【深入了解】硬盘结构与数据组织技术.ppt

硬盘数据组织 硬盘基础知识 硬盘 是指采用金属或玻璃等硬物质为盘体 上面均匀涂满磁性介质用以记录信息的存储媒介 硬盘具有高速随机读写的特点 容量大 成本低 关机后仍能保持数据 且稳定性好 因此成为计算机必备的主要存储器 1 硬盘的发展 计算机的作用就是存储和计算 数据是信息的表达方式 数据的安全非常重要 存储方式经由早期的打孔机 磁带机 现在普遍使用硬盘机 今后还向光和半导体 甚至生物方面发展 温彻斯特硬盘技术具有部件全部密封 内部磁片固定并高速旋转 磁片表面光滑 磁头运动悬浮等特点 2 硬盘的物理结构 磁盘的内部由磁片 磁头及定位系统 电动机和电子线路组成 磁盘数据组织图示 软盘划分了18个扇面 而硬盘通常有63个扇面 现代硬盘的扇区已不再等角度划分了 最外圈的磁道记为0磁道 3 硬盘的逻辑结构 要组织磁盘上存储的数据 使得可以方便的存储和访问 就要实现数据的定位 数据的定位主要有两种方式 CHS地址LBA线性地址由于硬盘技术和操作系统及存储结构等因素 硬盘容量在不同的发展时期有着不同的硬盘容量限制 CHS地址 早期硬盘存储空间采用3维地址结构描述 C Cylinder 柱面 若干盘体重叠 相同的磁道 track上 构成的一个立面体 H Head 磁头 一张盘有两面 side 每面一个磁头 S Sector 扇区 盘体上的圆形轨迹为磁道 把磁道等分为若干存储区域 磁盘的容量 柱面总数 磁头总数 每道扇区总数 每扇区容量 512byte LBA地址 LBA是逻辑块地址的简称 它是一种线性地址结构 它其实是由CHS计算的扇区编号顺序编址 即0柱0面1扇区为LBA0扇区 现在的硬盘厂家为了保持兼容性 仍然提供了虚拟的CHS参数 可在BIOS设置中看到 对硬盘的数据访问是靠系统调用INT13H中断程序实现的 它将欲访问的数据地址传递给硬盘接口电路 ATA接口 完成读写操作 4 硬盘容量限制 528MB的限制 早期的硬盘的CHS参数被限制为 磁头数最大16 柱面数最大1024 扇区最大63 每扇区字节数为512字节 因此1024 16 63 512B 528MB8GB容量限制 将柱面数增加到16384 其他不变 共计24bit 则硬盘容量最大为 16384 16 63 512B 8 4GB 硬盘容量限制 32GB容量限制 硬盘采用了虚拟CHS值 使得柱面数为65535 其他不变 共计26bit 这样 磁盘的总容量最大为 65535 16 63 512B 32GB137G容量限制 由于普遍使用了LBA寻址模式和虚拟CHS参数 将扇区数进一步增加为255 共计28位 将其乘积作为LBA值 这样系统使用28位的LBA参数 约计137GB 二 硬盘存储结构 操作系统中数据通常以文件形式存放 所以文件是进行逻辑管理的基本单位 那么文件是如何在磁盘上被组织管理的呢 管理组织文件存取的系统称为文件系统 我们把磁盘划分为多个分区 每个分区可以使用不同的文件系统 我们将学习分区管理方式 1 常用编辑软件 硬盘存取数据的最小单位是扇区 硬盘以扇区为单位来分区 组织数据 在操作系统中不能直接对扇区进行访问 要对硬盘的底层单位 扇区 进行查看和编辑 就需要专用的工具软件 可完成这项任务的工具有很多 推荐使用的是 Diskedit DOS WinHex Windows 磁盘编辑工具介绍 Diskedit是Norton公司的DOS工具包中的一个最有用的磁盘编辑工具 由于开发较早 它只能运行在DOS下 支持FAT16 FAT12文件系统 但不能对大于8GB的空间进行操作 Diskedit是DOS下功能最强大的磁盘编辑器 能够编辑物理 逻辑盘 能按照不同的界面来显示扇区内容 另带有计算器 ASCII码表等实用工具 WinHex是目前使用最多的一款工具软件 它的功能非常强大 有完善的分区管理和文件管理功能 甚至可以克隆磁盘 支持大硬盘和巨型文件 WinHex是Win32下最强的十六进制编辑工具 它可以编辑磁盘和内存 可自动分析分区信息 支持对FAT NTFS EXT等常见文件系统的分析计算 支持对文件的分割 合并和比较 也能够安全擦除文件 2 硬盘总体存储结构 我们在新购置一块硬盘后所做的第一件事情就是分区 将硬盘分割为多个独立的空间 这些空间是如何被标记并且被管理的呢 主引导扇区位于整个硬盘的最前端 0柱面 道 0磁头 面 1扇区 也就是LBA0扇区 它占用一个扇区 里面包含MBR 主引导记录 和磁盘分区表 DPT 两大部分 3 硬盘总体存储结构 在主引导扇区的后面是62个保留扇区 是未用的空白区域 从第63个扇区开始 0柱1面1扇 后面的所有空间开始用于分区使用 整个硬盘的总体结构由主引导扇区 各个分区和未划分空间 如果存在 组成 硬盘总体存储结构概览 分区1 分区2 未划分空间 62个保留扇区 主引导扇区 硬盘总存储空间 4 FAT16分区内结构概览 在分区内部 以常用的FAT文件系统为例 从头依次是引导扇区 FAT1 FAT2 根目录区和数据区 FAT1 FAT2 根目录 数据区 引导扇区 保留区 FAT分区 5 主引导扇区 主引导扇区位于整个硬盘的第一个扇区 也是计算机启动时首先读入的扇区 它负责完成计算机的引导工作 然后将控制权交给操作系统 它由以下几个部分组成 6 主引导记录MBR 主引导记录所执行的任务是 依次读取硬盘分区表 寻找激活分区的标志80H将激活分区的引导扇区送到内存0000 7C00H处判断是否有分区结束标志55HAAH若前面的步骤出错 则显示出错信息若一切顺利 则跳转至内存0000 7C00H处 执行系统引导程序 MBR通常是固定的 但也可以修改它 7 硬盘分区表DPT 硬盘分区表共计64字节 分4项 每项16字节 即最多可以表示4个分区 称为主分区 4个分区不能满足我们的需要 我们采用了扩展分区的技术 使得若干分区组成一个链表 占用一个分区项 称为扩展分区 在DOS和Windows系统中 分区表通常只占用了两项 主分区和扩展分区 一般硬盘分区组织情况 主分区表中标明了第一项主分区和第二项扩展分区的起始地址和容量 扩展分区的起始地址非常重要 扩展分区重各逻辑分区的位置计算均是依照它来进行的 分区1 分区2 分区3 分区4 主分区 扩展分区 逻辑分区 分区5 分区表项的含义 常见分区类型 8 扩展分区 在一个磁盘中主分区必须有一个 扩展分区至多有一个 扩展分区实际上并不是一个真正的分区 它标明了逻辑分区链表的起始位置和容量 扩展分区中的起始扇区实际上也是一张分区表 称为扩展分区表 它的引导记录位置全置0或FFH 未用 只包含DPT和结束标记 因此 又称为虚拟MBR 9 虚拟MBR 每个逻辑分区都有一张虚拟MBR 其中的分区表项只有两项 其中第一项标记了本逻辑分区的信息 第二项标明在分区链表中下一个分区的虚拟MBR信息 位于扩展分区链表中的最后一个分区只使用了一个分区项用于标记本逻辑分区信息 扩展分区的总容量应等于所包含的逻辑分区的容量之和 扩展分区组织图 C盘 D盘 E盘 F盘 扩展分区中的虚拟MBR链表 D E F MBR扇区 62个保留扇区 10 重建分区表 当主引导扇区的分区表被破坏时 如果没有备份 则需手工重建分区表 重建时需逐次搜寻分区信息 搜索时注意以下几点 硬盘分区以扇区为单位 但使用分区工具分区时通常以柱面为边界划分 引导扇区均位于某柱面的0 或1 磁头 1扇区 且都具有结束标志 55AA 一个柱面包含255磁头 63扇 16065扇区 每扇区512字节 计8225280字节 11 MBR损坏与修复 如果安装了多重引导程序 系统还原程序或是中了引导型病毒 则MBR内容会被修改 DOS和Windows系统都提供一个命令来修复MBR 是 fdisk mbr当然 最好是将整个主引导扇区进行备份 在需要的时候还原 使用winhex工具 既可以备份在保留扇区中 也可以备份为文件 12 逻辑锁故障与修复 逻辑锁故障的原理是将分区链表通过修改链接成环形 导致系统启动检查分区表时陷入死循环 不管使用硬盘 光盘 软盘或是其他媒介启动计算机 只要遍历分区表 则都会死锁 要修复 只有使用特