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Linux操作系统系列之硬盘结构解析

   1. 硬盘物理结构

  现代硬盘(非固态硬盘SSD)通常由一个或多个圆形盘片组成,每个盘片都是两面存储的(还记得以前的软盘有双面双密之说),通过机械臂上的磁头进行数据读写操作。一个硬盘的参数通常称之为 3D 参数 (Disk Geometry),即柱面数(Cylinder)、磁头数(Head)和扇区数(Sector)。

  磁头: 磁头固定在可移动的机械臂上,用于读写数据。现代硬盘都是双面可读写,因此磁头数量等于盘片数的 2 倍。磁头数最大值为 255 (8 个二进制位)。

  磁道: 每个盘面都有 n 个同心圆组成,每个同心圆称之为一个磁道。由外向内分为 0 磁道到 n 磁道。

  柱面: n 个盘面的相同磁道 (位置相同) 共同组成一个柱面。柱面数最大为 1023 (10 个二进制位)。

  扇区: 从磁盘中心向外画直线,可以将磁道划分为若干个弧段。每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区。扇区是硬盘的最小组成单元,通常是 512 字节。磁道上的扇区数最大为 63 (6 个二进制位)。

  在老式硬盘中,尽管磁道周长不同,但每个磁道上的扇区数是相等的,越往圆心扇区弧段越短,但其存储密度越高。不过这种方式显然比较浪费空间,因此现代硬盘则改为等密度结构,这意味着外围磁道上的扇区数量要大于内圈的磁道,寻址方式也改为以扇区为单位的线性寻址。为了兼容老式的 3D 寻址方式,现代硬盘控制器中都有一个地址翻译器将 3D 寻址参数翻译为线性参数。

  硬盘的存储容量公式:

  存储容量 = 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

  3D 寻址参数:

  ×× 磁道(柱面),×× 磁头,×× 扇区

  我们注意到 Linux 的分区是按柱面来划分的。

yuhen@yuhen-desktop:~$ sudo fdisk -l /dev/sda
[sudo] password for yuhen:

Disk /dev/sda: 8589 MB, 8589934592 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 1044 cylinders
Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes
Disk identifier: 0x000f31e8

Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/sda1 * 1 993 7976241 83 Linux
/dev/sda2 994 1044 409657+ 5 Extended
/dev/sda5 994 1044 409626 82 Linux swap / Solaris

  2. 引导区信息

  硬盘的第一个扇区被称之为 Boot Sector。由 MBR (MasterBoot Record)、DPT (Disk Partition Table) 和 Boot Record ID 三部分组成。

  MBR 又称作主引导记录,占用 Boot Sector 的前 446 个字节(0 ~ 0x1BD)。存放系统主引导程序,负责从活动分区中装载并运行系统引导程序。

  DPT 即主分区表,占用 64 个字节 (0x1BE ~ 0x1FD),记录了磁盘的基本分区信息。主分区表分为四个分区项,每项 16 字节,分别记录了每个主分区的信息 (因此最多可以有 4 个主分区)。

  Boot Record ID 即引导区标记,占用两个字节 (0x1FE ~ 0x1FF)。对于合法引导区,它等于 0xAA55,这是判别引导区是否合法的标志。

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