捋一捋磁盤及分區(qū)
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「Rand」，作者Rand。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系Rand公眾號(hào)。
磁盤及分區(qū)
溫徹斯特硬盤
今天我們所使用的機(jī)械硬盤實(shí)質(zhì)上都是溫徹斯特硬盤，最早是在 1973 年由 IBM 研制的一種新型硬盤 IBM 3340。它使用了一種了不起的技術(shù)：磁頭不與盤片接觸，只有不予接觸才可能有著更高的轉(zhuǎn)速而且磁盤才不易損壞。至于這個(gè)名字的來(lái)歷，是因?yàn)?IBM3340 擁有兩個(gè) 30MB 的存儲(chǔ)單元，而當(dāng)時(shí)一種很有名的 “溫徹斯特來(lái)福槍” 的口徑和裝藥也恰好包含了兩個(gè)數(shù)字 “30”;于是這種硬盤的內(nèi)部代號(hào)就被定為 “溫徹斯特”。
我們來(lái)看看這種硬盤的結(jié)構(gòu)圖：
來(lái)自js王的博客
盤片盤面磁頭
上圖中光盤狀的東西就是盤面，有兩個(gè)面叫做盤面，上面分布著磁性介質(zhì)。每個(gè)盤面都有個(gè)磁頭，用來(lái)讀寫盤面上的數(shù)據(jù)。
磁道扇區(qū)
來(lái)自js王的博客
上圖中灰色的圓環(huán)就是磁道，磁道上的綠色的一段弧為扇區(qū)，扇區(qū)是磁盤讀寫的基本單位，通常為512字節(jié)。
柱面
來(lái)自js王的博客
每個(gè)磁道由外向里從 0 編號(hào)，不同盤面上編號(hào)相同的磁道組成的圓柱稱為磁盤的柱面。
相關(guān)計(jì)算
硬盤容量
訪問(wèn)時(shí)間
I 尋道時(shí)間
將磁頭移動(dòng)到相應(yīng)的磁道上所需要的時(shí)間。
II 旋轉(zhuǎn)時(shí)間
將目標(biāo)扇區(qū)的第一位移動(dòng)到磁頭下面所需要的時(shí)間，計(jì)算時(shí)一般平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間即旋轉(zhuǎn)半圈需要的時(shí)間。
III 傳送時(shí)間
也就是磁盤旋轉(zhuǎn)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間，一般也取決于旋轉(zhuǎn)速度。
看幾個(gè)經(jīng)典例題：
尋址
CHS
CHS 即 Cylinder(柱面)、Heads(磁頭)、Sector(扇區(qū))，使用這三個(gè)參數(shù)來(lái)定位一個(gè)扇區(qū)，柱面參數(shù)使磁頭臂移動(dòng)到某個(gè)半徑，磁頭參數(shù)確定是哪個(gè)盤面上的磁道，扇區(qū)參數(shù)則確定該磁道上某個(gè)扇區(qū)的具體位置。
柱面，磁頭一般都是從 0 開始編號(hào)，扇區(qū)從 1 開始編號(hào)。
早期 CHS 這個(gè)三元組用 24 位來(lái)表示，前 10位 表示柱面，中間 8 位表示磁頭，后面 6 位表示扇區(qū)，最大尋址空間為
LBA
LBA(Logical Block Addressing)，邏輯塊地址實(shí)際上就是物理地址的轉(zhuǎn)化，將三元組轉(zhuǎn)換為一維的線性地址。即 0柱面0磁頭1扇區(qū)編址為邏輯0扇區(qū)，0柱面0磁頭2扇區(qū)編址為邏輯1扇區(qū)......
也就是說(shuō)轉(zhuǎn)換方式如下：
最后加上 S - 1 是因?yàn)?LBA 從 0 開始編號(hào)
FAQ
每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)一樣多嗎?
早期的硬盤每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)是一樣的，外磁道和內(nèi)磁道的記錄密度是不等的，外磁道稀疏內(nèi)磁道密集，這也造成了很多浪費(fèi)。因此后來(lái)出現(xiàn)了 ZBR(Zone Block Record)，采用等密度結(jié)構(gòu)，即外磁道的扇區(qū)數(shù)多于內(nèi)磁道的扇區(qū)數(shù)，如下圖所示：
顯然，因?yàn)榇诺赖纳葏^(qū)數(shù)可能不一樣，邏輯地址和物理地址之間的轉(zhuǎn)換將更加復(fù)雜精細(xì)，這一部分都是由磁盤控制器來(lái)做的，根據(jù)各個(gè)磁盤的特性設(shè)置芯片來(lái)具體工作，不需要我們認(rèn)為操心了解即可。
另外硬盤的旋轉(zhuǎn)速度一般是保持恒定的，而外磁道的扇區(qū)數(shù)又要多于內(nèi)磁道，所以單位時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的扇區(qū)數(shù)明顯外磁道是要多于內(nèi)磁道的，因此外磁道的數(shù)據(jù)傳輸速度是要快于內(nèi)磁道的。
扇區(qū)
扇區(qū)一般由兩部分組成，一部分是頭區(qū)域，另一部分是數(shù)據(jù)區(qū)域。數(shù)據(jù)區(qū)域不用多說(shuō)，就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的部分，而頭區(qū)域則包括包含驅(qū)動(dòng)器和控制器使用的信息，具體來(lái)說(shuō)就是一些地址標(biāo)識(shí)，缺陷標(biāo)識(shí)以及錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正信息。
尋找相應(yīng)的扇區(qū)就是依靠扇區(qū)記錄的頭信息來(lái)尋找的，期間磁盤控制器需要檢驗(yàn)這些頭部信息和傳輸數(shù)據(jù)，需要花費(fèi)一定時(shí)間才能訪問(wèn)下一個(gè)扇區(qū)，所以扇區(qū)號(hào)的物理排列不應(yīng)是連續(xù)的，如果連續(xù)的話有可能剛處理完當(dāng)前扇區(qū)，磁頭已經(jīng)轉(zhuǎn)到之后的好幾個(gè)扇區(qū)了，再想處理下一個(gè)扇區(qū)的話得等待許久。所以磁盤出廠時(shí)一般都會(huì)做低級(jí)格式化，跳躍著將扇區(qū)編號(hào)，給檢驗(yàn)傳輸?shù)攘舫鲎銐虻臅r(shí)間。
扇區(qū)、塊/簇、頁(yè)
扇區(qū)：硬盤最小的讀寫單元
塊/簇：多個(gè)扇區(qū)組合在一起為一個(gè)塊，一般是 個(gè)扇區(qū)，是操作系統(tǒng)對(duì)硬盤讀寫最小單元
頁(yè)：操作系統(tǒng)與內(nèi)存之間操作的最小單元，一般
MBR分區(qū)
關(guān)于分區(qū)前面說(shuō)過(guò)一些，這里再仔細(xì)講講。這兒主要講的是傳統(tǒng)的MBR分區(qū)。
MBR(Main Boot Record)主引導(dǎo)記錄，它位于整個(gè)硬盤的第一個(gè)扇區(qū)即 0 柱面，0 磁頭，1 扇區(qū)(前面說(shuō)過(guò) CHS 方式以 1 開始編號(hào))。分為三部分：
- 引導(dǎo)程序和一些參數(shù)，446 字節(jié)
- 分區(qū)表 DPT，64 字節(jié)
- 結(jié)尾標(biāo)記 0x55 和 0xAA，2字節(jié)
分區(qū)表
分區(qū)表有 4 個(gè)表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng) 16 字節(jié)，結(jié)構(gòu)如下：
擴(kuò)展分區(qū)
分區(qū)表只有 4 個(gè)表項(xiàng)，也就是說(shuō)只能原生支持 4 個(gè)分區(qū)，現(xiàn)在來(lái)說(shuō) 4 個(gè)分區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，于是有了擴(kuò)展分區(qū)。
擴(kuò)展分區(qū)是可選項(xiàng)可有可無(wú)，有最多只有一個(gè)，為了區(qū)分將剩下的三個(gè)分區(qū)稱為主分區(qū)。
擴(kuò)展分區(qū)可以分為多個(gè)子擴(kuò)展分區(qū)，子擴(kuò)展分區(qū)就像是一個(gè)單獨(dú)的硬盤，最開始的扇區(qū)為擴(kuò)展引導(dǎo)扇區(qū) EBR，結(jié)構(gòu)同 MBR，只是分區(qū)表只用了兩項(xiàng)，第一項(xiàng)表示該子擴(kuò)展分區(qū)的邏輯分區(qū)，第二項(xiàng)表示下一個(gè)子擴(kuò)展分區(qū)，其他兩項(xiàng)為 0 。因此擴(kuò)展分區(qū)就像是構(gòu)建了一個(gè)單鏈表，將各個(gè)子擴(kuò)展分區(qū)連起來(lái)。
關(guān)于 MBR，EBR 的分區(qū)表項(xiàng)中起始偏移扇區(qū)注意以下幾點(diǎn)：
MBR 的分區(qū)表項(xiàng)中，起始偏移扇區(qū)的基準(zhǔn)為 0。
EBR 描述邏輯分區(qū)的起始偏移扇區(qū)基準(zhǔn)為該子擴(kuò)展分區(qū)的地址，也就是上一個(gè)子擴(kuò)展分區(qū)中 EBR 記錄的下一個(gè)子擴(kuò)展分區(qū)的偏移扇區(qū)。
EBR 描述下一個(gè)子擴(kuò)展分區(qū)的起始偏移扇區(qū)基準(zhǔn)為總擴(kuò)展分區(qū)地址，也就是 MBR 中記錄的擴(kuò)展分區(qū)的偏移扇區(qū)
來(lái)看一看一個(gè)硬盤的分區(qū)布局圖：
OBR(OS Boot Record)，位于主分區(qū)/邏輯分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，稱為操作系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)，還記得分區(qū)表項(xiàng)中第 0 個(gè)字節(jié)嗎，如果為 0x80 則說(shuō)明該分區(qū)有 OBR 存在操作系統(tǒng)，能夠引導(dǎo)是為活動(dòng)分區(qū)。
MBR，EBR，OBR 這三個(gè)不要弄混淆了，MBR 位于整個(gè)磁盤的第一個(gè)扇區(qū)，里面的分區(qū)表描述的是主分區(qū)和總擴(kuò)展分區(qū)。而 EBR 位于子擴(kuò)展分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，分區(qū)表描述的是是邏輯分區(qū)和下一個(gè)子擴(kuò)展分區(qū)。OBR 位于實(shí)際分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，它是操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，用來(lái)加載操作系統(tǒng)。
FAQ
每個(gè)分區(qū)最大容量是多少?
分區(qū)表項(xiàng)中最后 4 字節(jié)表示容量，因?yàn)橹挥昧?4 字節(jié)來(lái)表示總的扇區(qū)數(shù)，如果每個(gè)扇區(qū)的容量為 512 字節(jié)的話，則每個(gè)分區(qū)最大容量為：
空閑扇區(qū)
分區(qū)時(shí)不能跨柱面，也就不能跨磁道，而 MBR，EBR 需要占用一個(gè)扇區(qū)，分區(qū)不會(huì)與它們處于同一個(gè)磁道，因此分區(qū)通常會(huì)偏移一個(gè)磁道的大小，期間這沒(méi)用的扇區(qū)就是空閑扇區(qū)。
GPT分區(qū)
傳統(tǒng)的 MBR 分區(qū)有許多限制，比如只能支持 4 個(gè)主分區(qū)，而且每個(gè)分區(qū)大小不能超過(guò) 2TB 等等，所以后來(lái)提出了一種新的方案 GPT，它有著以下優(yōu)點(diǎn)：
- 每個(gè)硬盤的分區(qū)數(shù)分區(qū)大小幾乎沒(méi)有限制
- 分區(qū)表有備份，磁盤首位分別保存了一份相同的分區(qū)表
- 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有循環(huán)冗余檢測(cè)
- 使用全局標(biāo)識(shí)符(GUID)來(lái)標(biāo)識(shí)分區(qū)類型
- 每個(gè)分區(qū)有名稱
使用 GPT 分區(qū)的磁盤叫做 GPT 磁盤，其結(jié)構(gòu)布局如下所示：
保護(hù)性MBR
位于 LBA0，第 0 個(gè)扇區(qū)，為了兼容性考慮還是存儲(chǔ)的傳統(tǒng)的 MBR，叫做保護(hù)性 MBR，只有一個(gè)類型為 0xEE 的分區(qū)表項(xiàng)表示該磁盤使用 GPT 分區(qū)，保護(hù)性 MBR 的主要作用是保護(hù)不能識(shí)別 GPT 分區(qū)的磁盤工具對(duì)其進(jìn)行操作。
分區(qū)表頭
位于 LBA1，第 1 個(gè)扇區(qū)，主要結(jié)構(gòu)如下：
分區(qū)表項(xiàng)
位于 LBA2—LBA33 ，結(jié)構(gòu)如下：
各個(gè)字節(jié)表示什么應(yīng)該很清楚了，就不具體解釋了，LBA33 之后就是各個(gè)具體的分區(qū)，然后磁盤最后 33 個(gè)扇區(qū)是倒著存放的分區(qū)表頭和分區(qū)表。這就是整個(gè) GPT 磁盤的布局，再回頭去看看整個(gè)分區(qū)布局圖，應(yīng)該會(huì)很清晰了。
