详解计算机磁盘系统

硬盘接口

常见的硬盘接口有：IDE 、SATA、SAS、USB、SCSI，其中 SATA 是目前的主流接口，IDE 则几乎不再使用。

设备文件

计算机的各种硬件设备在 Linux 中都有对应的设备文件，甚至不同的接口也对应着不同的设备文件，从而使用不同的驱动程序来操作硬件设备。对于硬盘，实体设备的文件名一般是 /dev/sd[a-]；虚拟设备（虚拟机中的硬盘）的文件名一般是 /dev/vd[a-]。

有时，系统中会有 /dev/sda、/dev/sdb…等设备文件，它们之间又是什么关系呢？实际上，/dev/sd[a-] 是 SATA/USB/SAS 等硬盘接口对应的设备文件，这类接口都使用 SCSI 模块作为驱动程序。a、b、c…则是按系统检测到的顺序来排列的，与实际插槽顺序无关。

我们知道硬盘是可以被分区成多个分区（partition），如在 Windows 中可以将一块硬盘分区成 C:、D:、E: 盘。那么，不同的分区是否也有对应的设备文件呢？

硬盘结构

提到分区，我们需要先了解一下硬盘的结构。不同寻址方式的硬盘，其结构也不同。硬盘的寻址方式主要有两种：

- CHS 寻址方式：由柱面数（Cylinders）、磁头数（Headers）、扇区数（Sectors）
组成 3D 参数，简称 CHS 寻址方式，硬盘容量相对较小。
如传统的机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD）。
- LBA 寻址方式：线性寻址，以逻辑区块为单位进行寻址，全称为
 Logic Block Address（即扇区的逻辑块地址），硬盘容量相对较大。
 如固态硬盘（Solid State Disk，SSD）

CHS 寻址方式

如下图所为 CHS 寻址方式的硬盘结构，硬盘主要由盘片、机械手臂、磁头、主轴马达组成。盘片是数据存储的媒介，圆形，通过机械手臂读写数据，盘片需要转动才能够让机械手臂读写。因此，可以将盘片同心圆分割成一个个的小区块，这些区块组成一个圆形，可以让机械手臂的磁头进行读写。这个小区块就是硬盘的最小物理存储单位，即扇区（sector）。位于同一个同心圆上的扇区组成的圆环，即磁道（track）。硬盘中可能包含多个盘片，在所有盘片上的同一个磁道组成了所谓的柱面（cylinder），柱面是文件系统的最小单位，也是分区的最小单位。

LBA 寻址方式

LBA 寻址方式的硬盘使用集成电路代替物理旋转磁盘，主要由主控与闪存芯片组成。数据的读写速度远远高于 CHS 寻址方式的硬盘。

硬盘分区

了解了硬盘结构，再来看硬盘分区。

关于硬盘分区，首先思考一个问题：为什么要分区？其实主要有两个原因：

数据的安全性。由于每个分区的数据是独立的，使得数据更加安全。
访存的高效性。对于 CHS 寻址方式的硬盘，由于分区将数据集中在某个柱面的区段，如第一个分区位于柱面号 1~100。当需要对该分区进行访存时，硬盘只会在 1~100 柱面范围内进行操作，从而提升了数据的访存性能。

既然硬盘能被分区，那么其分区信息是如何保存的呢？答案就是分区表。但是对于不同寻址方式的硬盘，其分区表的格式也不同，主要有两种：

MBR 分区表：多用于 CHS 寻址方式的硬盘
GUID 分区表：多用于 LBA 寻址方式的硬盘

分区表有存储在哪里呢？和绝大多数文件将自身的基本描述信息放在文件的开头类似，分区表作为硬盘的基本信息，同样保存在硬盘最前面的存储区域。

下面分别介绍 MBR 分区表和 GUID 分区表。

MBR 分区表

MBR 分区表保存在硬盘的第一个扇区，由于第一个扇区主要记录了两个重要信息，也称为主引导记录区（Master Boot Record，MBR）。这两个信息分别是：

- MBR 分区表：记录整个硬盘的分区信息，容量为 64 Bytes。
- 引导程序（Boot Loader）：容量为 446 Bytes。

MBR 分区表

分区表占据了 MBR 64 Bytes 的空间，最多只能记录 4 组分区信息，每组分区信息记录了该分区的起始与结束的柱面号，这 4 组分区信息称为主要分区（primary partition）或延伸分区（extended partition）。

在这里插入图片描述

假设上述硬盘的设备文件名为 /dev/sda，则这四个分区在 Linux 中的设备文件名如下所示，重点在于文件名后面会再接一个数字，这个数字与分区在硬盘中的位置有关。

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

由于分区表只有 64 Bytes，最多只能记录 4 组分区信息，那么是否意味着一个硬盘最多只能分割成 4 个分区呢？当然不是！虽然第一个扇区的分区表只能记录 4 组分区信息，但是利用其中的延伸分区信息进一步索引到一个新的分区表，从而记录更多分区信息。如下图所示：

上图所示，硬盘第一个扇区中的四个分区记录仅仅使用了两个，P1 为主要分区，P2 为延伸分区。延伸分区的目的是使用额外的扇区来记录分区信息。通过延伸分区所指向的那个区块继续记录分区信息。上图延伸分区索引的分区表继续分出了 5 个分区，这 5 个有延伸分区分出来的分区，称为逻辑分区（logical partition）。

同理，上图中的分区在 Linux 中的设备文件名如下所示。其中的 /dev/sda3 和 /dev/sda4 则保留给主要分区和延伸分区了，所以逻辑分区的设备文件名从 5 开始。

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

MBR 主要分区、延伸分区、逻辑分区的特性

主要分区与延伸分区最多可以有 4 个（硬盘的限制）
延伸分区最多只有一个（操作系统的限制）
逻辑分区是由延伸分区持续分割出来的分区
主要分区和逻辑分区可以被格式化；延伸分区不能被格式化
逻辑分区的数量上限由操作系统决定

引导程序（Boot Loader）

Boot loader 是操作系统安装在 MBR 中的一套软件，但 MRB 仅仅提供 446 Bytes 的空间给 boot loader，所以 boot loader 是极其精简的。其主要完成以下任务：

提供菜单：用户可以选择不同的开机项目
载入核心文件：直接指向可开机的程序区段来启动操作系统
转交其他 loader：将开机管理功能转交给其他 loader 负责，主要用于多系统引导。

对于第 3 项，表示计算机系统中可能具有两个以上的 boot loader。事实上，boot loader 不仅可以安装在 MBR 中，还可以安装在每个分区的开机扇区（boot sector）中。

假设 MBR 中安装的是可以识别 Windows/Linux 的 boot loader，那么整个流程如下图所示：

由上图可知，MBR 的 boot loader 提供两个菜单选项：选项 1（M1）可以直接载入 Windows 的核心文件进行开机；选项二（M2）可以将开机管理任务交给第二个分区的开机扇区（boot sector）。如果用户选择选项 2，第二分区的开机扇区中的 boot loader 将会载入 Linux 的核心文件进行开机。

关于多系统安装

Linux 安装时，可以将 boot loader 安装在 MBR 或其他分区的开机扇区，Linux 的 boot loader 可以手动设置菜单（即上图的 M1、M2），因此可在 Linux 的 boot loader 中加入 Windows 开机的选项
Windows 安装时，其安装程序会主动覆盖 MBR 以及自己所在分区的开机扇区，并且没有选择的机会，也没有让用户自己选择的菜单的功能
结论：安装多系统时应该先安装 Windows 系统

GUID 分区表

MBR 主要有以下限制：

操作系统无法寻址容量超过 2.2TB 的磁盘
MBR 只有一个区块，若被破坏后，很难对数据进行恢复
MBR 的引导程序所能使用空间只有 446 Byte，无法容纳更多的代码
GUID 则解决了 MBR 的这些问题。

下图所示为 GUID 的结构示意图。与 MBR 使用扇区作为寻址单位不同，GUID 使用逻辑区块（Logical Block）作为寻址单位，即采用 LBA（Logical Block Address）寻址方式。MRB 仅使用第一个扇区 512 Bytes 的空间记录分区信息，GUID 则使用 34 个 LBA 区块（每个区块容量默认为 512 Bytes）记录分区信息。MBR 仅有一个扇区保存分区信息，GUID 除了使用硬盘前 34 个 LBA，还是用最后 33 个 LBA 作为备份。

这里有个疑问：为何前面使用 34 个 LBA，后面使用 33 个 LBA。因为第一个 LBA（LBA0）是用来兼容 MBR 的。

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LBA0（MBR 兼容区块）
LBA0 为了兼容 MBR，该区块也分为两个部分，分别用于存储 MBR 分区表和引导程序。因为LBA0 是针对 MBR 兼容模式，因此其分区表中仅仅存放一个特殊标志的分区表信息，用来标识此硬盘为 LBA 寻址方式。

LBA1（GUID 分区表表头）
LBA1 记录了分区表本身的位置和大小，同时记录了备份分区表的位置（即最后 33 个 LBA）。此外还存放了分区表的校验码（CRC32），表示硬盘的完整性。

LBA2~33（分区表表项）
从 LBA2 开始，每个 LBA 都可以记录 4 组分区信息。默认情况下，总共可以有 4 32 = 128 组分区信息。因为每个 LBA 有 512 Bytes，所以每组分区信息可使用 128 Bytes 的空间。这 128 Bytes 的分区信息中，分别提供了 64 Bits 用于记录分区对应的起始/结束区块号。因此，GUID 能够支持的硬盘的最大容量为 2^64 512Byte = 233 TB
参考：
SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述
 硬盘寻址方式

来源：CSDN

作者：水无垠

链接：https://blog.csdn.net/low5252/article/details/104376185

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