4000 文件系统基础知识之磁盘

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 磁盘的物理结构

    一个磁盘驱动器两个主要的移动部件；一个是磁盘片组合（disk assembly） ，另一个是磁头组合（head assembly）。磁盘片组合由一个或多个圆盘（platter）组成，它们围绕着一根中心主轴旋转。圆盘的上表面和下表面涂覆了一薄层磁性材料，二进制位被存储在这些磁性材料上。其中，0和1在磁材料中表现为不同的模式。       

    磁盘被组织成磁道（track），磁道是单个盘片上的同心圆。所有盘面上半径相同的磁道构成了柱面（cylinder），从磁盘的顶视图可以看到，磁道占据大部分盘面，最靠近主轴的区域除外。沿着磁道的数据密度大于沿着半径的数据密度。在2008年，一个典型的磁盘上每英寸有大约100 000个磁道，但是沿着磁道每英寸能够存储100万个二进制位。 



   

    磁道被组织成扇区（sector）。扇区是被间隙(gap)分割的圆的片段，间隙未被磁化为0或1 

    虽然图片中显示每一个磁道有相同的扇区数，但实际上，每个磁道的扇区数通常是不同的，靠外圈磁道的扇区数比靠内圈磁道的扇区数多。就读写磁盘而论，扇区是不可分割的单位；就磁盘错误而论，它也是一个不可分割的单位。倘若一部分磁化层被以某种方式损坏，以至于它不再能存储信息，那么那些包含这个部分的整个扇区也不能再使用。间隙大约占整个磁道的10%，用于帮助标识扇区的起点。通常，在磁盘与主存之间所传输数据的逻辑单元称为块，其由一个或多个扇区所组成。 

    第二个可移动部件是磁头组合，它承载着磁头。每一个盘面有一个磁头，它极其贴近地悬浮在盘面上，但是绝对不与盘面接触（否则就要发生“头损毁”，盘片被破坏）。磁头读出经过它下面的盘面的磁方向，也能改变其磁方向，以便在磁盘上写信息。每个磁头被固定在一个磁头臂上，所有盘面的磁头随着磁头臂一同移进移出，磁头臂是固定的磁头组合的一部分。 

    很显然，计算整个磁盘的容量的算法是：盘面数X磁道数X扇区数X扇区字节数

                                磁盘的逻辑结构

要组织磁盘上存储的数据，使得可以方便的存储和访问，就要实现数据的定位。数据的定位主要有两种方式：CHS地址和LBA线性地址。

CHS地址

    早期硬盘存储空间采用3维地址结构描述：

    C＝Cylinder（柱面。若干盘体重叠，相同的磁道（track上）构成的一个立面体）

    H＝Head（磁头。一张盘有两面（side），每面一个磁头）

    S＝Sector（扇区。盘体上的圆形轨迹为磁道，把磁道等分为若干存储区域）

    磁盘的容量＝柱面总数×磁头总数×每道扇区总数×每扇区容量（512byte）

LBA地址

    LBA是逻辑块地址的简称，它是一种线性地址结构，它其实是由CHS计算的扇区编号顺序编址，即0柱0面1扇区为LBA 0扇区。现在的硬盘厂家为了保持兼容性，仍然提供了虚拟的CHS参数，可在BIOS设置中看到。对硬盘的数据访问是靠系统调用INT 13H中断程序实现的，它将欲访问的数据地址传递给硬盘接口电路（ATA接口）完成读写操作。

528MB的限制：早期的硬盘的CHS参数被限制为：磁头数最大16，柱面数最大1024，扇区最大63，每扇区字节数为512字节。因此1024×16×63×512B≈528MB。

8GB容量限制：将柱面数增加到16384，其他不变，共计24bit，则硬盘容量最大为：16384×16×63×512B≈8.4GB。

32GB容量限制：硬盘采用了虚拟CHS值，使得柱面数为65535，其他不变，共计26bit，这样，磁盘的总容量最大为： 65535×16×63×512B≈32GB。  

137G  容量限制：由于普遍使用了LBA寻址模式和虚拟CHS参数，将扇区数进一步增加为255，共计28位，将其乘积作为LBA值。这样系统使用28位的LBA参数，约计137GB。

                                   磁盘的存储结构

    刚刚从厂商处购来的新硬盘既无任何数据，也不能写入任何数据，必须先进行低级格式化，FDISK 分区，FORMAT 高级格式化后方可使用。对硬盘的这一系列初始化工作，称之为硬盘准备。过程如下：低级格式化---------------FDISK 分区-------------------FORMAT 高级格式化。 

（1）低级格式化：磁盘为了达到随机存取的目的，需要在磁盘上划分出磁道，然后又在磁道划分出扇区，每个扇区以扇区间隙、同步引导字节和扇区编号作为扇区的起始，然后才是扇区的内容，后面还有校验标记。计算机就是凭借这些标记信息来识别扇区的。低级格式化就是在磁道上标上这些标记而已。所以低级格式化的操作实际上仅仅是一个简单的写过程，写的不是数据而是标记。同时低级格式化还会剔出坏磁道。 

（2）FDISK分区：允许整个物理硬盘在逻辑上划分成最多4个主分区（其中可以有一个扩展分区），以实现多个操作系统共享硬盘空间。在建立了扩展分区的前提下，可以将扩展分区划分成一个或多个逻辑分区。在硬盘上建立分区表的同时，FDISK 会把主引导记录MBR 写到硬盘的主引导记录（柱面0，磁头0，扇区1），并激活一个用户指定的主分区。下面要特别介绍一下主引导记录MBR ：  

     MBR 称为硬盘主引导记录。它是在分区时由FDISK 建立在硬盘柱面0，磁头0，扇区1 上的，总共占用512 个字节，包括一小段执行代码(主引导代码)、磁盘特征和硬盘分区表。主引导记录(以及后面介绍的引导扇区)结束的两个字节必须是引导自举标记0x55AA。磁盘特征位于0x01B8, 指定磁盘操作系统。  

     主引导代码实现下列功能:   a. 扫描分区表查找活动分区;  b. 寻找活动分区的起始扇区; c. 将活动分区的引导扇区读到内存; d. 执行引导扇区的运行代码。 如果主引导代码未完成这些功能, 系统会显示下列的错误信息之一: Invalid partition table, Error loading operating system, Missing operating system.  

     主引导记录MBR 由4 个部分组成：a.主引导程序（偏移地址0000H~0088H），它负责从活动分区中装载并运行系统引导程序；b.出错信息数据区(偏移地址0089~00E1 为出错信息，10E2H~10BD 全为0 字节)； c.分区表(DPT,Disk Partition Table，含4 个分区项，偏移地址01BEH~01FDH,每个分区表项长16 个字节,共64 字节)，即主分区和扩展分区的信息；d.结束标志(偏移地址01EFH~01FFH ),这两个字节值为结束标志55AA,如果该标志错误系统就不能启动.  

     注意：硬盘的引导记录是不属于任何一个操作系统的，它先于所有的操作系统而被调入内存并发挥作用，然后才将控制权交给主分区内的操作系统，并让主分区信息表来管理硬盘。





（3）高级格式化：  

     这一步之前的所有操作，都是与具体的文件系统没有任何关系的，从现在开始，才涉及到具体的文件系统，换句话说，高级格式化是与我们要建立的文件系统相关的，因此我们调用高级格式化命令时，文件类型是必须提供的参数之一。

     在DOS/WINDOWS系统中，用FORMAT对指定分区进行高级格式化，将分区空间划分逻辑扇区，生成DOS 引导扇区（即逻辑0 扇区）DBR，文件分配表FAT 和根文件目录表FDT。        

       在LINUX系统中，需要使用mkfs命令将分区进行格式化，建立想要的文件系统，如EXT2，EXT3,等。

经过以上三步后，磁盘的存储结构看起来如下图所示：