第6章 硬盘Word格式.docx
《第6章 硬盘Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章 硬盘Word格式.docx（56页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
电源接口就是与主机电源线的接入插口，它和光驱的电源线没有区别，其职责是为硬盘正常工作提供电力保证。
数据接口是硬盘与主板数据总线或者地址线总线之间进行数据传输交换的通道，使用称作“排线”的一根数据线与主板IDE接口或者SCSI接口相连接，因此数据线接口也可以分成IDE接口和SCSI接口两大系列。
图6.3硬盘接口
6.1.3主轴马达
一个硬盘要达到高转速，必须有一个强劲有力的马达，如图6.3。
硬盘中的马达是十分精密的元件，又称为主轴马达，这个名称的原因在于它处于硬盘盘片的主轴部位。
图6.3硬盘马达
6.1.4硬盘盘片
盘片（如图6.4）是硬盘最关键的部位，是硬盘存储数据的载体。
现在的硬盘盘片表面大多采用金属薄膜材料，它具有存储密度高、存储容量大、存储成本低等优点。
除此之外，还有一种玻璃材质的硬盘盘片。
图6.4硬盘盘片
6.1.5磁头
硬盘需要一个用来读写磁盘的磁头装置，磁头装置是硬盘中最为精密的部位之一，它由磁头、传动手臂、传动轴3部
分组成。
如图6.5所示是磁头的结构。
磁头是硬盘技术中最重要的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.1~0.3微米，这样可以获得很好的数据传输率。
现在转速为7200转的硬盘间隙一般都低于0.3微米，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。
图6.5磁头
6.1.5硬盘的信息结构
一个完整的硬盘数据应包括：
主引导记录和分区信息结构两大部分。
主引导记录与操作系统无关，所有硬盘的主引导记录结构都是相同的；
分区信息结构则与分区类型有关，但基本相似，以DOS分区为例，分区信息结构包括：
DOS引导记录、文件分配表、根目录表和数据存储区四个部分。
如图6.6所示。
图6..6DOS分区信息结构
1.主引导记录及其读写方式
（1）主引导记录的信息及存储方式
主引导记录简称MBR（MainBootRecord），它由分区产生，位于整个硬盘的0柱面0磁头1扇区，总共512字节，包括硬盘引导程序、分区表和引导区结束标志三个部分。
●硬盘引导程序（DBP）
硬盘引导程序位于MBR的首部，共计446个字节，它要完成分区表的检查以及确定哪个分区为可引导操作系统的活动分区，并在程序结束时通过活动分区的引导记录启动相应的操作系统；
●硬盘分区表（DPT）
硬盘分区表从主引导记录的1BEH字节开始，共占用64个字节，包含四个分区表项。
每个分区表项的长度为16个字节，它包含一个分区的引导标志、系统标志、起始和结尾的柱面号、扇区号、磁头号以及本分区起始扇区数和本分区所占用的扇区数。
●引导区结束标志
引导区结束标志位于主引导记录的最后两个字节，正常的引导区结束标志应为“55AA”（十六进制数），如果此标志被破坏，将造成硬盘无法自举。
MBR是由分区程序（如F）所产生的，它不依赖于任何操作系统，而且硬盘引导程序也是可以改变的，如：
加密程序、硬盘保护软件和引导型病毒都会对它进行修改。
（2）分区表的具体含意
硬盘分区表项的16个字节分配如下：
第1字节：
是一个分区的激活标志，表示系统可引导。
如是0则表示非活动分区；
第2字节：
该分区起始磁头（HEAD）号，8位可表示0～255个磁头；
第3字节：
该分区起始扇区（Sector）号，实际仅用该字节的低6位，表示1～63扇区；
第4字节：
该分区起始的柱面（Cylinder）号，与第3字节高2位合成10位二进制数；
第5字节：
该分区系统类型标志，06-FAT16，0B-FAT32，0F-LBA模式扩展分区，05-扩展分区，07-NTFS分区；
第6-8字节：
该分区终止磁头号、分区结束的扇区号、分区结束的柱面号；
第9-12字节：
该分区首扇区的相对扇区号；
第13-16字节：
该分区占用的扇区总数。
举例说明如下，以下是某80G硬盘的分区信息（16进制）：
000001B0:
0000000000000000-0000000000008001
000001C0:
010006FE7F043F00-000086FA3F000000
000001D0:
41050FFEFFFFC5FA–3F0000E511090000
000001E0:
0000000000000000-0000000000000000
000001F0:
0000000000000000-00000000000055AA
第一分区的16字节内容为：
8001010006FE7F043F00000086FA3F00
最前面的“80”是一个分区的激活标志，表示系统可引导；
“010100”表示分区开始的磁头号为01，开始的扇区号为01，开始的柱面号为00；
“06”表示分区的系统类型是FAT16；
“FE7F04”表示分区结束的磁头号为FE，分区结束的扇区号为7F中的低6位即3F,分区结束的柱面号为04加上7F中的高2位即104；
“3F000000”表示首扇区的相对扇区号，应反过来读即0000003F；
“86FA3F00”表示总扇区数即003FFA86-->
4192902个扇区；
据此可以计算出该分区的容量：
4192902×
512=21,979,665,824B=2.047GB。
第二分区16字节为：
000041050FFEFFFFC5FA3F0000E51109
最前面的“00”是一个未激活分区的标志；
“004105”表示分区开始的磁头号为00，开始的扇区号为1，开始的柱面号为105；
“0F”表示分区的系统类型是扩展分区；
“FEFFFF”表示分区结束的磁头号为FE，分区结束的扇区号为FF中的低6位即3F,分区结束的柱面号为FF加上FF中的高2位即3FF，但当柱面号是大于3FF时，只能显示3FF，而此盘实际为2604H。
“C5FA3F00”表示首扇区的相对扇区号，反过来读即003FFAC5扇区；
“00E51109”表示总扇区数即0911E500-->
152167680个扇区；
152167680×
512=7990985216B=72.56GB。
（3）硬盘容量限制理论
按以上数据定义，不难推算出一个硬盘最多只能有255个磁头（8位），63个扇区（6位），1024个柱面（10位），从而算出硬盘容量最大只能为8.4GB。
考虑到一个分区起始扇区和结束扇区不是1就是63而不会出现其它的值，所以在最新的引导程序中将表示起始和结束扇区的位数进一步减少到1位，即用1表示1扇区，用0表示63扇区，分区表的位数没有增加，但此时用于表示柱面的位数就可以扩大到15位，从而使分区可以表示的柱面数达到了32768，由此计算出可表示的硬盘最大容量为：
255×
63×
32768×
512=269,525,975,040B=251GB
随着科学技术的不断发展，这一限制也很快会被打破。
（4）主引导记录的读写方式
可以通过DISKEDIT、KV3000等专门的软件查看和修改硬盘主引导记录。
2.DOS引导记录及其读写方式
（1）DOS引导记录的信息及存储方式
DOS引导记录简称DBR位于硬盘的0柱面1磁头1扇区，即位于活动分区的第一个逻辑扇区中，它由高级格式化产生，包括：
跳转指令、厂商标志和DOS版本号、BPB、DOS引导程序、结束标志字。
跳转指令的任务是将程序指针指向DOS引导程序；
BPB是本分区参数记录表，DOS引导程序的主要任务是：
当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区根目录前两个文件是不是操作系统的引导文件（IO.SYS和MSDOS.SYS）。
如果存在，就读入内存。
结束标志字也是55AA。
DBR是高级格式化后产生的，故可用FORMAT进行修复。
也可通过SYS.COM程序修复。
区别在于FORMAT修复时会将分区中的数据全部清除，而用SYS修复则不会清除原有的数据。
（2）DOS引导记录的读写方式
DOS引导记录可通过Diskedit来读取。
3.文件分配表及其读写方式
文件分配表FAT位于DBR之后（0道上），记录着文件在硬盘上的具体分布情况。
FAT是DOS、Windows9X系统的文件分配格式，根据记录项所占二进制位数的不同有FAT12（用于软盘）、FAT16和FAT32（位数不同）等几种不同的格式，对于其它的操作系统像WindowsNT、OS/2、Unix、Novell等都有自己的文件分配（管理）格式。
由于FAT对于文件管理的重要性，FAT都有一个备份，即FAT2。
由于FAT32支持更多的簇，因而可以支持更大容量的硬盘。
文件分配表通常由操作系统自动进行管理，也可通过DEBUG或DISKEDIT等专用工具软件进行读写。
由于FAT对于文件管理的重要性，如非必要，不要轻易地对它进行修改。
4.文件目录表及其读写方式
文件目录表FDT也称为ROOT（根目录区），位于第二FAT表之后（0道上），记录着根目录下的每个文件或子目录的名称、起始位置（簇号）、文件大小、文件属性（子目录也是一种文件）、创建日期等信息。
定位文件位置时，操作系统根据记录在FDT中的文件起始簇号，结合FAT表就可以知道文件在硬盘中的具体位置和大小了。
5.数据存储区（DATA）
在FDT之后就是数据存储区（DATA）。
所有文件的实际内容都存放在各分区的数据区中，数据区占据着硬盘的绝大部分存储空间。
6.2硬盘的工作原理
硬盘用来存储数据信息，这些信息都存储在磁介质上。
计算机可以将0或1的电信号通过磁头在磁介质上转化为磁信息，从而完成写入的过程；
也可以将磁介质上已记录的磁信息通过磁头还原为表示0或1的电信号，从而完成读取过程。
磁介质均匀地涂在盘片上，硬盘中盘片的模样与日常见到的VCD类似，只不过硬盘的磁盘一般正反面都用，相应地正反面都有磁头机构。
另外，一块硬盘中也往往含有多个盘片。
硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单机初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置。
初始化完成后，主轴电机将启动并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，处于等待指令的启动状态。
当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作。
结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。
硬件分区后，将会被划分为面、磁道和扇区。
需要注意的是，这些只是个虚拟的概念，并不是真正在硬盘上划道子^_^。
先从面说起，硬盘一般是由一片或几片圆形薄膜叠加而成。
我们所说，每个圆形薄膜都有两个"
面"
（Side），这两个面都是用来存储数据的。
按照面的多少，依次称为0面、1面、2面……由于每个面都专有一个读写磁头，也常用0头（head）、1头……称之。
按照硬盘容量和规格的不同，硬盘面数（或头数）也不一定相同，少的只有2面，多的可达数十面。
各面上磁道号相同的磁道合起来，称为一个柱面（cylinder）（见图6.7）。
图6.7磁道柱面
上面我们提到了磁道的概念。
那么究竟何为磁道呢？
大家都知道，读写硬盘时，磁头依靠磁盘的高速旋转引起的空气动力效应悬浮在盘面上，与盘面的距离不到1微米（约为头发直径的百分之一）。
由于磁盘是旋转的，则连续写入的数据是排列在一个圆周上的。
我们称这样的圆周为一个磁道（Track）（见图6.7）。
如果读写磁头沿着圆形薄膜的半径方向移动一段距离，以后写入的数据又排列在另外一个磁道上。
图6.8磁道
根据硬盘规格的不同，磁道数可以从几百到数千不等；
一个磁道上可以容纳数KB的数据，而主机读写时往往并不需要一次读写那么多，于是，磁道又被划分成若干段，每段称为一个扇区（Sector）。
一个扇区一般存放512字节的数据。
扇区也需要编号，同一磁道中的扇区，分别称为1扇区，2扇区。
。
这里需要注意的是，硬盘在划分扇区时，和一般的软盘有一定的区别。
软盘的一个磁道中，扇区号依次编排，即2号与1号图6.9扇区
相邻，3号与2号相邻，以此类推。
而在硬盘的
一个磁道中，扇区号是按照某个间隔跳跃着编排的。
我们举一个例子来说明：
在某个硬盘上，以实际存储位置而论，2号扇区并不是1号扇区后的第一个，而是第5个，3号扇区又是2号扇区后的第5个，以此类推。
这个"
5"
就是我们说的交叉因子。
（见图6.9）当然，这个交叉因子的设定并不是绝对的，每个种类的硬盘为根据自身的情况加以变化。
选择适当的交叉因子，可使硬盘驱动器读写扇区的速度与硬盘的旋转速度相匹配，提高存储数据的速度。
计算机对硬盘的读写，处于效率的考虑，是以扇区为基本单位的。
即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节，也必须一次把这个字节所在的扇区中的512字节全部读入内存，再使用所需的那个字节。
不过，在上文中我们也提到，硬盘上面、磁道、扇区的划分表面上是看不到任何痕迹的，虽然磁头可以根据某个磁道的应有半径来对准这个磁道，但怎样才能在
首尾相连的一圈扇区中找出所需要的某一扇区
呢？
原来，每个扇区并不仅仅是由512个字节
组成的，在这些由计算机存取的数据的前、后
两端，都另有一些特定的数据，这些数据构成
了扇区的界限标志，标志中含有扇区的编号和
其他信息。
计算机就凭借着这些标志来识别扇图6.10扇区的界限标志
区（见图6.10所示）。
在上文中，我们谈了数据在硬盘中的存储的一般原理。
为了能更深入的了解硬盘，我们还必须对硬盘的数据结构有个简单的了解。
硬盘上的数据按照其不同的特点和作用大致可分为5部分：
MBR区、DBR区、FAT区、DIR区和DATA区。
我们来分别介绍一下：
1.MBR区
MBR（MainBootRecord）,按其字面上的理解即为主引导记录区，位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区。
不过，在总共512字节的主引导扇区中，MBR只占用了其中的446个字节（偏移0--偏移1BDH），另外的64个字节（偏移1BEH--偏移1FDH）交给了DPT（DiskPartitionTable硬盘分区表）（见下表）,最后两个字节"
55，AA"
（偏移1FEH-偏移1FFH）是分区的结束标志。
这个整体构成了硬盘的主引导扇区。
大致的结构如图6.11：
图6.11硬盘的主引导扇区
主引导记录中包含了硬盘的一系列参数和一段引导程序。
其中的硬盘引导程序的主要作用是检查分区表是否正确并且在系统硬件完成自检以后引导具有激活标志的分区上的操作系统，并将控制权交给启动程序。
MBR是由分区程序（如F）所产生的，它不依赖任何操作系统，而且硬盘引导程序也是可以改变的，从而实现多系统共存。
表6.1为偏移长度所表示的含义:
表6.1偏移长度的含义
偏移
长度
所表达的意义
字节
分区状态：
如0-->
非活动分区
80-->
活动分区
1
该分区起始头（HEAD）
2
字
该分区起始扇区和起始柱面
4
该分区类型：
如82-->
LinuxNative分区
83-->
LinuxSwap分区
5
该分区终止头（HEAD）
6
该分区终止扇区和终止柱面
8
双字
该分区起始绝对分区
C
该分区扇区数
下面，我们以一个实例让大家更直观地来了解主引导记录：
例：
800101000BFEBFFC3F0000007E86BB00
在这里我们可以看到，最前面的"
80"
是一个分区的激活标志，表示系统可引导；
"
010100"
表示分区开始的磁头号为01，开始的扇区号为01，开始的柱面号为00；
0B"
表示分区的系统类型是FAT32，其他比较常用的有04（FAT16）、07（NTFS）；
FEBFFC"
表示分区结束的磁头号为254，分区结束的扇区号为63、分区结束的柱面号为764；
3F000000"
表示首扇区的相对扇区号为63；
7E86BB00"
表示总扇区数为12289622。
2.DBR区
DBR（DosBootRecord）是操作系统引导记录区的意思。
它通常位于硬盘的0磁道1柱面1扇区，是操作系统可以直接访问的第一个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为BPB（BiosParameterBlock）的本分区参数记录表。
引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区跟目录前两个文件是不是操作系统的引导文件（以DOS为例，即是Io.sys和Msdos.sys）。
如果确定存在，就把其读入内存，并把控制权交给该文件。
BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数，分配单元的大小等重要参数。
3.FAT区
在DBR之后的是我们比较熟悉的FAT（FileAllocationTable文件分配表）区。
在解释文件分配表的概念之前，我们先来谈谈簇（cluster）的概念。
文件占用磁盘空间时，基本单位不是字节而是簇。
簇的大小与磁盘的规格有关，一般情况下，软盘每簇是1个扇区，硬盘每簇的扇区数与硬盘的总容量大小有关，可能是4、8、16、32、64……
通过上文我们已经知道，同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，而往往会分成若干段，像一条链子一样存放。
这种存储方式称为文件的链式存储。
（见图6.12）硬盘上的文件常常要进行创建、删除、增长、缩短等操作。
这样操作做的越多，盘上的文件就可能被分得越零碎（每段至少是1簇）。
但是，由于硬盘上保存着段与段之间的连接信息（即FAT），操作系统在读取文件时，总是能够准确地找到各段的位置并正确读出。
不过，这种以簇为单位的存储法也是有其缺陷的。
这主要表现在对空间的利用上。
每个文件的最后一簇都有可能有未被完全利用的空间（称为尾簇空间）。
一般来说，当文件个数比较多时，平均每个文件要浪费半个簇的空间。
图6.12文件的链式存储结构示意图
好了，我们言归正传，为了实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。
这些都是由FAT表来保存的，表中有很多表项，每项记录一个簇的信息。
由于FAT对于文件管理的重要性，所以FAT有一个备份，即在原FAT的后面再建一个同样的FAT。
初形成的FAT中所有项都标明为"
未占用"
，但如果磁盘有局部损坏，那么格式化程序会检测出损坏的簇，在相应的项中标为"
坏簇"
，以后存文件时就不会再使用这个簇了。
FAT的项数与硬盘上的总簇数相当，每一项占用的字节数也要与总簇数相适应，因为其中需要存放簇号。
FAT的格式有多种，最为常见和为读者所熟悉的是FAT16和FAT32，其中FAT16是指文件分配表使用16位数字，由于16位分配表最多能管理65536（即2的16次方）个簇，也就是所规定的一个硬盘分区。
由于每个簇的存储空间最大只有32KB，所以在使用FAT16管理硬盘时，每个分区的最大存储容量只有（65536×
32KB）即2048MB，也就是我们常说的2G。
现在的硬盘容量是越来越大，由于FAT16对硬盘分区的容量限制，所以当硬盘容量超过2G之后，用户只能将硬盘划分成多个2G的分区后才能正常使用，为此微软公司从Windows95OSR2版本开始使用FAT32标准，即使用32位的文件分配表来管理硬盘文件，这样系统就能为文件分配多达4294967296（即2的32次方）个簇，所以在簇同样为32KB时每个分区容量最大可达65G以上。
此外使用FAT32管理硬盘时，每个逻辑盘中的簇长度也比使用FAT16标准管理的同等容量逻辑盘小很多。
由于文件存储在硬盘上占用的磁盘空间以簇为最小单位，所以某一文件即使只有几十个字节也必须占用整个簇，因此逻辑盘的簇单位容量越小越能合理利用存储空间。
所以FAT32更适于大硬盘。
4.DIR区
DIR（Directory）是根目录区，紧接着第二FAT表（即备份的FAT表）之后，记录着根目录下每个文件（目录）的起始单元，文件的属性等。
定位文件位置时，操作系统根据DIR中的起始单元，结合FAT表就可以知道文件在硬盘中的具体位置和大小了。
5.数据（DATA）
数据区是真正意义上的数据存储的地方，位于DIR区之后，占据硬盘上的大部分数据空间。
6.3硬盘的接口技术
硬盘接口综合起来说可以分成如下几种：
ST-506、ESDI、IDE、SATA、SCSI、光纤、IEEE1394与USB。
其中，IDE接口是最常采见的也是普通用户所使用的，因为它价格相对比较便宜，而且性能也不差；
SATA接口主要用于大缓存的硬盘，对传输速率也有所提高；
SCSI接口在服务器上应用较广，它具有很好的并行处理能力，同时也具有相对比较高的磁盘性能，因此非常适合服务器的需要，当然价格也不菲；
光纤的特点是宽带宽，但价格也极其昂贵；
至于IEEE1394与USB，相对而言是新一点的接口类型。
下面将逐一介绍硬盘的各个接口技术。
●ST-506接口
●ESDI接口
●IDE接口
●DMA33/66
●SATA接口
●SCSI接口
●光纤通道
●IEEE1394
●USB接口
6.3.1ST-506接口
最早的硬盘系统是与一块控制卡、一个独立的电源一起装在一个外置的盒子里，通过电缆与插在扩展槽中的适配器相连。
使用这样的硬盘，必须从软驱启动，并加载一个专用设备
升级会员 