硬碟結構簡介 (轉)[@more@]

結構簡介

信人: suzhe (I Love ), 信區: Linux
標　題: HardDisk,Partition,Boot,OSLoader專題(1)
發信站: BBS 水木清華站 (Sat Nov 20 16:12:06 1999)

　　第一部分　簡　介
1,1
一. 硬碟結構簡介

　1. 硬碟引數釋疑

　　到目前為止, 人們常說的硬碟引數還是古老的 CHS(Cylinder/Head/Sector)
引數. 那麼為什麼要使用這些引數,它們的意義是什麼?它們的取值範圍是什麼?
　　很久以前, 硬碟的容量還非常小的時候,人們採用與類似的結構生產硬
盤. 也就是硬碟碟片的每一條磁軌都具有相同的扇區數.由此產生了所謂的3D參
數 (Disk Geometry). 既磁頭數(Heads), 柱面數(Cylinders),扇區數(Sectors),
以及相應的定址方式.

　　其中:

　　磁頭數(Heads)表示硬碟總共有幾個磁頭,也就是有幾面碟片, 最大
為 255 (用 8 個二進位制位);
　　柱面數(Cylinders) 表示硬碟每一面碟片上有幾條磁軌,最大為 1023
(用 10 個二進位制位儲存);
　　扇區數(Sectors) 表示每一條磁軌上有幾個扇區, 最大為 63(用 6
個二進位制位儲存).
　　每個扇區一般是 512個位元組, 理論上講這不是必須的,但好象沒有取
別的值的.

　　所以最大容量為:

　　255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 8024 GB ( 1M =1048576 Bytes )
或硬碟廠商常用的單位:
　　255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8414 GB ( 1M =1000000 Bytes )

　　在 CHS 定址方式中, 磁頭, 柱面, 扇區的取值範圍分別為 0到 Heads - 1,
0 到 Cylinders - 1, 1 到 Sectors (注意是從 1 開始).

　2. 基本 Int 13H 簡介

　　 Int 13H 呼叫是 BIOS提供的磁碟基本輸入輸出中斷呼叫, 它可以
完成磁碟(包括硬碟和軟盤)的復位, 讀寫, 校驗, 定位, 診斷,格式化等功能.
它使用的就是 CHS 定址方式, 因此最大識能訪問 8 GB 左右的硬碟 (本文中
如不作特殊說明, 均以 1M = 1048576 位元組為單位).

　3. 現代硬碟結構簡介

　　在老式硬碟中, 由於每個磁軌的扇區數相等,所以外道的記錄密度要遠低
於內道, 因此會浪費很多磁碟空間 (與軟盤一樣). 為了解決這一問題,進一
步提高硬碟容量, 人們改用等密度結構生產硬碟. 也就是說,外圈磁軌的扇區
比內圈磁軌多. 採用這種結構後, 硬碟不再具有實際的3D引數,定址方式也改
為線性定址, 即以扇區為單位進行定址.
　　為了與使用3D定址的老相容 (如使用BIOSInt13H介面的軟體), 在硬
盤控制器內部了一個地址翻譯器,由它負責將老式3D引數翻譯成新的線性
引數. 這也是為什麼現在硬碟的3D引數可以有多種選擇的原因(不同的工作模
式, 對應不同的3D引數, 如 LBA, LARGE, NORMAL).

　4. 擴充套件 Int 13H 簡介

　　雖然現代硬碟都已經採用了線性定址, 但是由於基本 Int13H 的制約, 使
用 BIInt 13H 介面的, 如 DOS 等還只能訪問 8 G以內的硬碟空間.
為了打破這一限制, 等幾家公司制定了擴充套件 Int 13H 標準
(Extended Int13H), 採用線性定址方式存取硬碟, 所以突破了 8 G的限制,
而且還加入了對可拆卸介質 (如活動硬碟) 的支援.

二. Boot Sector 結構簡介

　1. Boot Sector 的組成

　　Boot Sector 也就是硬碟的第一個扇區, 它由 MBR (MasterBoot Record),
DPT (Disk Partition Table) 和 Boot Record ID　三部分組成.

　　MBR 又稱作主開機記錄佔用 Boot Sector 的前 446 個位元組( 0 to 0x1BD ),
存放主載入程式 (它負責從活動分割槽中裝載並執行系統載入程式).
　　DPT 即主分割槽表佔用 64 個位元組 (0x1BE to 0x1FD),記錄了磁碟的基本分割槽
資訊. 主分割槽表分為四個分割槽項, 每項 16 位元組,分別記錄了每個主分割槽的資訊
(因此最多可以有四個主分割槽).
　　Boot Record ID 即引導區標記佔用兩個位元組 (0x1FE and0x1FF), 對於合法
引導區, 它等於 0xAA55, 這是判別引導區是否合法的標誌.
　　Boot Sector 的具體結構如下圖所示 (參見 NightOwl大俠的文章):
下面還有喔 (39%)　│ 結束 ← │ ↑/↓/PgUp/PgDn 移動│ ? 輔助說明 │
　　　0000 ¦------------------------------------------------¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　Master Boot Record　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　主開機記錄(446位元組)　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　01BD　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　01BE ¦------------------------------------------------¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　01CD　¦　　　　　分割槽資訊　1(16位元組)　　　　　　　¦
　　　01CE ¦------------------------------------------------¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　01DD　¦　　　　　分割槽資訊　2(16位元組)　　　　　　　¦
　　　01DE ¦------------------------------------------------¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　01ED　¦　　　　　分割槽資訊　3(16位元組)　　　　　　　¦
　　　01EE ¦------------------------------------------------¦
　　　　　　¦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　¦
　　　01FD　¦　　　　　分割槽資訊　4(16位元組)　　　　　　　¦
　　　　　 ¦------------------------------------------------¦
　　　　　　¦ 01FE 　　　　　　　¦01FF　　　　　　　　　¦
　　　　　　¦　　　55　　　　　¦ 　　　　AA　　　　　¦
　　　　　 ¦------------------------------------------------¦

　2. 分割槽表結構簡介

　　分割槽表由四個分割槽項構成, 每一項的結構如下:

　　BYTE State　　　: 分割槽狀態, 0 =未啟用, 0x80 = 啟用 (注意此項)
　　BYTE StartHead　: 分割槽起始磁頭號
　　 StartSC　　: 分割槽起始扇區和柱面號,底位元組的低6位為扇區號,
　　　　　　　　　高2位為柱面號的第 9,10 位, 高位元組為柱面號的低 8 位
　　BYTE Type　　　　: 分割槽型別, 如0x0B = 32, 0x83 = Linux 等,
　　　　　　　　　00 表示此項未用,07 = NTFS
　　BYTE EndHead　　: 分割槽結束磁頭號
　　WORD EndSC　　　:分割槽結束扇區和柱面號, 定義同前
　　DWORD Relative　:線上性定址方式下的分割槽相對扇區地址
　　　　　　　　　　(對於基本分割槽即為絕對地址)
　　DWORD Sectors　　: 分割槽大小 (總扇區數)

　　注意: 在 DOS / 系統下,基本分割槽必須以柱面為單位劃分
( Sectors * Heads 個扇區), 如對於 CHS 為 764/255/63 的硬碟,分割槽的
最小尺寸為　255 * 63 * 512 / 1048576 = 7.844 MB.

　3. 擴充套件分割槽簡介

　　由於主分割槽表中只能分四個分割槽, 無法滿足需求,因此設計了一種擴充套件
分割槽格式. 基本上說, 擴充套件分割槽的資訊是以連結串列形式存放的,但也有一些特
別的地方.
　　首先, 主分割槽表中要有一個基本擴充套件分割槽項,所有擴充套件分割槽都隸屬於它,
也就是說其他所有擴充套件分割槽的空間都必須包括在這個基本擴充套件分割槽中.對於
DOS / Windows 來說, 擴充套件分割槽的型別為 0x05.
　除基本擴充套件分割槽以外的其他所有擴充套件分割槽則以連結串列的形式級聯存放, 後
一個擴充套件分割槽的資料項記錄在前一個擴充套件分割槽的分割槽表中,但兩個擴充套件分割槽
的空間並不重疊.
　　擴充套件分割槽類似於一個完整的硬碟, 必須進一步分割槽才能使用.但每個擴
展分割槽中只能存在一個其他分割槽. 此分割槽在 DOS/Windows環境中即為邏輯盤.
因此每一個擴充套件分割槽的分割槽表(同樣儲存在擴充套件分割槽的第一個扇區中)中最多
只能有兩個分割槽資料項(包括下一個擴充套件分割槽的資料項).
　　擴充套件分割槽和邏輯盤的示意圖如下:

　¦-----------------------¦　　　　　--------
　¦ 主擴充套件分割槽(/dev/hda2) ¦　　　　　　　　　^
　¦-----------------------¦　　　　　　　　　¦
　¦　擴　展　¦　分割槽項1　¦--　　　　　　　¦
　¦　　　　 ¦------------¦　¦　　　　　　　¦
　¦　分割槽表　¦　分割槽項 2 ¦--+--　　　　　　 ¦
　¦-----------------------¦　¦ ¦　　　　　　 ¦
　¦　　　　　　　　　　¦　¦ ¦　　　　　　 ¦
　¦ 邏輯盤 1 (/dev/hda5)　¦　¦　　　　　　　　　　¦　　¦ 　　　　　　¦
　¦-----------------------¦　 ¦　　　　　　主
　¦　　　擴充套件分割槽 2　　 ¦　¦-----------------------¦　　　　　　　　擴
　¦　擴　展　¦　分割槽項1　¦--　¦　　　　 ¦------------¦　¦　　　　　　　展
　¦　分割槽表　¦　分割槽項 2 ¦--+--　¦-----------------------¦ ¦　¦　　　　　分
　¦　　　　　　　　　　¦　¦ ¦
　¦ 邏輯盤 2 (/dev/hda6)　¦　¦　　　　　　　　　　¦　　¦ 　　　　　　¦
　¦-----------------------¦　 ¦　　　　　　 ¦
　¦　　　擴充套件分割槽 3　　 ¦　¦-----------------------¦　　　　　　　　　¦
　¦　擴　展　¦　分割槽項1　¦--　　　　　　　¦
　¦　　　　 ¦------------¦　¦　　　　　　　¦
　¦　分割槽表　¦　分割槽項 2 ¦　¦　　　　　　　¦
　¦-----------------------¦　¦ 　　　　　　　¦
　¦　　　　　　　　　　¦　¦　　　　　　　¦
　¦ 邏輯盤 3 (/dev/hda7)　¦　¦　　　　　　　　　　¦　　　　　　　　　¦
　¦-----------------------¦　　　　　---------
　¦　擴　展　¦　分割槽項1　¦--　¦　　　　 ¦------------¦　¦　　　　　　　展
　¦　分割槽表　¦　分割槽項 2 ¦--+--　¦-----------------------¦ ¦　¦　　　　　分
　¦　　　　　　　　　　¦　¦ ¦
　¦ 邏輯盤 2 (/dev/hda6)　¦　¦　　　　　　　　　　¦　　¦ 　　　　　　¦
　¦-----------------------¦　 ¦　　　　　　 ¦
　¦　　　擴充套件分割槽 3　　 ¦　¦-----------------------¦　　　　　　　　　¦
　¦　擴　展　¦　分割槽項1　¦--　　　　　　　¦
　¦　　　　 ¦------------¦　¦　　　　　　　¦
　¦　分割槽表　¦　分割槽項 2 ¦　¦　　　　　　　¦
　¦-----------------------¦　¦ 　　　　　　　¦
　¦　　　　　　　　　　¦　¦　　　　　　　¦
　¦ 邏輯盤 3 (/dev/hda7)　¦　¦　　　　　　　　　　¦　　　　　　　　　¦
　¦-----------------------¦　　　　　---------

(未完待續)

標　題: HardDisk,Partition,Boot,OSLoader專題(2)

三. 系統啟動過程簡介

　　系統啟動過程主要由一下幾步組成(以硬碟啟動為例):

　　1. 開機 :-)
　　2. BIOS 加電自檢 ( Power On Self Test -- POST )
　　　地址為 0ffff:0000
　　3. 將硬碟第一個扇區 (0頭0道1扇區, 也就是BootSector)
　　　讀入記憶體地址 0000:7c00 處.
　　4. 檢查 (WORD) 0000:7dfe 是否等於 0xaa55,若不等於
　　　則轉去嘗試其他啟動介質,如果沒有其他啟動介質則顯示
　　　"No ROM BASIC" 然後當機.
　　5. 跳轉到 0000:7c00 處 MBR 中的程式.
　　6. MBR 首先將自己複製到 0000:0600 處,然後繼續執行.
　　7. 在主分割槽表中搜尋標誌為活動的分割槽.如果發現沒有活動
　　　分割槽或有不止一個活動分割槽, 則轉停止.
　　8. 將活動分割槽的第一個扇區讀入記憶體地址 0000:7c00處.
　　9. 檢查 (WORD) 0000:7dfe 是否等於 0xaa55,若不等於則
　　　顯示 "Missing Operating System" 然後停止,或嘗試
　　　軟盤啟動.
　　10. 跳轉到 0000:7c00處繼續執行特定系統的啟動程式.
　　11. 啟動系統 ...

　　以上步驟中 2,3,4,5 步是由 BIOS 的載入程式完成.6,7,8,9,10
步由MBR中的載入程式完成.

　　一般多系統載入程式 (如 SmartFDISK, BootStar, PQBoot等)
都是將標準主開機記錄替換成自己的載入程式, 在執行系統啟動程式
之前讓選擇要啟動的分割槽.
　　而某些系統自帶的多系統載入程式 (如 lilo, NT Loader等)
則可以將自己的載入程式放在系統所處分割槽的第一個扇區中, 在 Linux
中即為 SuperBlock (其實 SuperBlock 是兩個扇區).

　　注: 以上各步驟中使用的是標準 MBR,其他多系統載入程式的引導
過程與此不同.

標　題: Harddisk,Partition,Boot,OSLoader專題（3）

　　第二部分技術資料
第一章擴充套件 Int13H 技術資料

一. 簡介
　　設計擴充套件 Int13H 介面的目的是為了擴充套件 BIOS 的功能,使其支援
多於1024柱面的硬碟, 以及可移動介質的瑣定, 解鎖及彈出等功能.

二. 資料結構

1. 資料型別約定
　　BYTE　　1 位元組整型 (　8 位 )
　　WORD　　2 位元組整型 ( 16 位 )
　　DWORD　4 位元組整型 ( 32 位 )
　　QWORD　8 位元組整型 ( 64 位 )

2. 磁碟地址資料包 Disk Address Packet (DAP)
　　DAP 是基於絕對扇區地址的, 因此利用 DAP, Int13H可以輕鬆地逾
越 1024 柱面的限制, 因為它根本就不需要 CHS 的概念.
　　DAP 的結構如下:

　　struct DiskAddressPacket
　　{
　　　　BYTE PacketSize;　　//資料包尺寸(16位元組)
　　　　BYTE Reserved;　　　//==0
　　　　WORD BlockCount;　　//要傳輸的資料塊個數(以扇區為單位)
　　　　DWORD BufferAddr;　　//傳輸緩衝地址(segment:offset)
　　　　QWORD BlockNum;　　　//磁碟起始絕對塊地址
　　};

　　PacketSize 儲存了 DAP 結構的尺寸,以便將來對其進行擴充. 在
目前使用的擴充套件 Int13H 版本中 PacketSize 恆等於 16. 如果它小於
16, 擴充套件 Int13H 將返回錯誤碼( AH=01, CF=1 ).
　　BlockCount 對於輸入來說是需要傳輸的資料塊總數,對於輸出來說
是實際傳輸的資料塊個數. BlockCount = 0 表示不傳輸任何資料塊.
　　BufferAddr 是傳輸資料緩衝區的 32 位地址(段地址:偏移量). 資料
緩衝區必須位於常規記憶體以內(1M).
　　BlockNum表示的是從磁碟開始算起的絕對塊地址(以扇區為單位),
與分割槽無關. 第一個塊地址為 0. 一般來說, BlockNum 與 CHS地址的關係
是:
　　BlockNum = cylinder * NumberOfHeads +
　　　　　　　head *SectorsPerTrack +
　　　　　　　sector - 1;

　　其中 cylinder, head, sector 是 CHS 地址,NumberOfHeads 是磁碟
的磁頭數, SectorsPerTrack 是磁碟每磁軌的扇區數.
　　也就是說 BlockNum 是沿著扇區->磁軌->柱面的順序記數的. 這一順
序是由磁碟控制器虛擬的,磁碟表面資料塊的實際排列順序可能與此不同
(如為了提高磁碟速度而設定的間隔因子將會打亂扇區的排列順序).

3. 器引數資料包 Drive Parameters Packet
　驅動器引數資料包是在擴充套件 Int13H的取得驅動器引數子功能呼叫中
使用的資料包. 格式如下:
　　struct DriveParametersPacket
　　{
　　　　WORD InfoSize;　　　　// 資料包尺寸 (26 位元組)
　　　　WORD Flags;　　　　　// 資訊標誌
　　　　DWORD Cylinders;　　　// 磁碟柱面數
　　　　DWORD Heads;　　　　　// 磁碟磁頭數
　　　　DWORD SectorsPerTrack;　//每磁軌扇區數
　　　　QWORD Sectors;　　　　// 磁碟總扇區數
　　　　WORD SectorSize;　　　// 扇區尺寸 (以位元組為單位)
　　};
　　資訊標誌用於返回磁碟的附加資訊, 每一位的定義如下:

　　0 位:
　　　　0 = 可能發生 DMA 邊界錯誤
　　　　1 = DMA 邊界錯誤將被透明處理
　　　　如果這位置 1, 表示 BIOS 將自動處理 DMA邊界錯誤, 也就是說
　　　　錯誤程式碼 09H 永遠也不會出現.

　　1 位:
　　　　0 = 未提供 CHS 資訊
　　　　1 = CHS 資訊合法
　　　　如果塊裝置的傳統 CHS幾何資訊不適當的話, 該位將置 0.

　　2 位:
　　　　0 = 驅動器不可移動
　　　　1 = 驅動器可移動

　　3 位: 表示該驅動器是否支援寫入時校驗.

　　4 位:
　　　　0 = 驅動器不具備介質更換檢測線
　　　　1 = 驅動器具備介質更換檢測線

　　5 位:
　　　　0 = 驅動器不可鎖定
　　　　1 = 驅動器可以鎖定
　　　　要存取驅動器號大於 0x80 的可移動驅動器,該位必須置 1
　　　　(某些驅動器號為 0 到 0x7F的裝置也需要置位)
　　6 位:
　　　　0 = CHS 值是當前儲存介質的值(僅對於可移動介質), 如果
　　　　驅動器中有儲存介質, CHS 值將被返回.
　　　　1 = CHS 值是驅動器支援的最大值(此時驅動器中沒有介質).

　　7 - 15 位: 保留, 必須置 0.

(未完待續)

標　題: HardDisk,Partition,Boot,OSLoader專題(4)

三. 介面規範

1. 暫存器約定
　　在擴充套件 Int13H 呼叫中一般使用如下暫存器約定:

　　DS:SI ==> 磁碟地址資料包( disk address packet)
　　dl　　==> 驅動器號
　　ah　　==> 功能程式碼 / 返回碼

　　在基本 Int13H 呼叫中, 0 - 0x7F之間的驅動器號代表可移動驅動器
0x80 - 0xFF 之間的驅動器號代表固定驅動器. 但在擴充套件 Int13H呼叫中
0x80 - 0xFF 之間還包括一些新出現的可移動驅動器, 比如活動硬碟等.
這些驅動器支援先進的鎖定,解鎖等功能.
　　ah 返回的錯誤碼除了標準 Int13H呼叫規定的基本錯誤碼以外,又增加
了以下錯誤碼:

　B0h　驅動器中的介質未被鎖定

　B1h　驅動器中的介質已經鎖定

　B2h　介質是可移動的

　B3h　介質正在被使用

　B4h　鎖定記數

　B5h　合法的彈出請求失敗

2. 子集介紹
　1.x 版的擴充套件 Int13H 呼叫中規定了兩個主要的 API 子集.

　第一個子集提供了訪問大硬碟所必須的功能, 包括檢查擴充套件In13H
是否存在( 41h ), 擴充套件讀( 42h ), 擴充套件寫( 43h ), 校驗扇區( 44h ),
擴充套件定位( 47h ) 和取得驅動器引數( 48h ).
　第二個子集提供了對軟體控制驅動器鎖定和彈出的支援, 包括檢查擴充套件
Int13H 是否存在( 41h ), 鎖定/解鎖驅動器( 45h ), 彈出驅動器( 46h),
取得驅動器引數( 48h ), 取得擴充套件驅動器改變狀態( 49h ), int 15h.
　如果使用了呼叫規範中不支援的功能, BIOS 將返回錯誤碼 ah =01h,
CF = 1.

3. API 詳解

1) 檢驗擴充套件功能是否存在
入口:
　　AH = 41h
　　BX = 55AAh
　　DL = 驅動器號

返回:
　　CF = 0
　　　AH = 擴充套件功能的主版本號
　　　AL = 內部使用
　　　BX = AA55h
　　　CX = API 子集支援點陣圖
　　CF = 1
　　　AH = 錯誤碼 01h, 無效命令

　　這個呼叫檢驗對特定的驅動器是否存在擴充套件功能.如果進位標誌置 1
則此驅動器不支援擴充套件功能. 如果進位標誌為 0, 同時 BX = AA55h, 則
存在擴充套件功能. 此時 CX 的 0 位表示是否支援第一個子集,1位表示是否
支援第二個子集.
　　對於 1.x 版的擴充套件 Int13H 來說, 主版本號 AH = 1. AL是副版本號,
但這僅限於 BIOS 內部使用, 任何軟體不得檢查 AL 的值.

2) 擴充套件讀
入口:
　　AH = 42h
　　DL = 驅動器號
　　DS:SI = 磁碟地址資料包(Disk Address Packet)