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装系统不求人——硬盘的秘密深入

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**写在前面：**本篇是在本系列之前文章《装系统不求人——硬盘的秘密》的基础上，对一些技术细节的补充。有利于对装系统过程中一些问题的理解，不看的话对学习装系统影响不大。难度略大，也难以举出一些通俗易懂的例子什么的，全靠个人理解力了，适合对计算机技术很感兴趣的读者看。

还要说明的是，这篇文章里面介绍的内容以MBR硬盘为主，部分内容适用于GPT硬盘。GPT硬盘目前还没有完全普及，资料较少，也没有去做详细研究。

磁道、柱面、磁头、扇区、CHS寻址

下图分别是整个硬盘和单个硬盘盘片简单的示意图，盘片被分为一圈一圈用于保存数据。

  • 每一圈的轨迹，称为磁道（Track）
  • 多个盘片重叠起来，直径相同的一组磁道组成圆柱形，称为柱面（Cylinder）
  • 盘片可以是单面，也可以是双面的，在每个可用盘面，都有一个用于数据读写的磁头（Head）
  • 磁道按照一定的弧度被分割成一个一个的扇形区域，称为扇区（Sector）

硬盘的读写以扇区为基本单位，为了确定扇区位置，可以使用CHS寻址方式来表示，即柱面（C）、磁头（H）、扇区（S）序号。

ZBR（区位记录）

ZBR = Zoned-bit Recording，区位记录

在前面的示意图中，每个磁道包含的扇区数相同，因此外圈的扇区弧长远比内圈大，好处是硬盘的控制技术实现容易，坏处是没有充分利用存储空间。于是就有了ZBR技术，将硬盘从内到外分成多个区，同一个区每个磁道有相同数目的扇区，但靠外的区包含的扇区要比靠内的区多。示意图如下。

对于现代磁盘，CHS方式已经不能满足需要，常使用LBA模式来进行寻址。具体可自行学习。

详细解释MBR

典型的扇区容量为512字节。MBR格式硬盘的第一个扇区，称为主引导扇区。在这512字节中，保存了这些内容：

  • 446字节的主引导程序。准确说来，主引导记录MBR指的是就这里446B的主引导程序。
  • 64字节的分区表，分为四条，每条16字节，分别记录一个主分区或扩展分区，这就是主/扩展分区总量不能超过4个的根本原因。
  • 由于每条分区记录只有16字节，并按照一定的格式保存信息，长度限制使得MBR只能支持2TB硬盘分区。
  • 2字节的分区有效标志，即十六进制的0x55AA。它是硬盘被正确识别的前提，通过修改这个标志位，可以让硬盘无法被常规软件识别，从而实现硬盘加密。

习惯性的也用MBR指代整个主引导扇区（即广义的理解）。主引导扇区示意图如下：

用DiskGenius软件打开硬盘，选择扇区编辑，就能看到主引导扇区了。而在地址为0x1FE的地方，就是硬盘分区的有效标志55AA了，如图右下角。

在BIOS设置中，我们已经说了系统开机的过程：BIOS --> BootLoader --> 操作系统。对于MBR格式的硬盘来说，MBR本身就保存了BootLoader，例如我们可以将grub安装到MBR中。

由于MBR空间较小，实际上grub只是部分被安装进去，另外一部分grub则会在MBR执行完成后，被加载到内存中继续运行，之后再由BootLoader启动操作系统。

GPT

根据网上的资料，简单解释下GPT的实质。

  • 在MBR硬盘中，分区表直接保存在第一个扇区即MBR中。

  • 在GPT硬盘中，为了兼容性，第一扇区仍然保留给MBR，称为保护MBR。

  • 在GPT硬盘中，保护MBR之后是GPT头，保存了分区表等硬盘信息。

  • 不支持GPT的软件，会将GPT硬盘视为MBR类型，从保护MBR读取信息，只能识别出一个未知类型的分区，从而不会误操作GPT分区（所以起到了保护作用）。

    除非删除整个硬盘的分区，然后重新建MBR分区（这时整个硬盘的GPT头和其后的GPT分区都会被破坏掉，硬盘又变成了MBR类型）。

PBR / DBR / OBR

  • PBR = Partition Boot Record，分区引导记录
  • DBR = DOS Boot Record，DOS引导记录
  • OBR = OS Boot Record，系统引导记录

在Windows系统中，每个主分区或逻辑分区的第一个扇区，存放了PBR，这个记录在格式化时就被写入到分区。

活动分区的PBR又被称为DBR，改名为OBR更准确。原因是，DBR特指DOS引导记录，OBR表示系统引导记录，包含了Windows。

DOS是比较早的操作系统，之后才有了图形化的Windows系统。

OBR的作用是加载该分区的操作系统内核或BootLoader：

  • 对于DOS / Win 9x，加载的是IO.SYS文件
  • 对于Win 2000 / XP / 2003，加载的是NTLDR
  • 对于Win Vista / 2008 / 7 / 8，加载的是BootMgr
  • 对于安装了Grub的分区，加载的是grldr

注意区别，主引导记录MBR保存在整个硬盘的第一个扇区，而PBR保存在每个分区的第一个扇区。

  • PBR在分区格式化时会被写到磁盘上，可以通过fixboot命令修复
  • 和主引导记录MBR一样，PBR最后两个字节也是0x55AA标志
  • 开机提示"Error loading operating system"，表明读取OBR出错
  • 开机提示"Missing operating system"，是因为OBR末尾没有标志位0x55AA

下图是我的硬盘活动分区中的OBR信息：


EBR与逻辑分区

EBR = Extended Boot Record，扩展分区引导记录

EBR是和MBR相对应的概念。主引导扇区的分区表DPT中只有四项，因此主/扩展分区最多只能有四个。扩展分区只能有一个、逻辑分区最大数量限制，都是受到操作系统的限制。

主/扩展分区的分区表，保存在硬盘的主引导扇区的DPT中；而逻辑分区的分区信息是链式的。

每个逻辑分区前都有一个扇区，格式类似主引导扇区，称为扩展引导记录EBR。其分区表的第一项指向该逻辑分区本身的引导扇区PBR，第二项指向下一个逻辑分区前面的EBR，第三、第四项没有用到。

下图是我的硬盘中的第一个EBR，可以看出前面446字节对应主引导扇区中MBR的区域均为空，而后面64字节的分区表只用了前两项，结束符为0x55AA。

完整硬盘结构图

Windows下完整的硬盘结构图如下。

完整的Windows启动过程

根据前面的介绍，最后完整的Windows启动过程通常如下：

  • BIOS（基本输入输出系统）
  • MBR（主引导记录）
  • DPT（分区表）
  • OBR（系统引导记录，即活动分区的PBR）
  • BootLoader（启动器，如NTLDR、BootMgr）
  • 操作系统

分区编号补充

Linux系统中，实际的硬盘分区通过分区编号访问。但是在进入Linux系统读写文件的时候，各种存储设备以及硬盘分区，常会被挂载到根目录下的特定目录，从而进行访问。例如基于Linux的安卓手机SD卡，其路径通常是"/mnt/sdcard/"，而不是Windows中的盘符。

由于Grub4dos最初来源于Linux，它的配置文件menu.lst中的路径就是按照设备名、设备编号和分区编号来写的。

例如下面代码中的(hd0,0)：

  1. title 启动Win7PE精简网络版
  2. map (hd0,0)/boot/imgs/win7pe.iso (hd32)
  3. map --hook
  4. chainloader (hd32)
  5. boot

参考资料

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