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硬盘的物理结构与磁盘分区原理

电子工程专辑 · 公众号 · · 2020-01-19 16:01

正文

硬盘的物理结构

首先简单认识一下硬盘的物理结构，总体来说，硬盘结构包括：盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份。所有的盘片(一般硬盘里有多个盘片，盘片之间平行)都固定在一个主轴上。在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离很小(所以剧烈震动容易损坏)，磁头连在一个磁头控制器上，统一控制各个磁头的运动。磁头沿盘片的半径方向动作，而盘片则按照指定方向高速旋转，这样磁头就可以到达盘片上的任意位置了。

基本的结构就是这样子的，至于硬盘是如何进行读写的，必须要知道磁盘盘片是如何划分的，否则你只知道磁头在盘片上动来动去。

盘片上涉及的基本概念

整个硬盘上一般有很多的盘片组成，每个盘片如同切西瓜一样被“切”成一块一块的扇面，同时沿着半径的方向被划分成了很多同心圆，就是传说中的磁道，每条磁道被扇面切成很多的扇形区域叫做扇区(扇区是从磁盘读出和写入信息的最小单位，通常大小为512字节)，不同盘片上的同半径磁道组成了柱面，这些都是磁盘物理上的概念，知道便可。

磁盘的容量：磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数。
磁头(head)数：每个盘片一般有上下两面，分别对应1个磁头，共2个磁头
磁道(track)数：磁道是从盘片外圈往内圈编号0磁道，1磁道...，靠近主轴的同心圆用于停靠磁头，不存储数据
柱面(cylinder)数：同磁道数量
扇区(sector)数：每个磁道都别切分成很多扇形区域，每道的扇区数量相同
圆盘(platter)数：就是盘片的数量

硬盘上的数据定位

每个扇区可存储128×2的N次方(N=0.1.2.3)字节的数据(一般为512B)，扇区为数据存储的最小单元，外圈的扇区面积比内圈大，为何存储的数据量相同，这是因为内外圈使用的磁物质密度不同，但现在的硬盘已经采用内外圈同密度物质来存储数据了，以减少类似“大面积小数据”的浪费情况。(此时的内外磁道的扇区数量将不同，具体细节省略)　　CHS模式：有了扇区(sector)，有了柱面(cylinder)，有了磁头(head)，显然可以定位数据了，这就是数据定位(寻址)方式之一，CHS(也称3D)，对早期的磁盘(上图所示)非常有效，知道用哪个磁头，读取哪个柱面上的第几扇区就OK了。

CHS模式支持的硬盘容量有限，用8bit来存储磁头地址，用10bit来存储柱面地址，用6bit来存储扇区地址，而一个扇区共有512Byte，这样使用CHS寻址一块硬盘最大容量为256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)(若按1MB=1000000B来算就是8.4GB)

LBA编址方式：但现在很多硬盘采用同密度盘片，意味着内外磁道上的扇区数量不同，扇区数量增加，容量增加，3D很难定位寻址，新的寻址模式：LBA(Logical Block Addressing)。在LBA地址中，地址不再表示实际硬盘的实际物理地址(柱面、磁头和扇区)。

LBA编址方式将CHS这种三维寻址方式转变为一维的线性寻址，它把硬盘所有的物理扇区的C/H/S编号通过一定的规则转变为一线性的编号，系统效率得到大大提高，避免了烦琐的磁头/柱面/扇区的寻址方式。在访问硬盘时，由硬盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。LBA下的编号，扇区编号是从0开始。

逻辑扇区号LBA的公式：LBA(逻辑扇区号)=磁头数 × 每磁道扇区数 × 当前所在柱面号 + 每磁道扇区数 × 当前所在磁头号 + 当前所在扇区号 – 1。

例如：CHS=0/0/1，则根据公式LBA=255 × 63 × 0 + 63 × 0 + 1 – 1= 0，也就是说物理0柱面0磁头1扇区，是逻辑0扇区。

磁盘分区原理

装过系统的人都知道必须要分区后才能安装系统，形象点的说比如windows里C:、D:之类的东西。如果你要问硬盘为什么要分区，首先从使用习惯上来讲，我们不希望数据杂乱无章堆积在一起，其次如果不分区，如何才能在一块硬盘上使用不同的文件系统(下面讲到)呢，学院派的说法是：数据安全和性能考虑。

分区

先要说硬盘中最最重要的第一扇区，因为整块硬盘的重要信息都在这里：

MBR(Master Boot Record 主启动记录)：开机引导程序就在安装在此，占用446byte，MBR是如何工作的呢，不用深究，反正就是系统开始时会主动读取数据的地方，这样才能引导进行操作系统的启动。
DPT(Disk Partition table 硬盘分区表)：记录硬盘上的分区元信息，占用64byte，DPT要仔细的讲讲，分区的大致意思就如同抢地盘，不过人家比较规矩，按照柱面(最小的分区单位)分配，比如第一个分区从柱面1-200，第二个分区201-500，但三个分区501-1000...(省略并非可以无限分配下去哦)。

为啥说不能一直分配下去呢，技术柱面数量足够，因为上面说到硬盘分区表只有64个字节，每条分区记录需要占用16字节，最多只能分4个，疑问在此：我的电脑怎么分了5个(c\d\e\f\g)?

其实这里说的4个分区是所谓的主分区，为了能支持很多分区引入了扩展分区的概念，也就是说，可以使用DPT中一条记录来记录扩展分区的信息，然后在扩展分区中再继续划分逻辑分区，而逻辑分区的分区信息则记录在扩展分区的第一个扇区中，如此则可以像链表一样划分出很多分区来。但注意，一个分区表中可以有1~4条主分区，但是最多只能有1个扩展分区

分区表之间是如何关联的?分区表是一个单向链表，第一个分区表，也就是位于硬盘第一个扇区中的DPT，可以有一项记录扩展分区的起始位置柱面，类似于指针的概念，指向扩展分区，根据这项记录我们可以找到扩展分区的某柱面0磁头1扇区(CHS)，而这个扇区中又存放了第二个分区表，第二个分区表第一项记录一般表述了当前所在的逻辑分区的起始/终止柱面，第二项记录表述了下一个逻辑分区所在的0磁头1扇区(CHS)，第三、第四项记录不存任何信息。

请看下图，主引导记录/分区表所在的是硬盘第一个分区，基本分区1、基本分2、基本分区3都是主分区、扩展分区内有2个逻辑分区，每个逻辑分区的第一个扇区都是分区表。

引导加载程序

分区后的系统启动，之前提到MBR中安装的引导加载程序，他的作用是什么?

提供开机菜单选项：可以供用户选择启动哪个操作系统，这是多重引导功能。
加载操作系统内核：每个操作系统都有自己的内核，需要引导程序来加载
转交给其他引导程序：可以将工作移交给其他引导程序来进行上述操作。

其实引导加载程序除了可以安装在MBR中，还可以直接安装在每个分区的引导扇区(DBR)中，注意下，每个分区(主分区、逻辑分区)都有一个自己的启动扇区，专门用来安装引导加载程序，如上图表3。

系统启动过程

首先，BIOS启动后，读取硬盘第一个扇区MBR中的引导加载程序(可能是windows或者linux的grub)。
MBR中的引导程序提供开机菜单，你可以选择1)直接加载windows 内核 2)将工作转交给windows 分区内的引导扇区中的加载程序，让他自己去加载内核 3)转交给linux分区内引导扇区，让他去加载linux。
根据用户选择的选项和引导加载程序中记录的分区，到分区表找对应的分区柱面号等分区信息，启动内核或者分区加载程序。

Window安装时默认会自动将MBR和windows所在分区的引导扇区都装上引导程序，而不会提供任何选项给用户选择，因此如果之前装过其他操作系统，然后再另外装一个windows时，会把公用的MBR覆盖掉，如此，原来的操作系统就无法启动了。

如果先装windows，然后装linux，linux 会覆盖MBR，然后让用户选择是否将windows等其他操作系统的启动项添加进来，如果你选择了添加进来，那么你在开机时就会有两个选项让用户进行选择了。

文件系统

文件系统也是很大很复杂的话题，我们仍然以比较通俗、粗颗粒度来讲解，试想一下，我们的文件如何对应到磁盘的扇区上呢，所以光有底层的概念磁道扇区是没有用的，需要更加抽象的数据类型或结构来抽象底层的细节。

文件系统是一套实现了数据的存储、分级组织、访问和获取等操作的抽象数据类型(Abstract data type)。　　文件系统是一种用于向用户提供底层数据访问的机制。它将设备中的空间划分为特定大小的块(扇区)，一般每块512字节。数据存储在这些块中，大小被修正为占用整数个块。由文件系统软件来负责将这些块组织为文件和目录，并记录哪些块被分配给了哪个文件，以及哪些块没有被使用。

不过，文件系统并不一定只在特定存储设备上出现。它是数据的组织者和提供者，至于它的底层，可以是磁盘，也可以是其它动态生成数据的设备(比如网络设备)。

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