硬盤邏輯結構簡介

一. 硬盤邏輯結構簡介

1. 硬盤參數(shù)釋疑
到目前為止, 人們常說的硬盤參數(shù)還是古老的 CHS(Cylinder/Head/Sector)參數(shù). 那么為什么要使用這些參數(shù),它們的意義是什么?它們的取值范圍是什么?很久以前, 硬盤的容量還非常小的時候,人們采用與軟盤類似的結構生產(chǎn)硬盤. 也就是硬盤盤片的每一條磁道都具有相同的扇區(qū)數(shù).由此產(chǎn)生了所謂的3D 參數(shù) (Disk Geometry). 既磁頭數(shù)(Heads), 柱面數(shù)(Cylinders),扇區(qū)數(shù)(Sectors),以及相應的尋址方式.
其中:磁頭數(shù)(Heads)表示硬盤總共有幾個磁頭,也就是有幾面盤片, 最大為 255 (用 8 個二進制位存儲);柱面數(shù)(Cylinders) 表示硬盤每一面盤片上有幾條磁道,最大為 1023(用 10 個二進制位存儲);扇區(qū)數(shù)(Sectors) 表示每一條磁道上有幾個扇區(qū), 最大為 63(用 6 個二進制位存儲).每個扇區(qū)一般是 512 個字節(jié), 理論上講這不是必須的,但好象沒有取別的值的.所以磁盤最大容量為:
255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 8024 GB ( 1M =1048576 Bytes )或硬盤廠商常用的單位:
255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8414 GB ( 1M =1000000 Bytes )在 CHS 尋址方式中, 磁頭, 柱面, 扇區(qū)的取值范圍分別為 0 到 Heads - 1,0 到 Cylinders - 1, 1 到Sectors (注意是從 1 開始).

2. 基本 Int 13H 調(diào)用簡介
BIOS Int 13H 調(diào)用是 BIOS 提供的磁盤基本輸入輸出中斷調(diào)用, 它可以完成磁盤(包括硬盤和軟盤)的復位, 讀寫, 校驗, 定位, 診斷,格式化等功能.它使用的就是 CHS 尋址方式, 因此最大識能訪問 8 GB左右的硬盤 (本文中如不作特殊說明, 均以 1M = 1048576 字節(jié)為單位).

3. 現(xiàn)代硬盤結構簡介
在老式硬盤中, 由于每個磁道的扇區(qū)數(shù)相等,所以外道的記錄密度要遠低于內(nèi)道, 因此會浪費很多磁盤空間 (與軟盤一樣). 為了解決這一問題,進一步提高硬盤容量, 人們改用等密度結構生產(chǎn)硬盤. 也就是說,外圈磁道的扇區(qū)比內(nèi)圈磁道多. 采用這種結構后, 硬盤不再具有實際的3D 參數(shù),尋址方式也改為線性尋址, 即以扇區(qū)為單位進行尋址.為了與使用3D 尋址的老軟件兼容 (如使用BIOSInt13H 接口的軟件), 在硬盤控制器內(nèi)部安裝了一個地址翻譯器,由它負責將老式3D 參數(shù)翻譯成新的線性參數(shù). 這也是為什么現(xiàn)在硬盤的3D 參數(shù)可以有多種選擇的原因(不同的工作模式, 對應不同的3D 參數(shù), 如 LBA, LARGE, NORMAL).

4. 擴展 Int 13H 簡介
雖然現(xiàn)代硬盤都已經(jīng)采用了線性尋址, 但是由于基本 Int13H 的制約, 使用 BIOS Int 13H 接口的程序, 如 DOS 等還只能訪問 8 G 以內(nèi)的硬盤空間.為了打破這一限制, Microsoft 等幾家公司制定了擴展Int 13H 標準(Extended Int13H), 采用線性尋址方式存取硬盤, 所以突破了 8 G 的限制,而且還加入了對可拆卸介質(zhì) (如活動硬盤) 的支持.

二. Boot Sector 結構簡介
1. Boot Sector 的組成
Boot Sector 也就是硬盤的第一個扇區(qū), 它由 MBR (MasterBoot Record),DPT (Disk Partition Table)和 Boot Record ID 三部分組成.MBR 又稱作主引導記錄占用 Boot Sector 的前 446 個字節(jié)( 0 to 0x1BD ),存放系統(tǒng)主引導程序 (它負責從活動分區(qū)中裝載并運行系統(tǒng)引導程序).DPT 即主分區(qū)表占用 64 個字節(jié) (0x1BE to 0x1FD),記錄了磁盤的基本分區(qū)信息. 主分區(qū)表分為四個分區(qū)項, 每項 16 字節(jié),分別記錄了每個主分區(qū)的信息(因此最多可以有四個主分區(qū)).Boot Record ID 即引導區(qū)標記占用兩個字節(jié) (0x1FE and0x1FF), 對于合法引導區(qū), 它等于 0xAA55,這是判別引導區(qū)是否合法的標志.
Boot Sector 的具體結構如下圖所示:

2. 分區(qū)表結構簡介
分區(qū)表由四個分區(qū)項構成, 每一項的結構如下:
BYTE State : 分區(qū)狀態(tài), 0 =未激活, 0x80 = 激活 (注意此項)
BYTE StartHead : 分區(qū)起始磁頭號
WORD StartSC : 分區(qū)起始扇區(qū)和柱面號,底字節(jié)的低6 位為扇區(qū)號,
高2 位為柱面號的第 9,10 位, 高字節(jié)為柱面號的低 8 位
BYTE Type : 分區(qū)類型, 如0x0B = FAT32, 0x83 = Linux 等,
00 表示此項未用,07 = NTFS
BYTE EndHead : 分區(qū)結束磁頭號
WORD EndSC :分區(qū)結束扇區(qū)和柱面號, 定義同前
DWORD Relative :在線性尋址方式下的分區(qū)相對扇區(qū)地址
(對于基本分區(qū)即為絕對地址)
DWORD Sectors : 分區(qū)大小 (總扇區(qū)數(shù))
注意: 在 DOS / Windows 系統(tǒng)下,基本分區(qū)必須以柱面為單位劃分( Sectors * Heads 個扇區(qū)), 如對于 CHS 為 764/255/63 的硬盤,分區(qū)的最小尺寸為 255 * 63 * 512 / 1048576 = 7.844 MB.

3. 擴展分區(qū)簡介
由于主分區(qū)表中只能分四個分區(qū), 無法滿足需求,因此設計了一種擴展分區(qū)格式. 基本上說, 擴展分區(qū)的信息是以鏈表形式存放的,但也有一些特別的地方.首先, 主分區(qū)表中要有一個基本擴展分區(qū)項,所有擴展分區(qū)都隸屬于它,也就是說其他所有擴展分區(qū)的空間都必須包括在這個基本擴展分區(qū)中.對于DOS /Windows 來說, 擴展分區(qū)的類型為 0x05. 除基本擴展分區(qū)以外的其他所有擴展分區(qū)則以鏈表的形式級聯(lián)存放, 后一個擴展分區(qū)的數(shù)據(jù)項記錄在前一個擴展分區(qū)的分區(qū)表中,但兩個擴展分區(qū)的空間并不重疊.擴展分區(qū)類似于一個完整的硬盤, 必須進一步分區(qū)才能使用.但每個擴展分區(qū)中只能存在一個其他分區(qū). 此分區(qū)在 DOS/Windows 環(huán)境中即為邏輯盤.因此每一個擴展分區(qū)的分區(qū)表(同樣存儲在擴展分區(qū)的第一個扇區(qū)中)中最多只能有兩個分區(qū)數(shù)據(jù)項(包括下一個擴展分區(qū)的數(shù)據(jù)項).