计算机那些事(1)——硬盘

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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 则几乎再也不使用。

设备文件

计算机的各类硬件设备在 Linux 中都有对应的设备文件，甚至不一样的接口也对应着不一样的设备文件，从而使用不一样的驱动程序来操做硬件设备。对于硬盘，实体设备的文件名通常是 /dev/sd[a-]；虚拟设备（虚拟机中的硬盘）的文件名通常是 /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 模块做为驱动程序。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。

咱们知道硬盘是能够被分区成多个分区（partition），如在 Windows 中能够将一块硬盘分区成 C:、D:、E: 盘。那么，不一样的分区是否也有对应的设备文件呢？

硬盘结构

提到分区，咱们须要先了解一下硬盘的结构。不一样寻址方式的硬盘，其结构也不一样。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

以下图所为 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，经过机械手臂读写数据，盘片须要转动才可以让机械手臂读写。所以，能够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，在全部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：为何要分区？其实主要有两个缘由：

1. 数据的安全性。因为每一个分区的数据是独立的，使得数据更加安全。
2. 访存的高效性。对于 CHS 寻址方式的硬盘，因为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。当须要对该分区进行访存时，硬盘只会在 1~100 柱面范围内进行操做，从而提高了数据的访存性能。

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。可是对于不一样寻址方式的硬盘，其分区表的格式也不一样，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相似，分区表做为硬盘的基本信息，一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，因为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）。

假设上述硬盘的设备文件名为 /dev/sda，则这四个分区在 Linux 中的设备文件名以下所示，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

因为分区表只有 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？固然不是！虽然第一个扇区的分区表只能记录 4 组分区信息，可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。以下图所示：

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。经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 中的设备文件名以下所示。其中的 /dev/sda3 和 /dev/sda4 则保留给主要分区和延伸分区了，因此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能够有 4 个（硬盘的限制）
• 延伸分区最多只有一个（操做系统的限制）
• 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能够被格式化；延伸分区不能被格式化
• 逻辑分区的数量上限由操做系统决定

引导程序（Boot Loader）

Boot loader 是操做系统安装在 MBR 中的一套软件，但 MRB 仅仅提供 446 Bytes 的空间给 boot loader，因此 boot loader 是极其精简的。其主要完成如下任务：

1. 提供菜单：用户能够选择不一样的开机项目
2. 载入核心文件：直接指向可开机的程序区段来启动操做系统
3. 转交其余 loader：将开机管理功能转交给其余 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备两个以上的 boot loader。事实上，boot loader 不只能够安装在 MBR 中，还能够安装在每一个分区的 开机扇区（boot sector） 中。

假设 MBR 中安装的是能够识别 Windows/Linux 的 boot loader，那么整个流程以下图所示：

由上图可知，MBR 的 boot loader 提供两个菜单选项：选项 1（M1）能够直接载入 Windows 的核心文件进行开机；选项二（M2）能够将开机管理任务交给第二个分区的开机扇区（boot sector）。若是用户选择选项 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，能够将 boot loader 安装在 MBR 或其余分区的开机扇区，Linux 的 boot loader 能够手动设置菜单（即上图的 M一、M2），所以可在 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 以及本身所在分区的开机扇区，而且没有选择的机会，也没有让用户本身选择的菜单的功能 结论：安装多系统时应该先安装 Windows 系统

GUID 分区表

MBR 主要有如下限制：

• 操做系统没法寻址容量超过 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，没法容纳更多的代码

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 使用扇区做为寻址单位不一样，GUID 使用 逻辑区块（Logical Block） 做为寻址单位，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（每一个区块容量默认为 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，仍是用最后 33 个 LBA 做为备份。

这里有个疑问：为什么前面使用 34 个 LBA，后面使用 33 个 LBA。由于第一个 LBA（LBA0）是用来兼容 MBR 的。

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。由于LBA0 是针对 MBR 兼容模式，所以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 记录了分区表自己的位置和大小，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，每一个 LBA 均可以记录 4 组分区信息。默认状况下，总共能够有 4 * 32 = 128 组分区信息。由于每一个 LBA 有 512 Bytes，因此每组分区信息可以使用 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。所以，GUID 可以支持的硬盘的最大容量为 2^64 * 512Byte = 233 TB

参考

1. 硬盘寻址方式
2. SSD固态硬盘的结构和基本工做原理概述
3. 《鸟哥的 Linux 私房菜——基础学习篇》
4. 《Linux 系统架构和应用技巧》
5. 《Linux 系统架构与目录解析》