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硬盤結構簡介
作者：未知 來源：未知 加入時間：2003-7-12
硬盤結構簡介
第一部分 簡 介
1,1
一. 硬盤結構簡介
1. 硬盤參數釋疑
到目前為止, 人們常說的硬盤參數還是古老的 CHS(Cylinder/Head/Sector)
參數. 那么為什么要使用這些參數,它們的意義是什么?它們的取值范圍是什么?
很久以前, 硬盤的容量還非常小的時候,人們采用與軟盤類似的結構生產硬
盤. 也就是硬盤盤片的每一條磁道都具有相同的扇區數.由此產生了所謂的3D參
數 (Disk Geometry). 既磁頭數(Heads), 柱面數(Cylinders),扇區數(Sectors),
以及相應的尋址方式.
其中:
磁頭數(Heads)表示硬盤總共有幾個磁頭,也就是有幾面盤片, 最大
為 255 (用 8 個二進制位存儲);
柱面數(Cylinders) 表示硬盤每一面盤片上有幾條磁道,最大為 1023
(用 10 個二進制位存儲);
扇區數(Sectors) 表示每一條磁道上有幾個扇區, 最大為 63(用 6
個二進制位存儲).
每個扇區一般是 512個字節, 理論上講這不是必須的,但好象沒有取
別的值的.
所以磁盤最大容量為:
255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 8024 GB ( 1M =1048576 Bytes )
或硬盤廠商常用的單位:
255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8414 GB ( 1M =1000000 Bytes )
在 CHS 尋址方式中, 磁頭, 柱面, 扇區的取值范圍分別為 0到 Heads - 1,
0 到 Cylinders - 1, 1 到 Sectors (注意是從 1 開始).
2. 基本 Int 13H 調用簡介
BIOS Int 13H 調用是 BIOS提供的磁盤基本輸入輸出中斷調用, 它可以
完成磁盤(包括硬盤和軟盤)的復位, 讀寫, 校驗, 定位, 診斷,格式化等功能.
它使用的就是 CHS 尋址方式, 因此最大識能訪問 8 GB 左右的硬盤 (本文中
如不作特殊說明, 均以 1M = 1048576 字節為單位).
3. 現代硬盤結構簡介
在老式硬盤中, 由于每個磁道的扇區數相等,所以外道的記錄密度要遠低
于內道, 因此會浪費很多磁盤空間 (與軟盤一樣). 為了解決這一問題,進一
步提高硬盤容量, 人們改用等密度結構生產硬盤. 也就是說,外圈磁道的扇區
比內圈磁道多. 采用這種結構后, 硬盤不再具有實際的3D參數,尋址方式也改
為線性尋址, 即以扇區為單位進行尋址.
為了與使用3D尋址的老軟件兼容 (如使用BIOSInt13H接口的軟件), 在硬
盤控制器內部安裝了一個地址翻譯器,由它負責將老式3D參數翻譯成新的線性
參數. 這也是為什么現在硬盤的3D參數可以有多種選擇的原因(不同的工作模
式, 對應不同的3D參數, 如 LBA, LARGE, NORMAL).
4. 擴展 Int 13H 簡介
雖然現代硬盤都已經采用了線性尋址, 但是由于基本 Int13H 的制約, 使
用 BIOS Int 13H 接口的程序, 如 DOS 等還只能訪問 8 G以內的硬盤空間.
為了打破這一限制, Microsoft 等幾家公司制定了擴展 Int 13H 標準
(Extended Int13H), 采用線性尋址方式存取硬盤, 所以突破了 8 G的限制,
而且還加入了對可拆卸介質 (如活動硬盤) 的支持.
二. Boot Sector 結構簡介
1. Boot Sector 的組成
Boot Sector 也就是硬盤的第一個扇區, 它由 MBR (MasterBoot Record),
DPT (Disk Partition Table) 和 Boot Record ID 三部分組成.
MBR 又稱作主引導記錄占用 Boot Sector 的前 446 個字節( 0 to 0x1BD ),
存放系統主引導程序 (它負責從活動分區中裝載并運行系統引導程序).
DPT 即主分區表占用 64 個字節 (0x1BE to 0x1FD),記錄了磁盤的基本分區
信息. 主分區表分為四個分區項, 每項 16 字節,分別記錄了每個主分區的信息
(因此最多可以有四個主分區).
Boot Record ID 即引導區標記占用兩個字節 (0x1FE and0x1FF), 對于合法
引導區, 它等于 0xAA55, 這是判別引導區是否合法的標志.
Boot Sector 的具體結構如下圖所示 (參見 NightOwl大俠的文章):
下面還有喔 (39%) │ 結束 ← <q> │ ↑/↓/PgUp/PgDn 移動│ ? 輔助說明 │
0000 ¦------------------------------------------------¦
¦ ¦
¦ ¦
¦ Master Boot Record ¦
¦ ¦
¦ ¦
¦ 主引導記錄(446字節) ¦
¦ ¦
¦ ¦
¦ ¦
01BD ¦ ¦
01BE ¦------------------------------------------------¦
¦ ¦
01CD ¦ 分區信息 1(16字節) ¦
01CE ¦------------------------------------------------¦
¦ ¦
01DD ¦ 分區信息 2(16字節) ¦
01DE ¦------------------------------------------------¦
¦ ¦
01ED ¦ 分區信息 3(16字節) ¦
01EE ¦------------------------------------------------¦
¦ ¦
01FD ¦ 分區信息 4(16字節) ¦
¦------------------------------------------------¦
¦ 01FE ¦01FF ¦
¦ 55 ¦ AA ¦
¦------------------------------------------------¦
2. 分區表結構簡介
分區表由四個分區項構成, 每一項的結構如下:
BYTE State : 分區狀態, 0 =未激活, 0x80 = 激活 (注意此項)
BYTE StartHead : 分區起始磁頭號
WORD StartSC : 分區起始扇區和柱面號,底字節的低6位為扇區號,
高2位為柱面號的第 9,10 位, 高字節為柱面號的低 8 位
BYTE Type : 分區類型, 如0x0B = FAT32, 0x83 = Linux 等,
00 表示此項未用,07 = NTFS
BYTE EndHead : 分區結束磁頭號
WORD EndSC :分區結束扇區和柱面號, 定義同前
DWORD Relative :在線性尋址方式下的分區相對扇區地址
(對于基本分區即為絕對地址)
DWORD Sectors : 分區大小 (總扇區數)
注意: 在 DOS / Windows 系統下,基本分區必須以柱面為單位劃分
( Sectors * Heads 個扇區), 如對于 CHS 為 764/255/63 的硬盤,分區的
最小尺寸為 255 * 63 * 512 / 1048576 = 7.844 MB.
3. 擴展分區簡介
由于主分區表中只能分四個分區, 無法滿足需求,因此設計了一種擴展
分區格式. 基本上說, 擴展分區的信息是以鏈表形式存放的,但也有一些特
別的地方.
首先, 主分區表中要有一個基本擴展分區項,所有擴展分區都隸屬于它,
也就是說其他所有擴展分區的空間都必須包括在這個基本擴展分區中.對于
DOS / Windows 來說, 擴展分區的類型為 0x05.
除基本擴展分區以外的其他所有擴展分區則以鏈表的形式級聯存放, 后
一個擴展分區的數據項記錄在前一個擴展分區的分區表中,但兩個擴展分區
的空間并不重疊.
擴展分區類似于一個完整的硬盤, 必須進一步分區才能使用.但每個擴
展分區中只能存在一個其他分區. 此分區在 DOS/Windows環境中即為邏輯盤.
因此每一個擴展分區的分區表(同樣存儲在擴展分區的第一個扇區中)中最多
只能有兩個分區數據項(包括下一個擴展分區的數據項).
擴展分區和邏輯盤的示意圖如下:
¦-----------------------¦ --------
¦ 主擴展分區(/dev/hda2) ¦ ^
¦-----------------------¦ ¦
¦ 擴 展 ¦ 分區項1 ¦--\ ¦
¦ ¦------------¦ ¦ ¦
¦ 分區表 ¦ 分區項 2 ¦--+--\ ¦
¦-----------------------¦ ¦ ¦ ¦
¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦ 邏輯盤 1 (/dev/hda5) ¦<-/ ¦ ¦
¦ ¦ ¦ ¦
¦-----------------------¦ ¦ 主
¦ 擴展分區 2 ¦<----/
¦-----------------------¦ 擴
¦ 擴 展 ¦ 分區項1 ¦-- ¦ ¦------------¦ ¦ 展
¦ 分區表 ¦ 分區項 2 ¦--+-- ¦-----------------------¦ ¦ ¦ 分
¦ ¦ ¦ ¦
¦ 邏輯盤 2 (/dev/hda6) ¦<-/ ¦ 區
¦ ¦ ¦ ¦
¦-----------------------¦ ¦ ¦
¦ 擴展分區 3 ¦<----/ ¦
¦-----------------------¦ ¦
¦ 擴 展 ¦ 分區項1 ¦--\ ¦
¦ ¦------------¦ ¦ ¦
¦ 分區表 ¦ 分區項 2 ¦ ¦ ¦
¦-----------------------¦ ¦ ¦
¦ ¦ ¦ ¦
¦ 邏輯盤 3 (/dev/hda7) ¦<-/ ¦
¦ ¦ ¦
¦-----------------------¦ ---------
¦ 擴 展 ¦ 分區項1 ¦-- ¦ ¦------------¦ ¦ 展
¦ 分區表 ¦ 分區項 2 ¦--+-- ¦-----------------------¦ ¦ ¦ 分
¦ ¦ ¦ ¦
¦ 邏輯盤 2 (/dev/hda6) ¦<-/ ¦ 區
¦ ¦ ¦ ¦
¦-----------------------¦ ¦ ¦
¦ 擴展分區 3 ¦<----/ ¦
¦-----------------------¦ ¦
¦ 擴 展 ¦ 分區項1 ¦--\ ¦
¦ ¦------------¦ ¦ ¦
¦ 分區表 ¦ 分區項 2 ¦ ¦ ¦
¦-----------------------¦ ¦ ¦
¦ ¦ ¦ ¦
¦ 邏輯盤 3 (/dev/hda7) ¦<-/ ¦
¦ ¦ ¦
¦-----------------------¦ ---------
(未完 待續)
標 題: HardDisk,Partition,Boot,OSLoader專題(2)
三. 系統啟動過程簡介
系統啟動過程主要由一下幾步組成(以硬盤啟動為例):
1. 開機 :-)
2. BIOS 加電自檢 ( Power On Self Test -- POST )
內存地址為 0ffff:0000
3. 將硬盤第一個扇區 (0頭0道1扇區, 也就是BootSector)
讀入內存地址 0000:7c00 處.
4. 檢查 (WORD) 0000:7dfe 是否等于 0xaa55,若不等于
則轉去嘗試其他啟動介質,如果沒有其他啟動介質則顯示
"No ROM BASIC" 然后死機.
5. 跳轉到 0000:7c00 處執行 MBR 中的程序.
6. MBR 首先將自己復制到 0000:0600 處,然后繼續執行.
7. 在主分區表中搜索標志為活動的分區.如果發現沒有活動
分區或有不止一個活動分區, 則轉停止.
8. 將活動分區的第一個扇區讀入內存地址 0000:7c00處.
9. 檢查 (WORD) 0000:7dfe 是否等于 0xaa55,若不等于則
顯示 "Missing Operating System" 然后停止,或嘗試
軟盤啟動.
10. 跳轉到 0000:7c00處繼續執行特定系統的啟動程序.
11. 啟動系統 ...
以上步驟中 2,3,4,5 步是由 BIOS 的引導程序完成.6,7,8,9,10
步由MBR中的引導程序完成.
一般多系統引導程序 (如 SmartFDISK, BootStar, PQBoot等)
都是將標準主引導記錄替換成自己的引導程序, 在運行系統啟動程序
之前讓用戶選擇要啟動的分區.
而某些系統自帶的多系統引導程序 (如 lilo, NT Loader等)
則可以將自己的引導程序放在系統所處分區的第一個扇區中, 在 Linux
中即為 SuperBlock (其實 SuperBlock 是兩個扇區).
注: 以上各步驟中使用的是標準 MBR,其他多系統引導程序的引導
過程與此不同.
標 題: Harddisk,Partition,Boot,OSLoader專題（3）
第二部分 技術資料
第一章 擴展 Int13H 技術資料
一. 簡介
設計擴展 Int13H 接口的目的是為了擴展 BIOS 的功能,使其支持
多于1024柱面的硬盤, 以及可移動介質的瑣定, 解鎖及彈出等功能.
二. 數據結構
1. 數據類型約定
BYTE 1 字節整型 ( 8 位 )
WORD 2 字節整型 ( 16 位 )
DWORD 4 字節整型 ( 32 位 )
QWORD 8 字節整型 ( 64 位 )
2. 磁盤地址數據包 Disk Address Packet (DAP)
DAP 是基于絕對扇區地址的, 因此利用 DAP, Int13H可以輕松地逾
越 1024 柱面的限制, 因為它根本就不需要 CHS 的概念.
DAP 的結構如下:
struct DiskAddressPacket
{
BYTE PacketSize; //數據包尺寸(16字節)
BYTE Reserved; //==0
WORD BlockCount; //要傳輸的數據塊個數(以扇區為單位)
DWORD BufferAddr; //傳輸緩沖地址(segment:offset)
QWORD BlockNum; //磁盤起始絕對塊地址
};
PacketSize 保存了 DAP 結構的尺寸,以便將來對其進行擴充. 在
目前使用的擴展 Int13H 版本中 PacketSize 恒等于 16. 如果它小于
16, 擴展 Int13H 將返回錯誤碼( AH=01, CF=1 ).
BlockCount 對于輸入來說是需要傳輸的數據塊總數,對于輸出來說
是實際傳輸的數據塊個數. BlockCount = 0 表示不傳輸任何數據塊.
BufferAddr 是傳輸數據緩沖區的 32 位地址(段地址:偏移量). 數據
緩沖區必須位于常規內存以內(1M).
BlockNum表示的是從磁盤開始算起的絕對塊地址(以扇區為單位),
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