磁道和扇区

二、硬盘的存储结构
硬盘通常由若干盘片组成，存放数据的各个盘面分别称为0面、1面、 2面等， 每个面都有一个专门的读写磁头，一个盘片有上下两个磁头。 硬盘各面上磁道号相同的磁道的集合，称为一个柱面（Cylinder）。 每个面上的磁道数根据硬盘的规格不同而异，可以从数百到数千，每个磁 道上的扇区数可多达63个。 硬盘上的扇区标志不是在一般的格式化时形成的，而是在“低级格式 化”时形成的。 和软盘不同，硬盘的磁道中，扇区号不是依次连续排列，而是按某个 间隔跳跃排列，这个间隔的数字称为交叉因子（也称为交错因子）。主机 从磁盘读写数据时，往往要顺序读写逻辑扇区号相连的若干个扇区，对每 个扇区，不但要读写512 B数据，还要进行一些传送、处理工作，如果扇 区号相连的扇区在实际排列位置上也相邻，由于磁盘的高速旋转，一个扇 区读写后，必要的传送、处理尚未完成，下一个要读写的扇区已经转到磁 头下，等到能够读写时，位置已经错过，只能等待下一次再转过来。适当 选择交叉因子，能使相邻扇区号的两个扇区经过磁头下的时间间隔恰与上 一个扇区的读写、传送、处理的总时间相当，这样就能避免不必要的等待 ，提高存取数据的速度。
⒌文件目录表 为了管理磁盘上的文件，操作系统为磁盘上根目录和所有子目录都建立一 个目录表，目录表由若干表项组成，每项占32B，对应一个文件或一个子目录 。 在表项中有以下几种数据： ①文件主名（或子目录名）和扩展名； ②属性； ③建立或最后修改时间； ④建立或最后修改日期； ⑤起始簇号； ⑥文件长度。 对磁盘格式化后，在盘上建立根目录表，位置在文件分配表之后，其中 所有表项都是空的，以后在根目录中每建立一个新的文件或子目录，就占用 一个空的表项并填入相应内容。 根目录表后，才是供存放文件内容的空间。 子目录表是在创建子目录时生成的。它的构造与根目录表相同，创建时 先占据一个簇，以后随着其中文件个数的增加还可以扩大到更多簇。 当删除一个文件或子目录时，写在盘上的文件内容并不真正清除，相应 的目录项中的内容也不全部清除，只有表项中文件名或子目录名的第一个字 节被改写为E5H，同时，这个文件或子目录占用的各簇在文件分配表中的对应 项被改写成“未占用”。以后，操作系统在使用目录表时，只要表项中存放 名字的第一个字节的内容是E5H，即当做空的表项进行处理。
分区表有4 个表项，可以对应4 个分区，每个表项占用 16B，结构 如下： 对第一个硬盘，驱动器标志的可能取值是80H和00H，在4个表项 中，只有1个是80H ，指明启动时使用这个分区的操作系统（一台机器 只能在一个操作系统的控制下工作，硬盘上安装多种操作系统时，一 次只能运行其中之一），这个分区称为活动分区（Active Partition） 对第二、第三……硬盘，驱动器标志依次为81H、82H……。 系统标识表示分区中安装的是什么操作系统，例如06H 表示DOS 包括Windows 95/98、Windows NT），02H表示UNIX。DOS扩展分区 则用05H表示。 对安装DOS、Windows95/98等操作系统的分区，分区中的起始扇 区，像软盘的第 1 个扇区一样，是引导扇区，其后有文件分配表、根 目录等。 从硬盘启动时，经过硬件检测后首先将主引导扇区读入内存，然 后执行主引导程序。这段程序的主要任务是查看分区表，找到活动分 区后，即从这个分区的起始扇区读入引导记录，以后的过程就与软盘 启动类似了。
ROM BIOS的任务之一，就是实现对磁盘的操作。当系统软 件或应用软件需要存取磁盘上某一扇区的数据时，它们并不直接 跟磁盘驱动器这一硬件设备打交道，而是把磁头号、磁道号、扇 区号组成的扇区地址传送给 BIOS ，由 BIOS 去执行一系列复杂的 操作，完成读写任务。 BIOS的设计者规定，向BIOS传递读写磁盘的要求时，用1个 字节表示磁头号、用2个字节表示磁道号（10位）和扇区号（6位 ）。各种软件在通过BIOS读写硬盘时，都必须遵循这一规定。设 计者当时面对的是容量很小的硬盘，考虑到以后的发展，留有很 大的余量，允许的最大硬盘容量为504MB（厂商标注528MB）。 但近年来，硬盘技术发展迅速，容量不断增加，超过500MB 的硬盘被普遍使用，其磁道数超过1024，每磁道扇区数达到63个 ，已无法在2 个字节中容纳磁道号和扇区号了。然而，由于遵循 原有规定的系统软件和应用软件大量存在，这一规定不能轻易更 改。
第26章 磁盘的存储结构 教学目标: 了解磁盘的结构 教学重点、难点: 掌握磁盘的存储 结构
教学方法:讲练法 教学步骤:
一、磁盘的存储结构
微机故障是指微机系统的硬件发生物理性损坏，或者软 件系统的程序错误。前者一般称硬故障，后者则称软故障。 实践证明，微机发生的故障70％是软故障。 一旦微机发生故障，首先要考虑是否是软件故障，而在 软故障中又要首先想到是否是病毒造成，消除病毒并证实软 件没有问题，最后再查找硬件故障。如果判断错误，开始就 乱动硬件设备，可能使问题更加复杂化，导致小故障变成大 故障。在诊断微机故障时可以先排除软故障的可能后，再考 虑硬故障的诊断。
⒉引导记录 对软盘格式化，在完成所有扇区的划分并写上标志后，DOS自动向0 面0道1扇区写入512B数据。这一扇区称为引导记录，又称为引导扇区、 引导区、启动块、BOOT区等。 引导记录中包含两部分内容，一是引导程序，二是有关磁盘规格的 参数。 ⒊文件存储空间的分配 在操作系统的管理下，用户的数据文件是以文件的形式存放在磁盘 上的。由于文件的大小是动态的（经编辑后会增加或删除部分内容）， 这就对文件的存储方式提出了特殊的要求。 DOS和Windows均以“簇（Cluster）”为基本单位来存放文件，簇的 大小与磁盘规格有关，软盘每簇是一个扇区，硬盘的每簇扇区数随条件 而异，有4、8、16等。 与扇区的逻辑编号类似，簇也有自己的编号，称为簇号。 由于磁盘上文件的变化，同一个文件的数据并不一定连续存放在磁 盘中，往往会分为若干段，就像一条链由若干个环节组成一样，这种存 储方式称为文件的链式存储。
⒋文件分配表 为了实现文件的链式存储，磁盘上必须准确地记录哪些簇已被文件占 用，哪些簇尚未被占用，还必须为每个已占用的簇指明存储后继内容的下 一个簇的簇号，对文件的最后一簇，则要指明本簇不再有后继簇。 磁盘上有一个区域用来存放这些记录，这个区域称为文件分配表，简 称FAT（File Allocation Table），表中有许多表项，每项记录一个簇的信息 。 文件分配表在格式化时形成，紧接在引导记录之后，固定占据若干个 扇区，一式两份，内容完全相同。在正常情况下，初形成的表中所有项都 标为“未占用”，但如果磁盘有局部损坏，格式化程序会检测损坏的簇， 在相应的项中标上“坏簇”，以后存放文件时可以避开这些簇。 目前常用的软盘容量较小，簇数也少，FAT的每一项占据1.5B，称为 12 位FAT，硬盘通常使用16位FAT（记为FAT16）或32位FAT（记为FAT32 ）。 16位表项的FAT，每项占用2字节，这就决定了簇号不能超过FFFFH即 65535。面对越来越大的硬盘，不得不以加大簇容量的方法来限制簇号的扩 大，这是硬盘每簇包含的扇区个数不统一的主要原因。簇容量的增大导致 空间的浪费增大，文件越小，文件个数越多，这种浪费越严重。在 Windows 95/98和Windows NT中，FAT表项允许扩大到4B，即32盘虽然磁道数很多， 但磁头数（面数）尚未用足，因此，可以把一个磁头数较少、 磁道数很多的真实磁盘，看做一个磁头数较多、而磁道数不超 过1024的“逻辑磁盘”，系统软件和应用软件面对的是这个逻 辑磁盘，它的每个扇区都对应真实磁盘的一个扇区，这就是 “逻辑块地址”（Logic Block Addressing，简称LBA）方式。 当软件要对某个扇区进行读写时，BIOS就自动地根据确定的对 应关系进行换算，求得真实的磁头号、磁道号和扇区号，向硬 盘发出读写命令。 硬盘的容量较大，通常可以划分为几个分区（ Partition ） ，这样可以在同一个硬盘上安装两种以上的操作系统。 为实现分区，硬盘上的数据存储结构与软盘不同，0面0道 1 扇区称为主引导扇区，其中的512B包含着主引导程序、分区 表和最后2字节的校验码。
⒈面、磁道和扇区 软盘的圆形薄膜有两个面（Side），目前所使用的软盘两面均可以存 储数据，其中无标签的一面称为0面，有标签的一面称为1面。 由于读写软盘时薄膜是旋转的，因此，连续写入的数据排列在一个 圆周上，称为磁道（Track）。一片软盘可以容纳多个磁道，从外向内编 号，最外面的磁道是0磁道。 每个磁道又被划分为若干段，每段称为一个扇区（Sector），容量通 常是512B字节。 主机与磁盘驱动器之间交换数据是以扇区单位的，即使当前主机只 需要磁盘上存储的某一字节，也必须一次把这个字节所在的扇区中的 512B全部读入内存，再使用所需要的那个字节。 一个扇区所在的面号、道号、扇区号三个数据合称扇区地址，由于 使用面号、道号、扇区号三个数据来指定一个扇区不方便，因此也将盘 上的所有扇区都规定一个连续的、确定的序号，称为逻辑扇区号，如0面 0道1扇区称为0号扇区、0面0 道2扇区称为1号扇区……，依次类推。 软盘格式化的主要任务之一，就是在磁盘表面写上这些扇区标志。