計算機那些事(1)——硬盤

原文連接

硬盤接口

常見的硬盤接口有：IDE 、SATA、SAS、USB、SCSI，其中 SATA 是目前的主流接口，IDE 則幾乎再也不使用。

設備文件

計算機的各類硬件設備在 Linux 中都有對應的設備文件，甚至不一樣的接口也對應着不一樣的設備文件，從而使用不一樣的驅動程序來操做硬件設備。對於硬盤，實體設備的文件名通常是 /dev/sd[a-]；虛擬設備（虛擬機中的硬盤）的文件名通常是 /dev/vd[a-]。

有時，系統中會有 /dev/sda、/dev/sdb...等設備文件，它們之間又是什麼關係呢？實際上，/dev/sd[a-] 是 SATA/USB/SAS 等硬盤接口對應的設備文件，這類接口都使用 SCSI 模塊做爲驅動程序。a、b、c...則是按系統檢測到的順序來排列的，與實際插槽順序無關。

咱們知道硬盤是能夠被分區成多個分區（partition），如在 Windows 中能夠將一塊硬盤分區成 C:、D:、E: 盤。那麼，不一樣的分區是否也有對應的設備文件呢？

硬盤結構

提到分區，咱們須要先了解一下硬盤的結構。不一樣尋址方式的硬盤，其結構也不一樣。硬盤的尋址方式主要有兩種：

• CHS 尋址方式：由柱面數（Cylinders）、磁頭數（Headers）、扇區數（Sectors）組成 3D 參數，簡稱 CHS 尋址方式，硬盤容量相對較小。如傳統的機械硬盤（Hard Disk Drive，HDD）。
• LBA 尋址方式：線性尋址，以邏輯區塊爲單位進行尋址，全稱爲 Logic Block Address（即扇區的邏輯塊地址），硬盤容量相對較大。如固態硬盤（Solid State Disk，SSD）

CHS 尋址方式

以下圖所爲 CHS 尋址方式的硬盤結構，硬盤主要由盤片、機械手臂、磁頭、主軸馬達組成。盤片是數據存儲的媒介，圓形，經過機械手臂讀寫數據，盤片須要轉動纔可以讓機械手臂讀寫。所以，能夠將盤片同心圓分割成一個個的小區塊，這些區塊組成一個圓形，可讓機械手臂的磁頭進行讀寫。這個小區塊就是硬盤的最小物理存儲單位，即 扇區（sector）。位於同一個同心圓上的扇區組成的圓環，即 磁道（track）。硬盤中可能包含多個盤片，在全部盤片上的同一個磁道組成了所謂的 柱面（cylinder），柱面是文件系統的最小單位，也是分區的最小單位。

LBA 尋址方式

LBA 尋址方式的硬盤使用集成電路代替物理旋轉磁盤，主要由主控與閃存芯片組成。數據的讀寫速度遠遠高於 CHS 尋址方式的硬盤。

硬盤分區

瞭解了硬盤結構，再來看硬盤分區。

關於硬盤分區，首先思考一個問題：爲何要分區？其實主要有兩個緣由：

1. 數據的安全性。因爲每一個分區的數據是獨立的，使得數據更加安全。
2. 訪存的高效性。對於 CHS 尋址方式的硬盤，因爲分區將數據集中在某個柱面的區段，如第一個分區位於柱面號 1~100。當須要對該分區進行訪存時，硬盤只會在 1~100 柱面範圍內進行操做，從而提高了數據的訪存性能。

既然硬盤能被分區，那麼其分區信息是如何保存的呢？答案就是分區表。可是對於不一樣尋址方式的硬盤，其分區表的格式也不一樣，主要有兩種：

• MBR 分區表：多用於 CHS 尋址方式的硬盤
• GUID 分區表：多用於 LBA 尋址方式的硬盤

分區表有存儲在哪裏呢？和絕大多數文件將自身的基本描述信息放在文件的開頭相似，分區表做爲硬盤的基本信息，一樣保存在硬盤最前面的存儲區域。

下面分別介紹 MBR 分區表和 GUID 分區表。

MBR 分區表

MBR 分區表保存在硬盤的 第一個扇區，因爲第一個扇區主要記錄了兩個重要信息，也稱爲 主引導記錄區（Master Boot Record，MBR）。這兩個信息分別是：

• MBR 分區表：記錄整個硬盤的分區信息，容量爲 64 Bytes。
• 引導程序（Boot Loader）：容量爲 446 Bytes。

MBR 分區表

分區表佔據了 MBR 64 Bytes 的空間，最多隻能記錄 4 組分區信息，每組分區信息記錄了該分區的 起始與結束的柱面號，這 4 組分區信息稱爲 主要分區（primary partition） 或 延伸分區（extended partition）。

假設上述硬盤的設備文件名爲 /dev/sda，則這四個分區在 Linux 中的設備文件名以下所示，重點在於文件名後面會再接一個數字，這個數字與分區在硬盤中的位置有關。

• P1：/dev/sda1
• P2：/dev/sda2
• P3：/dev/sda3
• P4：/dev/sda4

因爲分區表只有 64 Bytes，最多隻能記錄 4 組分區信息，那麼是否意味着一個硬盤最多隻能分割成 4 個分區呢？固然不是！雖然第一個扇區的分區表只能記錄 4 組分區信息，可是利用其中的延伸分區信息進一步索引到一個新的分區表，從而記錄更多分區信息。以下圖所示：

上圖所示，硬盤第一個扇區中的四個分區記錄僅僅使用了兩個，P1 爲 主要分區，P2 爲 延伸分區。延伸分區的目的是使用額外的扇區來記錄分區信息。經過延伸分區所指向的那個區塊繼續記錄分區信息。上圖延伸分區索引的分區表繼續分出了 5 個分區，這 5 個有延伸分區分出來的分區，稱爲 邏輯分區（logical partition）。

同理，上圖中的分區在 Linux 中的設備文件名以下所示。其中的 /dev/sda3 和 /dev/sda4 則保留給主要分區和延伸分區了，因此邏輯分區的設備文件名從 5 開始。

• P1：/dev/sda1
• P2：/dev/sda2
• L1：/dev/sda5
• L2：/dev/sda6
• L3：/dev/sda7
• L4：/dev/sda8
• L5：/dev/sda9

MBR 主要分區、延伸分區、邏輯分區的特性

• 主要分區與延伸分區最多能夠有 4 個（硬盤的限制）
• 延伸分區最多隻有一個（操做系統的限制）
• 邏輯分區是由延伸分區持續分割出來的分區
• 主要分區和邏輯分區能夠被格式化；延伸分區不能被格式化
• 邏輯分區的數量上限由操做系統決定

引導程序（Boot Loader）

Boot loader 是操做系統安裝在 MBR 中的一套軟件，但 MRB 僅僅提供 446 Bytes 的空間給 boot loader，因此 boot loader 是極其精簡的。其主要完成如下任務：

1. 提供菜單：用戶能夠選擇不一樣的開機項目
2. 載入核心文件：直接指向可開機的程序區段來啓動操做系統
3. 轉交其餘 loader：將開機管理功能轉交給其餘 loader 負責，主要用於多系統引導。

對於第 3 項，表示計算機系統中可能具備兩個以上的 boot loader。事實上，boot loader 不只能夠安裝在 MBR 中，還能夠安裝在每一個分區的 開機扇區（boot sector） 中。

假設 MBR 中安裝的是能夠識別 Windows/Linux 的 boot loader，那麼整個流程以下圖所示：

由上圖可知，MBR 的 boot loader 提供兩個菜單選項：選項 1（M1）能夠直接載入 Windows 的核心文件進行開機；選項二（M2）能夠將開機管理任務交給第二個分區的開機扇區（boot sector）。若是用戶選擇選項 2，第二分區的開機扇區中的 boot loader 將會載入 Linux 的核心文件進行開機。

關於多系統安裝 Linux 安裝時，能夠將 boot loader 安裝在 MBR 或其餘分區的開機扇區，Linux 的 boot loader 能夠手動設置菜單（即上圖的 M一、M2），所以可在 Linux 的 boot loader 中加入 Windows 開機的選項 Windows 安裝時，其安裝程序會主動覆蓋 MBR 以及本身所在分區的開機扇區，而且沒有選擇的機會，也沒有讓用戶本身選擇的菜單的功能 結論：安裝多系統時應該先安裝 Windows 系統

GUID 分區表

MBR 主要有如下限制：

• 操做系統沒法尋址容量超過 2.2TB 的磁盤
• MBR 只有一個區塊，若被破壞後，很難對數據進行恢復
• MBR 的引導程序所能使用空間只有 446 Byte，沒法容納更多的代碼

GUID 則解決了 MBR 的這些問題。

下圖所示爲 GUID 的結構示意圖。與 MBR 使用扇區做爲尋址單位不一樣，GUID 使用 邏輯區塊（Logical Block） 做爲尋址單位，即採用 LBA（Logical Block Address）尋址方式。MRB 僅使用第一個扇區 512 Bytes 的空間記錄分區信息，GUID 則使用 34 個 LBA 區塊（每一個區塊容量默認爲 512 Bytes）記錄分區信息。MBR 僅有一個扇區保存分區信息，GUID 除了使用硬盤前 34 個 LBA，仍是用最後 33 個 LBA 做爲備份。

這裏有個疑問：爲什麼前面使用 34 個 LBA，後面使用 33 個 LBA。由於第一個 LBA（LBA0）是用來兼容 MBR 的。

LBA0（MBR 兼容區塊）

LBA0 爲了兼容 MBR，該區塊也分爲兩個部分，分別用於存儲 MBR 分區表和引導程序。由於LBA0 是針對 MBR 兼容模式，所以其分區表中僅僅存放一個特殊標誌的分區表信息，用來標識此硬盤爲 LBA 尋址方式。

LBA1（GUID 分區表表頭）

LBA1 記錄了分區表自己的位置和大小，同時記錄了備份分區表的位置（即最後 33 個 LBA）。此外還存放了分區表的校驗碼（CRC32），表示硬盤的完整性。

LBA2~33（分區表表項）

從 LBA2 開始，每一個 LBA 均可以記錄 4 組分區信息。默認狀況下，總共能夠有 4 * 32 = 128 組分區信息。由於每一個 LBA 有 512 Bytes，因此每組分區信息可以使用 128 Bytes 的空間。這 128 Bytes 的分區信息中，分別提供了 64 Bits 用於記錄分區對應的 起始/結束 區塊號。所以，GUID 可以支持的硬盤的最大容量爲 2^64 * 512Byte = 233 TB

參考

1. 硬盤尋址方式
2. SSD固態硬盤的結構和基本工做原理概述
3. 《鳥哥的 Linux 私房菜——基礎學習篇》
4. 《Linux 系統架構和應用技巧》
5. 《Linux 系統架構與目錄解析》