硬盘的逻辑构造

计算机是如何从硬盘引导操作系统Windows ，Linux 的？

——硬盘的逻辑结构介绍——

作者：ygps2002@

概要：结合本人实际使用的笔记本电脑情况，对计算机硬盘的分区基本知识，操作系统的引导（计算机的启动）过程，文件系统格式的主要区别等计算机基础知识进行了较详细说明，重要内容配有实际详细截图，即使没有计算机基础知识也可以一目了然，读后茅塞顿开，原来每天使用的计算机是这样启动滴！能给非计算机专业用户普及知识，计算机专业人员些许资料参考，深感安慰。本文所有的分区说明均以Windows 文件系统为参照，其他文件系统格式请慎重参考。

Key words(关键字):

✓ Disk(磁盘)， ✓ Partition(分区)，

✓ MBR(Master Boot Record/主引导区)，

✓ PBR(Partition Boot Record/分区引导区)， EPBR （Extension Partition Boot Record ） ✓ Cylinder(柱面)，Sector(扇区)，Head(磁头)，CHS(Cylinder Head Sector)， ✓ 主分区(primary partition)，扩展分区(extension partition)， ✓ 逻辑分区(logical partition)，活动分区(active partition)， ✓ 文件系统(File System)，文件系统格式(File System Type) ✓ 双系统（dual boot ）

✓ IPL （Initial Program Loader ） ✓ MFT （Master File Table ）

一，硬盘保存数据的基本知识

硬盘（Hard Disc ）的名称由来主要是相对于软盘而来，计算机大发展的前期，保存数据用的媒介主要有软盘，硬盘。硬盘是将带有磁性的多枚碟片封存在硬质壳体内，对外（计算机）用标准接口（IDE 、SCSI 、SATA 、SAS ，光纤等）来进行连接，交换数据。为了保存数据，硬盘的物理及逻辑单元划分非常重要，早期的时候，主要的划分参数跟物理构造是密不可分的。发展到现在，硬盘的物理构造(图 1.1)已经发生了结构性的变化，但对硬盘的主要参数（用于保存数据的逻辑，控制等）依然沿用了早期的术语，虽然实际物理硬盘中不一定有对应的事物。下面对几个主要概念进行介绍。

1， 简单的物理原理图（图1.2）

虽然今天的硬盘物理构造千差万别，但存取数据的逻辑构造依然沿用了早期确定下来的标准，主要有三个参数： Cylinder ：柱面， Head ：磁头数， Sector ：扇区。

图1.2中的Platter 俗称碟片，或者盘片，每一枚

盘片上均配有一个磁头用于读取存储在盘片上的数据，想象一下看VCD 或DVD 时的盘片，它只有一面保存数据，所以只有一个磁头（Head ）。碟片可以高速转动，而磁头固定在沿碟片圆心到外缘边际的任意一处半径上，可以沿半径向内靠近圆心，或向外到达碟片

图1.1 硬盘的内部物理构造

图1.2 硬盘的逻辑示意图

的最外缘。这样碟片上的一个个同心圆就叫做磁道（Track）。限于磁头的物理大小，磁道之间必须留有间隔（很小）以防止不同磁道之间的错位读取。物理碟片高速旋转时，磁头就沿着磁道读写数据。再说磁头（Head），硬盘中有上百枚盘片通过中间的旋转轴串起来，相邻上下盘片之间留有空隙用以设置磁头来读取盘片上的数据。这样，有多少盘面（双面盘片）就有多少磁头。盘面数等于磁头数。

每个盘片都被磁头划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，所有盘片上具有相同编号的磁道在立体空间中可以形成一个圆柱体，称之为磁盘的柱面（Cylinder）。磁盘的柱面数与单片盘面上的磁道数是相等的。

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区(Sector)，每个扇区可以存放512个字节（byte=8位/bit）的二进制数据，磁盘驱动器以扇区为单位向磁盘读取和写入数据。即使最小的文件，只有几个字节也会占用512字节的存贮空间。注意不是每个磁道都拥有相同的扇区，越靠近圆心的磁道划分的扇区数越少。即越靠近圆心的磁道，每道保存的数据越少。顺便说明一下，目前所有PC兼容机的块输入输出设备的sector大小均为512Bytes。

所谓硬盘的CHS，即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512Byte。

那么CHS的基本参数是多少呢？以本人使用的计算机为例，各参数的值如下：

✓Cylinder数= 19457个。

✓Head数= 最大为255，目前硬盘的磁头一般为255个，即有约128枚双面盘片。

✓Sector数= 63，（？平均值）外缘扇区数应该比此值大，内缘扇区数应该比此值小。

2，硬盘的容量计算

磁盘的容量大小主要取决于柱面数（Cylinder），即磁道的密度。磁头（Head）和扇区（Sector）数基本上是固定的。那么根据图1.3的参数来计算一

下硬盘的容量吧：

总柱面数：19,457 × 总扇区数：63

×磁头书：255 ×512Bytes/sector =

160,039,272,960 Bytes 即160GB。

注：Ubuntu Linux的字节数单位换

算采用了10进制，例：

1GB=1000MB，1MB=1000KB，

1KB=1000Bytes，所以上面的磁盘

容量显示为160GB，而不是以前

Windows采用的1024进制下的

149GB。1024进制下

图1.3 Linux下显示的硬盘参数

1GB=1024MB，1MB=1024KB，

1KB=1024Bytes。

图1.4为同一硬盘在Windows下看到的磁盘相关参数。也可以看到其他信息如主分区，扩展分区等重要信息，随后详解。

需要注意一下CHS的次序，逻辑上是先扇区（最小存储单位），再磁头，后柱面。为了统一编号，将所有的扇区从0柱面，0磁头，1扇区(注意：Sector的起始编号为1)开始一直编号到19457柱面，255磁头，63扇区即19,547×255×63=312,576,705 。Windows下显示的硬盘分区信息是按照扇区的开始坐标(Start列)~结束坐标(End列)来定位的。而Linux下仅给出了开始柱面（始点）~结束柱面（终点）的信息，并不代表整个柱面上的扇区或磁头都给某分区。