬盘是一样的，新式硬盘中已经改进了，外圈磁道会容纳更多的扇区，在新硬盘中有个地址转换器来兼容老硬盘的扇区寻址， 因此依然可以认为硬盘中每个磁道上的扇区数一样多。
4. 磁头：用来读盘片上的数据。一个盘片分为上下两个面，各面都有一个磁头，因此一个盘片包括两个磁头，磁头号就表示盘面，平时所说的盘面号就是磁头号。虽然单个盘片的容量不断在增长，但其潜力毕竟是有限的。为了实现大容量，硬盘中必须由多个盘片来组成。既然有多个盘片，两个磁头就自然不够用了，肯定要有盘片× 2 个磁头，磁头编号由上到下从 0 开始。
5. 柱面 :硬盘是整个计算机系统中很大的瓶颈了，如何才能让硬盘的读写更快，工程师们想到了并行写入的方式。这个并行就是指多个磁头同时写入。也就是通常我们在写一个文件时，是由多个磁头同时写入到不同的盘面中编号位置相同的磁道上，采用并行的方式，读写速度是单盘的(磁头数)倍。这些由不同盘面上的编号相同的磁道(这些编号相同的同心圆大小一致)从上到下所组成的圆柱体的回转面就称为柱 面，因此柱面的大小等于盘面数(磁头数〉乘以每磁道扇区数。既然一组编号相同的磁道是柱面，而且柱 面上的所有磁道号都相同，所以磁道号就称为柱面号。
6. 分区:是由多个编号连续的柱面组成的，因此分区在物理上的表现是由某段范围内的所有柱面组成的通心环，并不是像“饼图”那种逻辑表示，当然若整个硬盘只有 1 个分区，那这个分区就是个所有柱面组成的圆柱体。分区不能跨柱面，也就是同一个柱面不能包含两个分区，一个柱面只属于一个分区，分区的起始和终止都落在完整的柱面上，并不会出现多个分区共享同一柱面的情况，这就是所谓的“分区粒度”。 因此，分区大小等于“每柱面上的扇区数”乘以“柱面数”，这就是我们实际分区时，键入的大小往往与实际大小不同的原因，分区大小总会是“每柱面上的扇区数”的整数倍，也就是会以柱面向上取整。

 

　分区表

　　分区是逻辑上划分磁盘空间的方式，归根结底是人为的将硬盘上的柱面扇区划分成不同的分组，每个分组都是单独的分区。各分区都有“描述符”来描述分区本身所在硬盘上的起止界限等信息，在硬盘的 MBR 中有个 64字节“固定大小”的数据结构，这就是著名的分区表，分区表中的每个表项就是一个分区的“描述符”，表项大小是 16 字节，因此 64 字节的分区表总共可容纳 4 个表项，这就是为什么硬盘仅支持 4个分区的原因。

　　在这个“描述符”中有个属性是文件系统 id，它表示文件系统的类型， 为支持更多的分区，专门增加一种 id属性值(id为 5)，用来表示该分区可被再次划分出更多的子分区，这就是逻辑分区。因为只是在分区表项中通过属性来判断分区类型，所以这 4 个分区中的任意一个都可以作为扩展分区。扩展分区是可选项，有没有都行，但最多只有 1 个， 1 个扩展分区在理论上可被划分出任意多的子扩展分区，因此 1 个扩展分区足够了。硬盘本来没有扩展分区的概念，为了突破 4 个分区的限制才提出了扩展分区，为了区别这一概念，将剩下的 3 个区称为主分区。

　　发明扩展分区的目的是为了支持任意数量的分区，但具体划分出多少分区，完全是由用户决定的，所以，扩展分区是种抽象、不具实体的分区，它类似于一种“宣告”， 告诉大家此分区需要再被划分出子分区，也就是所谓的逻辑分区，逻辑分区才可以像其他主分区那样使用。 因此，逻辑分区只存在于扩展分区，它属于扩展分区的子集。

　　综上所述，分区表中共 4个分区，哪个做扩展分区都可以，扩展分区是可选的，但最多只有 1 个，其余的都是主分区。在过去没有扩展分区时，这 4 个分区都是主分区，为了兼容 4 个主分区的情况，扩展分区中的第 1 个逻辑分区的编号从 5 开始。

 

　　最初的磁盘分区表位于 MBR 引导扇区中，MBR (Main Boot Record)即主引导记录，它是一段引导程序，其所在的扇区称为主引导扇区，该扇区位于 0 盘 0 道 1 扇区(物理扇区编号从 1 开始，逻辑扇区地址 LBA 从 0 开始)，也就是硬盘最开始的扇区，扇区大小为 512 宇节，这 512 字节内容由三部分组成。

• 主引导记录MBR
• 磁盘分区表 DPT
• 结束魔数 55AA，表示此扇区为主引导扇区，里面包含控制程序

 

　　MBR 引导程序位于主引导扇区中偏移 0~Ox1BD 的空间，共计 446 字节大小，这其中包括硬盘参数及部分指令(由 BIOS 跳入执行)，它是由分区工具产生的，独立于任何操作系统。

　　磁盘分区表位于主引导扇区中偏移 Ox1BE ~ Ox1FD 的空间，总共 64 字节大小，每个分区表项是 16字节，因此磁盘分区表最大支持 4 个分区 。

　　魔数 55AA 作为主引导扇区的有效标志，位于扇区偏移 Ox1FE~Ox1FF，也就是最后 2 个字节。

 

　扩展分区结构

　　扩展分区中包含多少个逻辑分区，扩展分区的分区表中就该有多少表项，可是任何时候新事物的发展都要把“向上兼容”当成头等大事，它既要兼容此固定长度为 4 个分区的分区表，又要突破固定分区数的限制，这似乎有点为难，该怎样设计扩展分区的分区表呢? 一个两全其美的方案是视这个扩展分区为总扩展分区，将它划分成多个子扩展分区，每个子扩展分区“在逻辑上”相当于硬盘，因此每个子扩展分区都可以有 1 个分区表。这样一来，各个分区表的长度依然固定为 4，但是允许有无限多个分区表，分区 表项多了，自然支持的分区数就多了。如何将这些分区表组织到一起呢?扩展分区表采用链式结构，将所有子扩展分区的分区表串在一起，形成可容纳无限个分区表的单向链表。链表是要有结点的，这里的每个分区表就是结点，一般的链表结点除了包括数据外，还必须要包括下一个结点的地址，分区表也采用了这种结构，其表项就分为两部分， 一部分是描述逻辑分区的信息，另一部分是描述下一个子扩展分区的地址。

　　要想使用分区，就离不开分区表，逻辑分区也是分区，为了使用它，也需要有元信息来描述它的范围、 边界、类型等信息，因此在子扩展分区中也要有分区表来描述这些逻辑分区。分区表本身也要在子扩展分区中占磁盘空间，因此实际情况是每个子扩展分区的空间并不是只有逻辑分区，在每个子扩展分区中最开始的扇区(此扇区称为 EBR 引导扇区，马上要介绍它)用于存储此子扩展分区中的分区表， 此扇区中的内容也是前 446 字节是引导程序，中间 64 字节是分区表，后 2 字节是 0x55 和 0xAA，您看， 它同 MBR 引导扇区的结构相同。紧随其后的是空闲的一部分扇区，其余剩下的大部分扇区才被用作存储数据的分区，即逻辑分区。

　　扩展分区被划分出多个子扩展分区，每个子扩展分区都有自己的分区表，所以子扩展分区在逻辑上相当于单独的硬盘，各分区表在各个子扩展分区最开始的扇区中，该扇区同 MBR 引导扇区结构相同，由于是经扩展分区划分出来的，所以它们称为 EBR，即扩展引导记录。MBR 只有 1 个， EBR 理论上有无限个， MBR 和 EBR 所在的扇区统称为引导扇区，它们的结构是相同的， MBR 中有的 EBR 中 也有。

　　每一个逻辑分区所在的子扩展分区都有一个与 MBR 结构相同的 EBR, EBR 中分区表的第一分区表项用来描述所包含的逻辑分区的元信息，第二分区表项用来描述下一个子扩展分区的地址，第三、四表项未用到。位于 EBR 中的分区表相当于链表中的结点，第一个分区表项存的是分区数据，第二个分区表项存的是后继分区的指针。

　　这两个分区表项都是指向一个分区的起始，起始地址都是个扇区地址，只不过第一个分区表项指向的是该逻辑分区最开始的扇区，此扇区称为操作系统引导扇区，即 OBR 引导扇区 。第二个分区表项指向下一个子扩展分区的 EBR 引导扇区。

 

　　同样结构的分区表项是如何存储不同类型分区数据的？如下分区表项结构：

 

 

　　活动分区标记是给 MBR 或其他需要移交 CPU 使用权的程序看 的，它们通过此位来判断该分区的引导扇区中是否有可执行的程序，也就是引导程序，这个引导程序通常是操作系统内核加载器，故此引导程序通常被称为操作系统引导记录，即 OBR (OS Boot Record)。 如果 MBR 发现该分区表项的活动分区标记为 0x80，这就表示该分区的引导扇区中有引导程序(这是 MBR 与 分区工具或操作系统约定好的)， MBR 就将 CPU 使用权交给此引导程序， 如果此引导程序是操作系统或其加载器，此时操作系统便掌握了 CPU使用权，也就是大家平时所说的加载内核。这里一直说的“分区引导扇区”是位于分区最开始的扇区，是分区引导程序所在的扇区，由于此引导程序通常都是操作系统内核加载器，故此扇区被称为操作系统引导扇区，也就是 OBR 所在的扇区，即 OBR 引导扇区。注意啦， OBR 引导扇区并不是 EBR 或 MBR 引导扇区，它们虽然都包含引导程序，并且都以 0x55 和 0xAA结束，但它们最大的区别是分区表只包含在 MBR 和 EBR 中， OBR 中可没有分区表。 MBR 和 EBR 所在的扇区不属于分区范围之内，它们是由分区工具创建并管理的，因此不归操作系统管理，操作系统不可以随意往里面写数据，尽管操作系统有能力这样做。而 OBR 引导扇区是分区中最开始的扇区，归操作系统的文件系统管理， 因此操作系统通常往 OBR 引导扇区中添加内核加载器的代码，供 MBR 调用以实现操作系统自举，总之 OBR 引导扇区中绝不包括分区表。

　　重点关注“分区起始偏移扇区”和“分区容量扇区数”。 “分区起始偏移扇区”是个相对量，它表示各分区的起始扇区地址是相对于某“基准”的偏移扇区数，各分区的绝对扇区 LBA 地址=“基准”的绝对扇区起始 LBA 地址+各分区的起始偏移扇区，这个“基 准”是指分区所依赖的上层对象，或者说是创建该分区的父对象。

 

　　下图是一个典型的硬盘分区结构：