【Linux系統】文件系統（1）——磁盤的基本知識

前言

文件系統是Linux系統的核心，在Linux系統中，一切皆文件。對於開發者而言，編程過程當中一般用到的是文件IO。在open函數打開文件，read函數讀取文件的過程底層原理如何？本文件系統系列文章主要嘗試針對的是這部份內容進行深刻的講解。

文件最終是存儲在磁盤上，文件的存取，最終是讀寫磁盤。所以，在本文章中，將主要介紹磁盤的一些基礎知識。

硬盤的物理結構

硬盤結構概述

其中：

• 每一個盤片有兩面，兩面均可以存儲數據。
• 每一個盤面都有一個磁頭，用於存取數據。
• 全部磁頭都是固定的，一塊兒作物理移動。可是每次只有一個磁頭執行存取數據的任務，選擇使用哪一個磁頭是由系統控制的。磁頭間的切換很是迅速，而磁頭擺動尋道則比較慢。
• 磁頭擺動，找到要讀取數據所在的磁道；盤片經過轉動，將數據「送到」磁頭下。

磁頭數、磁道、柱面、扇區

• 磁頭數： 每一個盤面都有一個磁頭，所以磁頭數 = 盤面數。
• 磁道： 上以盤片軸心爲圓心，不一樣半徑的同心圓稱爲磁道，磁道不是真正肉眼可看見的一道一道「坑」，而是被磁盤上被磁化的區域，磁道之間有必定的間隙，以避免磁道之間磁介質相互影響。
• 扇區： 每一個磁道被等分爲若干個弧段（扇區），每一個扇區能夠存放512個字節的數據。扇區是磁盤驅動器向磁盤讀寫數據的最小單元。
• 柱面： 不一樣盤片半徑相同的磁道組成的一個「柱面」。

CHS編號

所謂硬盤的CHS，即Cylinder（柱面）、Head（磁頭）、Sector（扇區）。每一個柱面、磁頭、扇區都有本身的編號。

磁道編號規則

• 磁頭編號： 從上到下，分別爲磁頭0號，磁頭1號......
• 柱面編號： 最外圈的柱面編號爲0，往裏依次遞增1，2，3.....

扇區編號規則

每一個磁道均可以被分爲若干個扇區，假設有18個扇區，編號依次爲1，... 18。這裏的1...18在一個磁道中是惟一的，但不一樣磁道之間會重複。所以，要肯定一個扇區在硬盤（多個盤片）中的具體位置，則須要結合柱面號/磁頭號/扇區號來肯定——絕對扇區編號，或者是爲整個硬盤的全部扇區分配一個惟一的編號——DOS扇區編號（也稱爲相對扇區編號或邏輯扇區編號）。

• 絕對扇區： 由柱面號/磁頭號/扇區號惟一肯定。
• DOS（Disk Operating System）扇區（邏輯扇區）： 磁盤操做系統爲了管理方便，會將柱面號/磁頭號/扇區號肯定的扇區編號轉換爲易於管理和計算的單一數字編號，稱爲相對扇區編號或邏輯扇區編號。DOS扇區編號是從柱面0/磁頭0/扇區1開始的，編號爲0，依次遞增，即柱面0/磁頭0/扇區18的DOS扇區編號爲18；柱面0/磁頭1/扇區1的DOS扇區編號爲19...。每一個分區的第一個扇區的邏輯扇區編號爲0。

經過CHS計算硬盤容量

硬盤存儲容量＝磁頭數×柱面數×每一個磁道扇區數×每一個扇區字節數

磁盤存儲劃分

第一個扇區存儲的數據

硬盤的第一個扇區（邏輯編號爲0）能夠說是整個硬盤最重要扇區了，它主要存儲兩大信息：

• 主引導分區（Master Boot Record，MBR）： 存放引導加載程序，大小爲446字節。
• 分區表（partition table）： 記錄整塊硬盤分區的狀態，佔64字節。

硬盤分區

分區的最小單位爲柱面（Cylinder），也就是說，分區其實就是指定從第幾個柱面到第幾個柱面屬於哪一個區。

假設硬盤有400個柱面，平均分爲4個區（C、D、E、F盤），則第四個分區F的柱面範圍是第301號到第400號柱面。

分區表中，記錄的就是就是每一個分區的起始柱面號和結束柱面號。由於分區表只有64字節，所以最多隻能容納4個分區的記錄（硬盤默認），要想分更多的去，則須要經過擴展分區來建立邏輯分區。

開機流程

1. 加載BIOS： BIOS（Base Input Output System，基本輸入輸出系統，讀作/'baious/）是硬件廠商寫入到主板ROM裏的一個程序，電腦開機時，會最早執行BIOS。開機後，進入BIOS界面，以下：

2. MBR： BIOS在執行的過程當中，會根據用戶設置（即在BIOS的Boot界面選擇的優先啓動項，U盤/硬盤/光驅），若是硬盤的優先級最高，則計算機會從硬盤的第一個扇區的MBR中的讀取引導加載程序（Boot Loader）。和BIOS同樣，主引導分區MBR是硬件自己會支持的東西。

3. 引導加載程序：引導加載程序（Boot Loader）是用於讀取操做系統內核文件的一個小軟件，不一樣的操做系統有各自的引導加載程序。每一個分區均可以有本身的文件系統，有本身的引導扇區，在啓動的過程當中，用戶能夠選擇是直接加載引導程序所在分區的操做系統，仍是將引導加載功能交給各分區引導扇區中的加載程序。boot loader的功能主要有：

   • 提供菜單：讓用戶選擇不一樣的開機選項，是多重引導的重要功能。
   • 載入內核文件：直接指向可開機的程序區段，開始操做系統。
   • 轉交其餘loader: 將引導加載功能轉交給其餘loader負責。
4. 操做系統內核文件：最後，引導加載程序加載操做系統的內核文件，啓動操做系統！

要點

1. 每一個分區都有本身的引導扇區（boot sector）。
2. 實際可開機的操做系統內核文件是存放在各個分區內的，如在C盤安裝Windows系統，在D盤安裝Linux操做系統。
3. 引導加載程序（boot loader）只會認識本身所在分區內的可開機內核文件，以及其餘boot loader（至關於一個指針，指向其餘loader）。
4. loader能夠直接指向或者間接地講管理權交給其餘loader。
5. 一點經驗：若是要安裝多系統，最好先安裝Windows，後安裝Linux。由於Windows會強制覆蓋MBS，也就是說，若是你先裝Linux再裝Windows，MBR中就只有Windows的相關選項（Linux的被覆蓋掉了）。而Linux則不會強制覆蓋MBR，你能夠選擇將Linux的引導程序安裝在MBR或者其所在分區的引導扇區中；你也能夠在Linux的引導程序中設置Windows的開機選項。

磁盤存儲數據的形式

磁盤以二進制的形式存儲數據。咱們平時編程過程當中讀寫文件模式可能有文本形式/二進制形式，文件也有文本文件、音頻文件、圖片文件...等各類不一樣類型的文件，但這些文件在磁盤上都是以二進制的方式存儲。

能夠想像一下，二進制中的0，對應磁盤上的一個「凹」點，1對應磁盤上的一個「凸」點。（只是形象比喻，不是真的凹凸）。

總結

至此，硬盤（機械硬盤）的基本結構和一些核心的概念已瞭解的差很少了，也瞭解了開機過程當中須要用到硬盤的地方。文件的存取，最終會落在硬盤的讀寫上。在後面的文章中，將逐漸自底向上介紹架構在磁盤之上的Linux操做系統的文件系統的一些理論性知識。