Linux操作系统系列之硬盘结构解析

 　　1. 硬盘物理结构

　　现代硬盘(非固态硬盘SSD)通常由一个或多个圆形盘片组成，每个盘片都是两面存储的(还记得以前的软盘有双面双密之说)，通过机械臂上的磁头进行数据读写操作。一个硬盘的参数通常称之为 3D 参数 (Disk Geometry)，即柱面数(Cylinder)、磁头数(Head)和扇区数(Sector)。

　　磁头: 磁头固定在可移动的机械臂上，用于读写数据。现代硬盘都是双面可读写，因此磁头数量等于盘片数的 2 倍。磁头数最大值为 255 (8 个二进制位)。

　　磁道: 每个盘面都有 n 个同心圆组成，每个同心圆称之为一个磁道。由外向内分为 0 磁道到 n 磁道。

　　柱面: n 个盘面的相同磁道 (位置相同) 共同组成一个柱面。柱面数最大为 1023 (10 个二进制位)。

　　扇区: 从磁盘中心向外画直线，可以将磁道划分为若干个弧段。每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区。扇区是硬盘的最小组成单元，通常是 512 字节。磁道上的扇区数最大为 63 (6 个二进制位)。

　　在老式硬盘中，尽管磁道周长不同，但每个磁道上的扇区数是相等的，越往圆心扇区弧段越短，但其存储密度越高。不过这种方式显然比较浪费空间，因此现代硬盘则改为等密度结构，这意味着外围磁道上的扇区数量要大于内圈的磁道，寻址方式也改为以扇区为单位的线性寻址。为了兼容老式的 3D 寻址方式，现代硬盘控制器中都有一个地址翻译器将 3D 寻址参数翻译为线性参数。

　　硬盘的存储容量公式：

　　存储容量 = 磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

　　3D 寻址参数：

　　×× 磁道(柱面)，×× 磁头，×× 扇区

　　我们注意到 Linux 的分区是按柱面来划分的。

　　2. 引导区信息

　　硬盘的第一个扇区被称之为 Boot Sector。由 MBR (MasterBoot Record)、DPT (Disk Partition Table) 和 Boot Record ID 三部分组成。

　　MBR 又称作主引导记录，占用 Boot Sector 的前 446 个字节(0 ~ 0x1BD)。存放系统主引导程序，负责从活动分区中装载并运行系统引导程序。

　　DPT 即主分区表，占用 64 个字节 (0x1BE ~ 0x1FD)，记录了磁盘的基本分区信息。主分区表分为四个分区项，每项 16 字节，分别记录了每个主分区的信息 (因此最多可以有 4 个主分区)。

　　Boot Record ID 即引导区标记，占用两个字节 (0x1FE ~ 0x1FF)。对于合法引导区，它等于 0xAA55，这是判别引导区是否合法的标志。