Fat文件系統(tǒng)原理介紹

發(fā)布時(shí)間：2013-01-30 17:42:59 作者：佚名

我要評論

這篇文章主要是介紹硬盤的工作原理與結(jié)構(gòu)，F(xiàn)at文件系統(tǒng)的原理也簡單說明下，方便需要的朋友

一、硬盤的物理結(jié)構(gòu)：

硬盤存儲數(shù)據(jù)是根據(jù)電、磁轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)的。硬盤由一個(gè)或幾個(gè)表面鍍有磁性物質(zhì)的金屬或玻璃等物質(zhì)盤片以及盤片兩面所安裝的磁頭和相應(yīng)的控制電路組成(圖1)，其中盤片和磁頭密封在無塵的金屬殼中。

硬盤工作時(shí)，盤片以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，設(shè)置在盤片表面的磁頭則在電路控制下徑向移動到指定位置然后將數(shù)據(jù)存儲或讀取出來。當(dāng)系統(tǒng)向硬盤寫入數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭中“寫數(shù)據(jù)”電流產(chǎn)生磁場使盤片表面磁性物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變，并在寫電流磁場消失后仍能保持，這樣數(shù)據(jù)就存儲下來了；當(dāng)系統(tǒng)從硬盤中讀數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭經(jīng)過盤片指定區(qū)域，盤片表面磁場使磁頭產(chǎn)生感應(yīng)電流或線圈阻抗產(chǎn)生變化，經(jīng)相關(guān)電路處理后還原成數(shù)據(jù)。因此只要能將盤片表面處理得更平滑、磁頭設(shè)計(jì)得更精密以及盡量提高盤片旋轉(zhuǎn)速度，就能造出容量更大、讀寫數(shù)據(jù)速度更快的硬盤。這是因?yàn)楸P片表面處理越平、轉(zhuǎn)速越快就能越使磁頭離盤片表面越近，提高讀、寫靈敏度和速度；磁頭設(shè)計(jì)越小越精密就能使磁頭在盤片上占用空間越小，使磁頭在一張盤片上建立更多的磁道以存儲更多的數(shù)據(jù)。

二、硬盤的邏輯結(jié)構(gòu)。

硬盤由很多盤片(platter)組成，每個(gè)盤片的每個(gè)面都有一個(gè)讀寫磁頭。如果有N個(gè)盤片。就有2N個(gè)面，對應(yīng)2N個(gè)磁頭(Heads)，從0、1、2開始編號。每個(gè)盤片被劃分成若干個(gè)同心圓磁道(邏輯上的，是不可見的。)每個(gè)盤片的劃分規(guī)則通常是一樣的。這樣每個(gè)盤片的半徑均為固定值R的同心圓再邏輯上形成了一個(gè)以電機(jī)主軸為軸的柱面(Cylinders)，從外至里編號為0、1、2……每個(gè)盤片上的每個(gè)磁道又被劃分為幾十個(gè)扇區(qū)(Sector)，通常的容量是512byte，并按照一定規(guī)則編號為1、2、3……形成Cylinders×Heads×Sector個(gè)扇區(qū)。這三個(gè)參數(shù)即是硬盤的物理參數(shù)。我們下面的很多實(shí)踐需要深刻理解這三個(gè)參數(shù)的意義。

三、磁盤引導(dǎo)原理。

3.1 MBR(master boot record)扇區(qū)：

計(jì)算機(jī)在按下power鍵以后，開始執(zhí)行主板bios程序。

進(jìn)行完一系列檢測和配置以后。開始按bios中設(shè)定的系統(tǒng)引導(dǎo)順序引導(dǎo)系統(tǒng)。假定現(xiàn)在是硬盤。Bios執(zhí)行完自己的程序后如何把執(zhí)行權(quán)交給硬盤呢。交給硬盤后又執(zhí)行存儲在哪里的程序呢。其實(shí)，稱為mbr的一段代碼起著舉足輕重的作用。MBR(master boot record),即主引導(dǎo)記錄，有時(shí)也稱主引導(dǎo)扇區(qū)。位于整個(gè)硬盤的0柱面0磁頭1扇區(qū)(可以看作是硬盤的第一個(gè)扇區(qū))，bios在執(zhí)行自己固有的程序以后就會jump到mbr中的第一條指令。將系統(tǒng)的控制權(quán)交由mbr來執(zhí)行。在總共512byte的主引導(dǎo)記錄中，MBR的引導(dǎo)程序占了其中的前446個(gè)字節(jié)(偏移0H~偏移1BDH)，隨后的64個(gè)字節(jié)(偏移1BEH~偏移1FDH)為DPT(Disk PartitionTable，硬盤分區(qū)表)，最后的兩個(gè)字節(jié)“55 AA”(偏移1FEH~偏移1FFH)是分區(qū)有效結(jié)束標(biāo)志。

MBR不隨操作系統(tǒng)的不同而不同，意即不同的操作系統(tǒng)可能會存在相同的MBR，即使不同，MBR也不會夾帶操作系統(tǒng)的性質(zhì)。具有公共引導(dǎo)的特性。

我們來分析一段mbr。下面是用WinHex查看的一塊希捷120GB硬盤的mbr。

你的硬盤的MBR引導(dǎo)代碼可能并非這樣。不過即使不同，所執(zhí)行的功能大體是一樣的。這是wowocock關(guān)于磁盤mbr的反編譯，已加了詳細(xì)的注釋，感興趣可以細(xì)細(xì)研究一下。

我們看DPT部分。操作系統(tǒng)為了便于用戶對磁盤的管理。加入了磁盤分區(qū)的概念。即將一塊磁盤邏輯劃分為幾塊。磁盤分區(qū)數(shù)目的多少只受限于C～Z的英文字母的數(shù)目，在上圖DPT共64個(gè)字節(jié)中如何表示多個(gè)分區(qū)的屬性呢? Microsoft通過鏈接的方法解決了這個(gè)問題。在DPT共64個(gè)字節(jié)中，以16個(gè)字節(jié)為分區(qū)表項(xiàng)單位描述一個(gè)分區(qū)的屬性。也就是說，第一個(gè)分區(qū)表項(xiàng)描述一個(gè)分區(qū)的屬性，一般為基本分區(qū)。第二個(gè)分區(qū)表項(xiàng)描述除基本分區(qū)外的其余空間，一般而言，就是我們所說的擴(kuò)展分區(qū)。這部分的大體說明見表1。

表1 圖2分區(qū)表第一字段字節(jié)位移字段長度值字段名和定義0x01BEBYTE0x80引導(dǎo)指示符(Boot Indicator)指明該分區(qū)是否是活動分區(qū)。0x01BFBYTE0x01開始磁頭(Starting Head)0x01C06位0x01開始扇區(qū)(Starting Sector)只用了0~5位。后面的兩位(第6位和第7位)被開始柱面字段所使用0x01C110位0x00開始柱面(Starting Cylinder)除了開始扇區(qū)字段的最后兩位外，還使用了1位來組成該柱面值。開始柱面是一個(gè)10位數(shù)，最大值為10230x01C2BYTE0x07系統(tǒng)ID(System ID)定義了分區(qū)的類型，詳細(xì)定義，請參閱圖40x01C3BYTE0xFE結(jié)束磁頭(Ending Head)0x01C46位0xFF結(jié)束扇區(qū)(Ending Sector)只使用了0~5位。最后兩位(第6、7位)被結(jié)束柱面字段所使用0x01C510位0x7B結(jié)束柱面(Ending Cylinder)除了結(jié)束扇區(qū)字段最后的兩位外，還使用了1位，以組成該柱面值。結(jié)束柱面是一個(gè)10位的數(shù)，最大值為10230x01C6DWord0x0000003F相對扇區(qū)數(shù)(Relative Sectors) 從該磁盤的開始到該分區(qū)的開始的位移量，以扇區(qū)來計(jì)算0x01CADWord0x00DAA83D總扇區(qū)數(shù)(Total Sectors)該分區(qū)中的扇區(qū)總數(shù)

注：上表中的超過1字節(jié)的數(shù)據(jù)都以實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，就是按高位到地位的方式顯示。存儲時(shí)是按低位到高位存儲的。兩者表現(xiàn)不同，請仔細(xì)看清楚。以后出現(xiàn)的表，圖均同。也可以在WinHex中看到這些參數(shù)的意義：

說明：每個(gè)分區(qū)表項(xiàng)占用16個(gè)字節(jié)，假定偏移地址從0開始。如圖3的分表項(xiàng)3。分區(qū)表項(xiàng)4同分區(qū)表項(xiàng)3。

1、0H偏移為活動分區(qū)是否標(biāo)志，只能選00H和80H。80H為活動，00H為非活動。其余值對microsoft而言為非法值。

2、重新說明一下(這個(gè)非常重要)：大于1個(gè)字節(jié)的數(shù)被以低字節(jié)在前的存儲格式格式(little endian format) 或稱反字節(jié)順序保存下來。低字節(jié)在前的格式是一種保存數(shù)的方法，這樣，最低位的字節(jié)最先出現(xiàn)在十六進(jìn)制數(shù)符號中。例如，相對扇區(qū)數(shù)字段的值0x3F000000的低字節(jié)在前表示為0x0000003F。這個(gè)低字節(jié)在前的格式數(shù)的十進(jìn)制數(shù)為63。

3、系統(tǒng)在分區(qū)時(shí)，各分區(qū)都不允許跨柱面，即均以柱面為單位，這就是通常所說的分區(qū)粒度。有時(shí)候我們分區(qū)是輸入分區(qū)的大小為7000M，分出來卻是6997M，就是這個(gè)原因。偏移2H和偏移6H的扇區(qū)和柱面參數(shù)中,扇區(qū)占6位(bit)，柱面占10位(bit)，以偏移6H為例，其低6位用作扇區(qū)數(shù)的二進(jìn)制表示。其高兩位做柱面數(shù)10位中的高兩位，偏移7H組成的8位做柱面數(shù)10位中的低8位。由此可知，實(shí)際上用這種方式表示的分區(qū)容量是有限的，柱面和磁頭從0開始編號,扇區(qū)從1開始編號,所以最多只能表示1024個(gè)柱面×63個(gè)扇區(qū)×256個(gè)磁頭×512byte=8455716864byte。即通常的8.4GB(實(shí)際上應(yīng)該是7.8GB左右)限制。實(shí)際上磁頭數(shù)通常只用到255個(gè)(由匯編語言的尋址寄存器決定),即使把這3個(gè)字節(jié)按線性尋址，依然力不從心。在后來的操作系統(tǒng)中，超過8.4GB的分區(qū)其實(shí)已經(jīng)不通過C/H/S的方式尋址了。而是通過偏移CH～偏移FH共4個(gè)字節(jié)32位線性扇區(qū)地址來表示分區(qū)所占用的扇區(qū)總數(shù)?？芍ㄟ^4個(gè)字節(jié)可以表示2^32個(gè)扇區(qū)，即2TB=2048GB，目前對于大多數(shù)計(jì)算機(jī)而言，這已經(jīng)是個(gè)天文數(shù)字了。在未超過8.4GB的分區(qū)上，C/H/S的表示方法和線性扇區(qū)的表示方法所表示的分區(qū)大小是一致的。也就是說，兩種表示方法是協(xié)調(diào)的。即使不協(xié)調(diào)，也以線性尋址為準(zhǔn)。(可能在某些系統(tǒng)中會提示出錯(cuò))。超過8.4GB的分區(qū)結(jié)束C/H/S一般填充為FEH FFH FFH。即C/H/S所能表示的最大值。有時(shí)候也會用柱面對1024的模來填充。不過這幾個(gè)字節(jié)是什么其實(shí)都無關(guān)緊要了。

雖然現(xiàn)在的系統(tǒng)均采用線性尋址的方式來處理分區(qū)的大小。但不可跨柱面的原則依然沒變。本分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)加上與前一分區(qū)之間的保留扇區(qū)數(shù)目依然必須是柱面容量的整數(shù)倍。(保留扇區(qū)中的第一個(gè)扇區(qū)就是存放分區(qū)表的MBR或虛擬MBR的扇區(qū)，分區(qū)的扇區(qū)總數(shù)在線性表示方式上是不計(jì)入保留扇區(qū)的。如果是第一個(gè)分區(qū)，保留扇區(qū)是本分區(qū)前的所有扇區(qū)。

附：分區(qū)表類型標(biāo)志如圖4

3.2 擴(kuò)展分區(qū)：

擴(kuò)展分區(qū)中的每個(gè)邏輯驅(qū)動器都存在一個(gè)類似于MBR的擴(kuò)展引導(dǎo)記錄( Extended Boot Record, EBR)，也有人稱之為虛擬mbr或擴(kuò)展mbr，意思是一樣的。擴(kuò)展引導(dǎo)記錄包括一個(gè)擴(kuò)展分區(qū)表和該扇區(qū)的標(biāo)簽。擴(kuò)展引導(dǎo)記錄將記錄只包含擴(kuò)展分區(qū)中每個(gè)邏輯驅(qū)動器的第一個(gè)柱面的第一面的信息。一個(gè)邏輯驅(qū)動器中的引導(dǎo)扇區(qū)一般位于相對扇區(qū)32或63。但是，如果磁盤上沒有擴(kuò)展分區(qū)，那么就不會有擴(kuò)展引導(dǎo)記錄和邏輯驅(qū)動器。第一個(gè)邏輯驅(qū)動器的擴(kuò)展分區(qū)表中的第一項(xiàng)指向它自身的引導(dǎo)扇區(qū)。第二項(xiàng)指向下一個(gè)邏輯驅(qū)動器的EBR。如果不存在進(jìn)一步的邏輯驅(qū)動器，第二項(xiàng)就不會使用，而且被記錄成一系列零。如果有附加的邏輯驅(qū)動器，那么第二個(gè)邏輯驅(qū)動器的擴(kuò)展分區(qū)表的第一項(xiàng)會指向它本身的引導(dǎo)扇區(qū)。第二個(gè)邏輯驅(qū)動器的擴(kuò)展分區(qū)表的第二項(xiàng)指向下一個(gè)邏輯驅(qū)動器的EBR。擴(kuò)展分區(qū)表的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)永遠(yuǎn)都不會被使用。

通過一幅4分區(qū)的磁盤結(jié)構(gòu)圖可以看到磁盤的大致組織形式。如圖5：

關(guān)于擴(kuò)展分區(qū)，如圖6所示，擴(kuò)展分區(qū)中邏輯驅(qū)動器的擴(kuò)展引導(dǎo)記錄是一個(gè)連接表。該圖顯示了一個(gè)擴(kuò)展分區(qū)上的三個(gè)邏輯驅(qū)動器，說明了前面的邏輯驅(qū)動器和最后一個(gè)邏輯驅(qū)動器之間在擴(kuò)展分區(qū)表中的差異。

除了擴(kuò)展分區(qū)上最后一個(gè)邏輯驅(qū)動器外，表2中所描述的擴(kuò)展分區(qū)表的格式在每個(gè)邏輯驅(qū)動器中都是重復(fù)的：第一個(gè)項(xiàng)標(biāo)識了邏輯驅(qū)動器本身的引導(dǎo)扇區(qū)，第二個(gè)項(xiàng)標(biāo)識了下一個(gè)邏輯驅(qū)動器的EBR。最后一個(gè)邏輯驅(qū)動器的擴(kuò)展分區(qū)表只會列出它本身的分區(qū)項(xiàng)。最后一個(gè)擴(kuò)展分區(qū)表的第二個(gè)項(xiàng)到第四個(gè)項(xiàng)被使用。

表2 擴(kuò)展分區(qū)表項(xiàng)的內(nèi)容擴(kuò)展分區(qū)表項(xiàng)分區(qū)表項(xiàng)的內(nèi)容第一個(gè)項(xiàng)包括數(shù)據(jù)的開始地址在內(nèi)的與擴(kuò)展分區(qū)中當(dāng)前邏輯驅(qū)動器有關(guān)的信息第二個(gè)項(xiàng)有關(guān)擴(kuò)展分區(qū)中的下一個(gè)邏輯驅(qū)動器的信息，包括包含下一個(gè)邏輯驅(qū)動器的DBR的扇區(qū)的地址。如果不存在進(jìn)一步的邏輯驅(qū)動器的話，該字段不會被使用。第三個(gè)項(xiàng)未用第四個(gè)項(xiàng)未用

擴(kuò)展分區(qū)表項(xiàng)中的相對扇區(qū)數(shù)字段所顯示的是從擴(kuò)展分區(qū)開始到邏輯驅(qū)動器中第一個(gè)扇區(qū)的位移的字節(jié)數(shù)。總扇區(qū)數(shù)字段中的數(shù)是指組成該邏輯驅(qū)動器的扇區(qū)數(shù)目?？偵葏^(qū)數(shù)字段的值等于從擴(kuò)展分區(qū)表項(xiàng)所定義的引導(dǎo)扇區(qū)到邏輯驅(qū)動器末尾的扇區(qū)數(shù)。有時(shí)候在磁盤的末尾會有剩余空間，剩余空間是什么呢？我們前面說到，分區(qū)是以1柱面的容量為分區(qū)粒度的，那么如果磁盤總空間不是整數(shù)個(gè)柱面的話，不夠一個(gè)柱面的剩下的空間就是剩余空間了，這部分空間并不參與分區(qū)，所以一般無法利用。照道理說，磁盤的物理模式?jīng)Q定了磁盤的總?cè)萘烤蛻?yīng)該是整數(shù)個(gè)柱面的容量，為什么會有不夠一個(gè)柱面的空間呢。在我的理解看來，本來現(xiàn)在的磁盤為了更大的利用空間，一般在物理上并不是按照外圍的扇區(qū)大于里圈的扇區(qū)這種管理方式，只是為了與操作系統(tǒng)兼容而抽象出來CHS?？赡芷鋵?shí)際空間容量不一定正好為整數(shù)個(gè)柱面的容量。