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一张图了解磁盘里的数据结构

电脑磁盘

有了文件系统,使我们对文件的访问变得很容易,不用考虑文件到底存在哪里,怎么存的,不过适当了解一下底层文件存储还是有帮助的。我们知道文件不仅仅能够存储在磁盘上,还可以存储在光盘等设备上,对于存储在硬盘上的,对于不同的硬盘内部存储介质,如磁性盘面、闪存(SSD固态硬盘存储介质)存储结构也是不同的;对于同样的存储介质的磁盘,不同的文件系统,如NTFS、FAT、ext等,底层存储也是有所区别的,下面仅仅对整体逻辑上的结构做一简单介绍。

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先来看下图,我花了一下午时间画的,后面就要围绕这张图来展开的。

数据结构

点击可放大

 

不要被上面的图吓到,我来一点点的解释。

先来整体上看一下,上面图是我电脑的磁盘,按照LBA寻址,把所有的扇区按照从左到右,依次排开,最左边为第一块扇区,最右边是最后一块扇区,所有数据信息就存储在里面。从左到右分为了几部分:Start Sections–>Partition1(系统保留分区)–>Partition2(C盘)—>Partition3(D盘)–>Partition4(E盘)–>Partition5(F盘),其中Partition1~3是主分区,Partion4~5是扩展分区上的两个逻辑分区,里面绿色的部分是分区与分区之间的Partition gap,大小为1MB,最后黄色的表示Unpartitional space,没有利用的,也是1MB。下面开始分开逐个来解释一下。

一、Start Sections:

这个开始扇区部分有1MB大小,其中第一个扇区,也是整个磁盘的第一个扇区,位于0柱面0磁头1扇区,也叫做主引导扇区,一共512个字节,分为了三部分:

(1)MBR(446字节):Main Boot Record,主引导记录

如果直接说MBR可能不知道它从何而来,我们从开机来看看,它到底在什么时候起作用的。我们按下电脑的开机按键,就给主板通上了电,上面的bios程序开始运行,对电脑硬件进行检测,然后就需要我们去选择First boot device,我们可以从U盘启动、从光盘启动,当然也可以从硬盘启动,而且很多时候默认的是从硬盘启动。如果我们选择了从硬盘启动,那么bios程序就会读取该设备的第一个扇区的数据,也就是前面512个字节,如果最后两个字节不是以0x55AA结束,那么表示这个设备不可以用来启动;如果是0x55AA,那么表示该设备可以用来启动,bios程序就会有一个jump的操作,跳转到硬盘这一个扇区的代码,把操作交给硬盘,那么跳转的是哪儿呢?就是我们要说的MBR,主引导记录。

MBR中包含了整个硬盘的一些参数和一段引导程序,引导程序就会去DPT磁盘分区表里面去找到底从硬盘的哪个分区去启动(具有激活标志的分区),找到后就把控制权交出去,不过这之前会先检查DPT磁盘分区表是否正确。

(2)DPT(64字节):Disk Partition Table,磁盘分区表

DPT用来记录磁盘到底分了几个分区以及分区的一些信息,磁盘分区有许多好处,比如不同的分区放不同的数据,又或者可以安装多操作系统等等。DPT只有64个字节,分成了四项,分别为第一~四分区表项,图中红色虚线箭头指向的。每个分区表项占16个字节,因此一个磁盘只能分为四个分区,即四个主分区。当然如果想增加更多的分区,其中一个主分区可以当成扩展分区,在扩展分区里面新建逻辑分区。

磁盘分区表的四个分区表项内容格式一致,我们拿出一个分区表项(16字节)看看都包含了什么。

第1个字节:如果为0x80,表示是激活分区,那么前面的MBR引导程序就把控制权给这个分区。四个分区只能有一个是激活的。0x00表示非激活的分区。

第2-4个字节:主分区的第一个扇区的CHS地址,里面有程序代码的。

第5个字节:主分区的类型。例如01表示FAT32,05表示extended(如果一个分区的主分区id号为05,那么它就是一个扩展分区了)等,具体可参看分区类型标志。

第6-8个字节:主分区的最后一个扇区的CHS地址,所以我们改改分区表,也可以修改磁盘分区的大小。

第9-12个字节:该主分区的第一个扇区的逻辑地址LBA。

第13-16个字节:主分区的扇区总数。

我们看到我们上图中,四个分区表项分别对应了三个主分区和一个扩展分区。

(3)其他几个扇区:除了第一个扇区外,1MB空间里面的其他几个扇区就空着了,可能没用,也可能与后面要讲的partition gap功能一致。

二、主分区

我的磁盘分了三个主分区,分别为系统保留、C盘、D盘,我们以C盘为例,看看主分区所占用的扇区,可以分为几部分。

(1)引导扇区:OS Boot Record,主分区的引导记录,有时也叫卷引导记录(Volume boot record)含有一段操作系统的引导程序,如果该分区是激活的,可以通过它来启动本主分区的操作系统。

(2)DATA数据区:存储数据,不同的文件系统,如fat、ntfs还会细分。

三、Partition gap

用Winhex查看磁盘情况,往往会看到分区和分区之间会有Partition gap,so上面的一个解释,可以参看一下,Windows disk partion gap。

四、扩展分区

我的最后一个主分区当做扩展分区,里面有两个逻辑分区E盘和F盘,每一个逻辑分区由几部分组成。

(1)扩展分区表

扩展分区的第一个逻辑分区的第一个扇区,叫做EBR,extended boot record,扩展分区记录,类似于整个磁盘的第一个扇区,但是它没有引导程序,只有一个扩展分区表和0x55AA结束标志,其中扩展分区表由四部分组成。里面的第二项可以找到下一个逻辑分区的位置。

(2)引导扇区:同前。

(3)数据区:同前。

五、Unpartitional space

只有1MB空间,我也不想知道它是干什么了。

作者:吴广磊

End.

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