捋一捋磁盤及分區
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磁盤及分區
溫徹斯特硬盤
今天我們所使用的機械硬盤實質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：磁頭不與盤片接觸，只有不予接觸才可能有著更高的轉速而且磁盤才不易損壞。至于這個名字的來歷，是因為 IBM3340 擁有兩個 30MB 的存儲單元，而當時一種很有名的 “溫徹斯特來福槍” 的口徑和裝藥也恰好包含了兩個數字 “30”;于是這種硬盤的內部代號就被定為 “溫徹斯特”。
我們來看看這種硬盤的結構圖：
來自js王的博客
盤片盤面磁頭
上圖中光盤狀的東西就是盤面，有兩個面叫做盤面，上面分布著磁性介質。每個盤面都有個磁頭，用來讀寫盤面上的數據。
磁道扇區
來自js王的博客
上圖中灰色的圓環就是磁道，磁道上的綠色的一段弧為扇區，扇區是磁盤讀寫的基本單位，通常為512字節。
柱面
來自js王的博客
每個磁道由外向里從 0 編號，不同盤面上編號相同的磁道組成的圓柱稱為磁盤的柱面。
相關計算
硬盤容量
訪問時間
I 尋道時間
將磁頭移動到相應的磁道上所需要的時間。
II 旋轉時間
將目標扇區的第一位移動到磁頭下面所需要的時間，計算時一般平均旋轉時間即旋轉半圈需要的時間。
III 傳送時間
也就是磁盤旋轉讀取數據的時間，一般也取決于旋轉速度。
看幾個經典例題：
尋址
CHS
CHS 即 Cylinder(柱面)、Heads(磁頭)、Sector(扇區)，使用這三個參數來定位一個扇區，柱面參數使磁頭臂移動到某個半徑，磁頭參數確定是哪個盤面上的磁道，扇區參數則確定該磁道上某個扇區的具體位置。
柱面，磁頭一般都是從 0 開始編號，扇區從 1 開始編號。
早期 CHS 這個三元組用 24 位來表示，前 10位 表示柱面，中間 8 位表示磁頭，后面 6 位表示扇區，最大尋址空間為
LBA
LBA(Logical Block Addressing)，邏輯塊地址實際上就是物理地址的轉化，將三元組轉換為一維的線性地址。即 0柱面0磁頭1扇區編址為邏輯0扇區，0柱面0磁頭2扇區編址為邏輯1扇區......
也就是說轉換方式如下：
最后加上 S - 1 是因為 LBA 從 0 開始編號
FAQ
每個磁道的扇區數一樣多嗎?
早期的硬盤每個磁道的扇區數是一樣的，外磁道和內磁道的記錄密度是不等的，外磁道稀疏內磁道密集，這也造成了很多浪費。因此后來出現了 ZBR(Zone Block Record)，采用等密度結構，即外磁道的扇區數多于內磁道的扇區數，如下圖所示：
顯然，因為磁道的扇區數可能不一樣，邏輯地址和物理地址之間的轉換將更加復雜精細，這一部分都是由磁盤控制器來做的，根據各個磁盤的特性設置芯片來具體工作，不需要我們認為操心了解即可。
另外硬盤的旋轉速度一般是保持恒定的，而外磁道的扇區數又要多于內磁道，所以單位時間內掃過的扇區數明顯外磁道是要多于內磁道的，因此外磁道的數據傳輸速度是要快于內磁道的。
扇區
扇區一般由兩部分組成，一部分是頭區域，另一部分是數據區域。數據區域不用多說，就是存儲數據的部分，而頭區域則包括包含驅動器和控制器使用的信息，具體來說就是一些地址標識，缺陷標識以及錯誤檢測和糾正信息。
尋找相應的扇區就是依靠扇區記錄的頭信息來尋找的，期間磁盤控制器需要檢驗這些頭部信息和傳輸數據，需要花費一定時間才能訪問下一個扇區，所以扇區號的物理排列不應是連續的，如果連續的話有可能剛處理完當前扇區，磁頭已經轉到之后的好幾個扇區了，再想處理下一個扇區的話得等待許久。所以磁盤出廠時一般都會做低級格式化，跳躍著將扇區編號，給檢驗傳輸等留出足夠的時間。
扇區、塊/簇、頁
扇區：硬盤最小的讀寫單元
塊/簇：多個扇區組合在一起為一個塊，一般是 個扇區，是操作系統對硬盤讀寫最小單元
頁：操作系統與內存之間操作的最小單元，一般
MBR分區
關于分區前面說過一些，這里再仔細講講。這兒主要講的是傳統的MBR分區。
MBR(Main Boot Record)主引導記錄，它位于整個硬盤的第一個扇區即 0 柱面，0 磁頭，1 扇區(前面說過 CHS 方式以 1 開始編號)。分為三部分：
- 引導程序和一些參數，446 字節
- 分區表 DPT，64 字節
- 結尾標記 0x55 和 0xAA，2字節
分區表
分區表有 4 個表項，每個表項 16 字節，結構如下：
擴展分區
分區表只有 4 個表項，也就是說只能原生支持 4 個分區，現在來說 4 個分區遠遠不夠，于是有了擴展分區。
擴展分區是可選項可有可無，有最多只有一個，為了區分將剩下的三個分區稱為主分區。
擴展分區可以分為多個子擴展分區，子擴展分區就像是一個單獨的硬盤，最開始的扇區為擴展引導扇區 EBR，結構同 MBR，只是分區表只用了兩項，第一項表示該子擴展分區的邏輯分區，第二項表示下一個子擴展分區，其他兩項為 0 。因此擴展分區就像是構建了一個單鏈表，將各個子擴展分區連起來。
關于 MBR，EBR 的分區表項中起始偏移扇區注意以下幾點：
MBR 的分區表項中，起始偏移扇區的基準為 0。
EBR 描述邏輯分區的起始偏移扇區基準為該子擴展分區的地址，也就是上一個子擴展分區中 EBR 記錄的下一個子擴展分區的偏移扇區。
EBR 描述下一個子擴展分區的起始偏移扇區基準為總擴展分區地址，也就是 MBR 中記錄的擴展分區的偏移扇區
來看一看一個硬盤的分區布局圖：
OBR(OS Boot Record)，位于主分區/邏輯分區的第一個扇區，稱為操作系統引導扇區，還記得分區表項中第 0 個字節嗎，如果為 0x80 則說明該分區有 OBR 存在操作系統，能夠引導是為活動分區。
MBR，EBR，OBR 這三個不要弄混淆了，MBR 位于整個磁盤的第一個扇區，里面的分區表描述的是主分區和總擴展分區。而 EBR 位于子擴展分區的第一個扇區，分區表描述的是是邏輯分區和下一個子擴展分區。OBR 位于實際分區的第一個扇區，它是操作系統的引導程序，用來加載操作系統。
FAQ
每個分區最大容量是多少?
分區表項中最后 4 字節表示容量，因為只用了 4 字節來表示總的扇區數，如果每個扇區的容量為 512 字節的話，則每個分區最大容量為：
空閑扇區
分區時不能跨柱面，也就不能跨磁道，而 MBR，EBR 需要占用一個扇區，分區不會與它們處于同一個磁道，因此分區通常會偏移一個磁道的大小，期間這沒用的扇區就是空閑扇區。
GPT分區
傳統的 MBR 分區有許多限制，比如只能支持 4 個主分區，而且每個分區大小不能超過 2TB 等等，所以后來提出了一種新的方案 GPT，它有著以下優點：
- 每個硬盤的分區數分區大小幾乎沒有限制
- 分區表有備份，磁盤首位分別保存了一份相同的分區表
- 關鍵數據結構有循環冗余檢測
- 使用全局標識符(GUID)來標識分區類型
- 每個分區有名稱
使用 GPT 分區的磁盤叫做 GPT 磁盤，其結構布局如下所示：
保護性MBR
位于 LBA0，第 0 個扇區，為了兼容性考慮還是存儲的傳統的 MBR，叫做保護性 MBR，只有一個類型為 0xEE 的分區表項表示該磁盤使用 GPT 分區，保護性 MBR 的主要作用是保護不能識別 GPT 分區的磁盤工具對其進行操作。
分區表頭
位于 LBA1，第 1 個扇區，主要結構如下：
分區表項
位于 LBA2—LBA33 ，結構如下：
各個字節表示什么應該很清楚了，就不具體解釋了，LBA33 之后就是各個具體的分區，然后磁盤最后 33 個扇區是倒著存放的分區表頭和分區表。這就是整個 GPT 磁盤的布局，再回頭去看看整個分區布局圖，應該會很清晰了。
