xv6(8) 磁盘及分区理论

磁盘及分区理论

温彻斯特硬盘

今天我们所使用的机械硬盘实质上都是温彻斯特硬盘，最早是在 1973 年由 IBM 研制的一种新型硬盘 IBM 3340。它使用了一种了不起的技术：磁头不与盘片接触，只有不予接触才可能有着更高的转速而且磁盘才不易损坏。至于这个名字的来历，是因为 IBM3340 拥有两个 30MB de 存储单元，而当时一种很有名的 “温彻斯特来福枪” 的口径和装药也恰好包含了两个数字 “30”；于是这种硬盘的内部代号就被定为 “温彻斯特”。

我们来看看这种硬盘的结构图：

盘片盘面磁头

上图中光盘状的东西就是盘面，有两个面叫做盘面，上面分布着磁性介质。每个盘面都有个磁头，用来读写盘面上的数据。

磁道扇区

上图中灰色的圆环就是磁道，磁道上的绿色的一段弧为扇区，扇区是磁盘读写的基本单位，通常为512字节。

柱面

每个磁道由外向里从 0 编号，不同盘面上编号相同的磁道组成的圆柱称为磁盘的柱面。

相关计算

硬盘容量

$容量 = 盘片数 \times 2 \times 磁道数 \times 扇区数 \times 512$

访问时间

寻道时间

将磁头移动到相应的磁道上所需要的时间。

旋转时间

将目标扇区的第一位移动到磁头下面所需要的时间，计算时一般用平均旋转时间即旋转半圈需要的时间。

传送时间

也就是磁盘旋转读取数据的时间，一般也取决于旋转速度。

看几个经典例题：

寻道时间：$6ms$

平均旋转时间：$\frac{60}{10000} \times 1000 \div 2 = 3ms$

传送时间：这里给出了传输速率那就直接用他给的这个速率来算：$4 \div 1024 \div 20 \times 1000 \approx 0.2ms$

所以总时间再加上磁盘控制器的延迟则为：$6+3+0.2+0.2=9.4ms$

寻址

CHS

CHS 即 Cylinder(柱面)、Heads(磁头)、Sector(扇区)，使用这三个参数来定位一个扇区，柱面参数使磁头臂移动到某个半径，磁头参数确定是哪个盘面上的磁道，扇区参数则确定该磁道上某个扇区的具体位置。

柱面，磁头一般都是从 0 开始编号，扇区从 1 开始编号。

早期 CHS 这个三元组用 24 位来表示，前 10位 表示柱面，中间 8 位表示磁头，后面 6 位表示扇区，最大寻址空间为 $2^{10}\times2^8\times2^6\times512\div2^{30} = 2^3=8GB$。

LBA

LBA(Logical Block Addressing)，逻辑块地址实际上就是 CHS 的转化，将三元组转换为一维的线性地址。转换方式如下：

$CHS = (C,H,S)$

$LBA = (C\times磁头数+H)\times扇区数+(S-1)$

最后加上 $S - 1$ 是因为 $LBA$ 从 $0$ 开始编号，这个转换只适用于每个磁道扇区数一样多的磁盘，现在的磁盘都不是这样的了，有 LBA 与 CHS 有更复杂的转换机制，这都不是我们需要考虑的了，硬件厂商已经为我们做好了。

FAQ

每个磁道的扇区数一样多吗？

前面也回答了，不是，早期的硬盘每个磁道的扇区数是一样的，外磁道和内磁道的记录密度是不等的，外磁道稀疏内磁道密集，这也造成了很多浪费。因此后来出现了 ZBR(Zone Block Record)，采用等密度结构，即外磁道的扇区数多于内磁道的扇区数，如下图所示：

显然，因为磁道的扇区数可能不一样，逻辑地址和物理地址之间的转换将更加复杂精细，这一部分都是由磁盘控制器来做的，根据各个磁盘的特性设置芯片来具体工作，不需要我们认为操心了解即可。

另外硬盘的旋转速度一般是保持恒定的，而外磁道的扇区数又要多于内磁道，所以单位时间内扫过的扇区数明显外磁道是要多于内磁道的，因此外磁道的数据传输速度是要快于内磁道的。

扇区信息

扇区一般由两部分组成，一部分是头区域，另一部分是数据区域。数据区域不用多说，就是存储数据的部分，而头区域则包括包含驱动器和控制器使用的信息，具体来说就是一些地址标识，缺陷标识以及错误检测和纠正信息。

寻找相应的扇区就是依靠扇区记录的头信息来寻找的，期间磁盘控制器需要检验这些头部信息和传输数据，需要花费一定时间才能访问下一个扇区，所以扇区号的物理排列不应是连续的，如果连续的话有可能刚处理完当前扇区，磁头已经转到之后的好几个扇区了，再想处理下一个扇区的话得等待许久。所以磁盘出厂时一般都会做低级格式化，跳跃着将扇区编号，给检验传输等留出足够的时间。而高级格式化就是给磁盘分区制作文件系统。

扇区、块/簇、页

扇区：硬盘最小的读写单元

块/簇：多个扇区组合在一起为一个块，一般是 $2^n$ 个扇区，是操作系统对硬盘读写最小单元

页：操作系统与内存之间操作的最小单元，一般 $4KB$

MBR分区

关于分区前面说过一些，这里再仔细讲讲。这儿主要讲的是传统的 $MBR$ 分区。

$MBR(Main Boot Record)$主引导记录，它位于整个硬盘的第一个扇区即 0 柱面，0 磁头，1 扇区(前面说过 $CHS$ 方式以 1 开始编号)。分为三部分：

1. 引导程序和一些参数，$446$ 字节
2. 分区表 $DPT$，$64$ 字节
3. 结尾标记 $0x55$ 和 $0xAA$，2字节

分区表

分区表有 4 个表项，每个表项 16 字节，结构如下：

扩展分区

分区表只有 4 个表项，也就是说只能原生支持 4 个分区，现在来说 4 个分区远远不够，于是有了扩展分区。

扩展分区是可选项可有可无，有最多只有一个，为了区分其他的三个分区称为主分区。

扩展分区可以分为多个子扩展分区，子扩展分区就像是一个单独的硬盘，最开始的扇区为扩展引导扇区 EBR，结构同 MBR，只是分区表只用了两项，第一项表示该子扩展分区的逻辑分区，第二项表示下一个子扩展分区，其他两项为 0 。因此扩展分区就像是构建了一个单链表，将各个子扩展分区连起来。

关于 MBR，EBR 的分区表项中起始偏移扇区注意以下几点：

1. MBR 的分区表项中，起始偏移扇区的基准为 0。
2. EBR 描述逻辑分区的起始偏移扇区基准为该子扩展分区的地址，也就是上一个子扩展分区中 EBR 记录的下一个子扩展分区的偏移扇区。
3. EBR 描述下一个子扩展分区的起始偏移扇区基准为总扩展分区地址，也就是 MBR 中记录的扩展分区的偏移扇区

来看一看一个硬盘的分区布局图：

OBR(OS Boot Record)，位于主分区/逻辑分区的第一个扇区，称为操作系统引导扇区，还记得分区表项中第 0 个字节吗，如果为 0x80 则说明该分区有 OBR 存在操作系统，能够引导是为活动分区。

MBR，EBR，OBR 这三个不要弄混淆了，MBR 位于整个磁盘的第一个扇区，里面的分区表描述的是主分区和总扩展分区。而 EBR 位于子扩展分区的第一个扇区，分区表描述的是是逻辑分区和下一个子扩展分区。OBR 位于实际分区的第一个扇区，它是操作系统的引导程序，用来加载操作系统。

但实际上述讲述的这些规则 xv6 一个都没用上，想想 xv6 的启动，简化了很多很多，基本不沾边。

FAQ

每个分区最大容量是多少？

分区表项中最后 4 字节表示容量，因为只用了 4 字节来表示总的扇区数，如果每个扇区的容量为 512 字节的话，则每个分区最大容量为：

$$2^{32}\times512 \div 2^{40} = 2TB$$

空闲扇区

分区时不能跨柱面，也就不能跨磁道，而 MBR，EBR 需要占用一个扇区，分区不会与它们处于同一个磁道，因此分区通常会偏移一个磁道的大小，期间这没用的扇区就是空闲扇区。

GPT分区

传统的 MBR 分区有许多限制，比如只能支持 4 个主分区，而且每个分区大小不能超过 2TB 等等，所以后来提出了一种新的方案 GPT，它有着以下优点：

1. 每个硬盘的分区数分区大小几乎没有限制
2. 分区表有备份，磁盘首位分别保存了一份相同的分区表
3. 关键数据结构有循环冗余检测
4. 使用全局标识符(GUID)来标识分区类型
5. 每个分区有名称

使用 GPT 分区的磁盘叫做 GPT 磁盘，其结构布局如下所示：

保护性MBR

位于 LBA0，第 0 个扇区，为了兼容性考虑还是存储的传统的 MBR，叫做保护性 MBR，只有一个类型为 0xEE 的分区表项表示该磁盘使用 GPT 分区，保护性 MBR 的主要作用是保护不能识别 GPT 分区的磁盘工具对其进行操作。

分区表头

位于 LBA1，第 1 个扇区，主要结构如下：

分区表项

位于 LBA2—LBA33 ，结构如下：

各个字节表示什么应该很清楚了，就不具体解释了，LBA33 之后就是各个具体的分区，然后磁盘最后 33 个扇区是倒着存放的分区表头和分区表。这就是整个 GPT 磁盘的布局，再回头去看看整个分区布局图，应该会很清晰了。

好了本节就这样吧，有什么问题还请批评指正，也欢迎大家来同我讨论交流学习进步。