《硬盘结构原理》word版

1、一般硬盘正面贴有产品标签，主要包括厂家信息和产品信息，如商标、型号、序列号、生产日期、容量、参数和主从设置方法等。这些信息是正确使用硬盘的基本依据，下面将逐步介绍它们的含义。硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件等组成，如图1-1所示。盘体是一个密封的腔体。硬盘的内部结构通常是指盘体的内部结构；控制电路板上主要有硬盘BIOS、硬盘缓存（即CACHE）和主控制芯片等单元，如图1-2所示；硬盘接口包括电源插座、数据接口和主、从跳线，如图1-3所示。图1-1 硬盘的外观图1-2 控制电路板图1-3 硬盘接口电源插座连接电源，为硬盘工作提供电力保证。数据接口是硬盘与主板、内存之间进行数据交换的通道，使用

2、一根40针40线（早期）或40针80线（当前）的IDE接口电缆进行连接。新增加的40线是信号屏蔽线，用于屏蔽高速高频数据传输过程中的串扰。中间的主、从盘跳线插座，用以设置主、从硬盘，即设置硬盘驱动器的访问顺序。其设置方法一般标注在盘体外的标签上，也有一些标注在接口处，早期的硬盘还可能印在电路板上。此外，在硬盘表面有一个透气孔（见图1-1），它的作用是使硬盘内部气压与外部大气压保持一致。由于盘体是密封的，所以，这个透气孔不直接和内部相通，而是经由一个高效过滤器和盘体相通，用以保证盘体内部的洁净无尘，使用中注意不要将它盖住。1.2 硬盘的内部结构硬盘的内部结构通常专指盘体的内部结构。盘体是一个密封

3、的腔体，里面密封着磁头、盘片（磁片、碟片）等部件，如图1-4所示。图1-4 硬盘内部结构硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片，片厚一般在0.5mm左右，直径主要有1.8in（1in=25.4mm）、2.5in、3.5in和5.25in 4种，其中2.5in和3.5in盘片应用最广。盘片的转速与盘片大小有关，考虑到惯性及盘片的稳定性，盘片越大转速越低。一般来讲，2.5in硬盘的转速在5 400 r/min7 200 r/ min之间；3.5in硬盘的转速在4 500 r/min5 400 r/min之间；而5.25in硬盘转速则在3 600 r/min4 500 r/min之间。随着技术的进步，现在2.

4、5in硬盘的转速最高已达15 000 r/min，3.5in硬盘的转速最高已达12 000 r/min。有的硬盘只装一张盘片，有的硬盘则有多张盘片。这些盘片安装在主轴电机的转轴上，在主轴电机的带动下高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量，而硬盘的容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低，所以，盘片较多，有的甚至多达10余片，现代硬盘的盘片一般只有少数几片。一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的，不然控制部分就太复杂了。一个牌子的一个系列一般都用同一种盘片，使用不同数量的盘片，就出现了一个系列不同容量的硬盘产品。盘体的完整构造如图1-5所示。图1-5 盘体的完整结构硬盘驱动器采用高精度、轻型

5、磁头驱动/定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动，可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上。目前，磁道密度已高达5 400Tpi（每英寸磁道数）或更高；人们还在研究各种新方法，如在盘上挤压（或刻蚀）图形、凹槽和斑点等作为定位和跟踪标记，以提高到和光盘相等的道密度，从而在保持磁盘机高速度、高位密度和高可靠性的优势下，大幅度提高存储容量。硬盘驱动器内的电机都是无刷电机，在高速轴承支持下机械磨损很小，可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生明显的陀螺效应，所以，在硬盘工作时不宜搬动，否则，将增加轴承的工作负荷。为了高速存储和读取信息，硬盘驱动器的磁头质量小，惯性也小，所以，硬盘驱动器的

6、寻道速度明显快于软驱和光驱。硬盘驱动器磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体。伺服定位系统由磁头臂后的线圈和固定在底板上的电磁控制系统组成。由于定位系统限制，磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此，不管开机还是关机，磁头总在盘片上；所不同的是，关机时磁头停留在盘片启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。1.3 硬盘的逻辑结构(1)硬盘上的数据是如何组织与管理的呢？硬盘首先在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区，其结构关系如图1-6所示。图1-6 磁头、柱面和扇区每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图1-7所示。磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放

7、任何数据，称为启停区或着陆区（Landing Zone），启停区外就是数据区。在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。那么，磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？从图1-5中可以看到，有一个“0”磁道检测器，由它来完成硬盘的初始定位。“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废，这是非常可惜的。这种故障的修复技术在后面的章节中有详细的介绍。图1-7 硬盘盘片的启停区和数据区早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为Parking的程序，其作用是让磁头回到启停区。现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的小缺陷。硬盘不工作时，磁头停留

8、在启停区，当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时，磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起，并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小，磁头读写数据的灵敏度就越高，当然对硬盘各部件的要求也越高。早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头在盘面上的飞行高度降到约0.1m0.5m，现在的水平已经达到0.005m0.01m，这只是人类头发直径的千分之一。气流既能使磁头脱离开盘面，又能使它保持在离盘面足够近的地方，非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动，使磁头飞行处于严格受控状态。磁

9、头必须飞行在盘面上方，而不是接触盘面，这种位置可避免擦伤磁性涂层，而更重要的是不让磁性涂层损伤磁头。但是，磁头也不能离盘面太远，否则，就不能使盘面达到足够强的磁化，难以读出盘上的磁化翻转（磁极转换形式，是磁盘上实际记录数据的方式）。硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低、速度快，一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内，或者一旦磁头与盘体发生碰撞，就可能造成数据丢失，形成坏块，甚至造成磁头和盘体的损坏。所以，硬盘系统的密封一定要可靠，在非专业条件下绝对不能开启硬盘密封腔，否则，灰尘进入后会加速硬盘的损坏。另外，硬盘驱动器磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或直线运动步进电机，在伺服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道

10、，所以，硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心轻放。这种硬盘就是采用温彻斯特（Winchester）技术制造的硬盘，所以也被称为温盘。其结构特点如下。磁头、盘片及运动机构密封在盘体内。磁头在启动、停止时与盘片接触，在工作时因盘片高速旋转，带动磁头“悬浮”在盘片上面呈飞行状态（空气动力学原理），“悬浮”的高度约为0.1m0.3m，这个高度非常小，图1-8标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系，从这里可以直观地“看”出这个高度有多“高”。下面对“盘面”、“磁道”、“柱面”和“扇区”的含义逐一进行介绍。1. 盘面号硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片，高速硬盘也可能用玻璃做基片。玻璃基片更容易

11、达到所需的平面度和光洁度，且有很高的硬度。磁头传动装置是使磁头部件作径向移动的部件，通常有两种类型的传动装置。一种是齿条传动的步进电机传动装置；另一种是音圈电机传动装置。前者是固定推算的传动定位器，而后者则采用伺服反馈返回到正确的位置上。磁头传动装置以很小的等距离使磁头部件做径向移动，用以变换磁道。硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上、下盘面，一般每个盘面都会利用，都可以存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在2

12、14片不等，通常有23个盘片，故盘面号（磁头号）为03或05。2. 磁道磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有3001 024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记录数据，而是被划分成一段段的圆弧，这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样，所以，线速度也不一样，外圈的线速度较内圈的线速度大，即同样的转速下，外圈在同样时间段里，划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区，扇区从“1”开始编号，每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。一个

13、标准的3.5in硬盘盘面通常有几百到几千条磁道。磁道是“看”不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区，在磁盘格式化时就已规划完毕。1.3 硬盘的逻辑结构(2)3. 柱面所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称做柱面（Cylinder），每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行，即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快，比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多，所以，数据

14、的读/写按柱面进行，而不按盘面进行。也就是说，一个磁道写满数据后，就在同一柱面的下一个盘面来写，一个柱面写满后，才移到下一个扇区开始写数据。读数据也按照这种方式进行，这样就提高了硬盘的读/写效率。一块硬盘驱动器的圆柱数（或每个盘面的磁道数）既取决于每条磁道的宽窄（同样，也与磁头的大小有关），也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。更深层的内容请参考其他书籍，限于篇幅，这里不再深入介绍。4. 扇区操作系统以扇区（Sector）形式将信息存储在硬盘上，每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分：存储数据地点的标识符和存储数据的数据段，如图1-9所示。图1-9 硬盘扇区的

15、构成标识符就是扇区头标，包括组成扇区三维地址的三个数字：扇区所在的磁头（或盘面）、磁道（或柱面号）以及扇区在磁道上的位置即扇区号。头标中还包括一个字段，其中有显示扇区是否能可靠存储数据，或者是否已发现某个故障因而不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区头标中还记录有指示字，可在原扇区出错时指引磁盘转到替换扇区或磁道。最后，扇区头标以循环冗余校验（CRC）值作为结束，以供控制器检验扇区头标的读出情况，确保准确无误。扇区的第二个主要部分是存储数据的数据段，可分为数据和保护数据的纠错码（ECC）。在初始准备期间，计算机用512个虚拟信息字节（实际数据的存放地）和与这些虚拟信息字节相应的ECC数字填入这个

16、部分。扇区头标包含一个可识别磁道上该扇区的扇区号。有趣的是，这些扇区号物理上并不连续编号，它们不必用任何特定的顺序指定。扇区头标的设计允许扇区号可以从1到某个最大值，某些情况下可达255。磁盘控制器并不关心上述范围中什么编号安排在哪一个扇区头标中。在很特殊的情况下，扇区还可以共用相同的编号。磁盘控制器甚至根本就不管数据区有多大，只管读出它所找到的数据，或者写入要求它写的数据。给扇区编号的最简单方法是l，2，3，4，5，6等顺序编号。如果扇区按顺序绕着磁道依次编号，那么，控制器在处理一个扇区的数据期间，磁盘旋转太远，超过扇区间的间隔（这个间隔很小），控制器要读出或写入的下一扇区已经通过磁头，也许

17、是相当大的一段距离。在这种情况下，磁盘控制器就只能等待磁盘再次旋转几乎一周，才能使得需要的扇区到达磁头下面。显然，要解决这个问题，靠加大扇区间的间隔是不现实的，那会浪费许多磁盘空间。许多年前，IBM的一位杰出工程师想出了一个绝妙的办法，即对扇区不使用顺序编号，而是使用一个交叉因子（interleave）进行编号。交叉因子用比值的方法来表示，如31表示磁道上的第1个扇区为1号扇区，跳过两个扇区即第4个扇区为2号扇区，这个过程持续下去直到给每个物理扇区编上逻辑号为止。例如，每磁道有17个扇区的磁盘按21的交叉因子编号就是：l，10，2，11，3，12，4，13，5，14，6，15，7，16，8，1

18、7，9，而按31的交叉因子编号就是：l，7，13，2，8，14，3，9，15，4，10，16，5，11，17，6，12。当设置1l的交叉因子时，如果硬盘控制器处理信息足够快，那么，读出磁道上的全部扇区只需要旋转一周；但如果硬盘控制器的后处理动作没有这么快，磁盘所转的圈数就等于一个磁道上的扇区数，才能读出每个磁道上的全部数据。将交叉因子设定为21时，磁头要读出磁道上的全部数据，磁盘只需转两周。如果21的交叉因子仍不够慢，磁盘旋转的周数约为磁道的扇区数，这时，可将交叉因子调整为31，如图1-10所示。图1-10 不同交叉因子的效果示例图1-10所示的是典型的MFM（Modified Frequen

19、cy Modulation，改进型调频制编码）硬盘，每磁道有17个扇区，画出了用三种不同的扇区交叉因子编号的情况。最外圈的磁道（0号柱面）上的扇区用简单的顺序连续编号，相当于扇区交叉因子是11。1号磁道（柱面）的扇区按21的交叉因子编号，而2号磁道按31的扇区交叉因子编号。早期的硬盘管理工作中，设置交叉因子需要用户自己完成。用BIOS中的低级格式化程序对硬盘进行低级格式化时，就需要指定交叉因子，有时还需要设置几种不同的值来比较其性能，而后确定一个比较好的值，以期硬盘的性能较好。现在的硬盘BIOS已经自己解决这个问题，所以，一般低级格式化程序不再提供这一选项设置。系统将文件存储到磁盘上时，按柱面

20、、磁头、扇区的方式进行，即最先是第1磁道的第一磁头下（也就是第1盘面的第一磁道）的所有扇区，然后，是同一柱面的下一磁头，一个柱面存储满后就推进到下一个柱面，直到把文件内容全部写入磁盘。系统也以相同的顺序读出数据。读出数据时通过告诉磁盘控制器要读出扇区所在的柱面号、磁头号和扇区号（物理地址的三个组成部分）进行。磁盘控制器则直接使磁头部件步进到相应的柱面，选通相应的磁头，等待要求的扇区移动到磁头下。在扇区到来时，磁盘控制器读出每个扇区的头标，把这些头标中的地址信息与期待检出的磁头和柱面号做比较（即寻道），然后，寻找要求的扇区号。待磁盘控制器找到该扇区头标时，根据其任务是写扇区还是读扇区，来决定是转

21、换写电路，还是读出数据和尾部记录。找到扇区后，磁盘控制器必须在继续寻找下一个扇区之前对该扇区的信息进行后处理。如果是读数据，控制器计算此数据的ECC码，然后，把ECC码与已记录的ECC码相比较。如果是写数据，控制器计算出此数据的ECC码，与数据一起存储。在控制器对此扇区中的数据进行必要处理期间，磁盘继续旋转。由于对信息的后处理需要耗费一定的时间，在这段时间内，磁盘已转了相当的角度。交叉因子的确定是一个系统级的问题。一个特定硬盘驱动器的交叉因子取决于：磁盘控制器的速度、主板的时钟速度、与控制器相连的输出总线的操作速度等。如果磁盘的交叉因子值太高，就需多花一些时间等待数据在磁盘上存入和读出。如果交

22、叉因子值太低，就会大大降低磁盘性能。前面已经述及，系统在磁盘上写入信息时，写满一个磁道后转到同一柱面的下一个磁头，当柱面写满时，再转向下一柱面。从同一柱面的一个磁道到另一个磁道，从一个柱面转到下一个柱面，每一个转换都需要时间，在此期间磁盘始终保持旋转，这就会带来一个问题：假定系统刚刚结束对一个磁道前一个扇区的写入，并且已经设置了最佳交叉因子比值，现在准备在下一磁道的第一扇区写入，这时，必须等到磁头转换好，让磁头部件重新准备定位在下一道上。如果这种操作占用的时间超过了一点，尽管是交叉存取，磁头仍会延迟到达。这个问题的解决办法是以原先磁道所在位置为基准，把新的磁道上全部扇区号移动约一个或几个扇区位

23、置，这就是磁头扭斜。磁头扭斜可以理解为柱面与柱面之间的交叉因子，已由生产厂设置好，用户一般不用去改变它。磁头扭斜的更改比较困难，但是，它们只在文件很长、超过磁道结尾进行读出和写入时才发挥作用，所以，扭斜设置不正确所带来的时间损失比采用不正确的扇区交叉因子值带来的损失要小得多。交叉因子和磁头扭斜可用专用工具软件来测试和更改。更具体的内容这里就不再详述，毕竟现在很多用户都没有见过这些参数。扇区号存储在扇区头标中，扇区交叉因子和磁头扭斜的信息也存放在这里。最初，硬盘低级格式化程序只是行使有关磁盘控制器的专门职能来完成设置任务。由于这个过程可能破坏低级格式化的磁道上的全部数据，也极少采用。扇区交叉因子

24、由写入到扇区头标中的数字设定，所以，每个磁道可以有自己的交叉因子。在大多数驱动器中，所有磁道都有相同的交叉因子。但有时因为操作上的原因，也可能导致各磁道有不同的扇区交叉因子。如在交叉因子重置程序工作时，由于断电或人为中断，就会造成一些磁道的交叉因子发生了改变，而另一些磁道的交叉因子没有改变。这种不一致性对计算机不会产生不利影响，只是有最佳交叉因子的磁道要比其他磁道的工作速度更快。1.3 硬盘的逻辑结构(3) 1.4 硬盘的容量硬盘的容量由盘面数（磁头数）、柱面数和扇区数决定，其计算公式为：硬盘容量盘面数柱面数扇区数512字节关于硬盘容量的大小，经常有人感到迷惑，为什么同一块硬盘，有时显示40G

25、B，有时却只有37GB，这主要是表示方法不标准造成的，如1MB到底代表1 000 000字节还是代表1 048 576字节。有些软件把1 000 000字节作为1MB，如DM等，硬盘上标称容量一般也按1MB1000000字节计算；而在另一些软件中，1MB是1 048 576字节，如Fdisk等。一些书籍或报刊杂志上发表的论文，硬盘容量的单位也不统一，有以1 000 000字节为1MB的，也有把1 048 576字节作为1MB的。依据计算机表示数据的特点、数制的表示方式及计算机本身的发展，硬盘容量单位应该以2的多少次方表示比较符合实际情况，即以KB（Kilobyte），MB（Megabyte），

26、GB（Gigabyte），TB（Terabyte），PB（Petabyte），EB（Exabyte）为单位，各种单位之间的换算关系如下：1KB210 B1024 Byte1MB210 KB 220 B1048576 Byte 1GB210 MB220 KB230 B =1073741824 Byte 846976 Byte 1.5 数制与码制用数字量表示物理量的大小时，一位数码往往不够用。因而，必须用进位计数的方法组成多位数码使用。通常把多位数码中每一位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为数制。常用的数制有以下4种。1. 十进制十进制是日常生活和工作中最常使用的进位计数制。在这种进位计数制

27、中，每一位有09十个数码，所以，计数的基数是10。超过9的数必须用多位数表示，其中低位数和相邻高位数之间的关系是“逢十进一”，故称为十进制。例如：143.75=1102+4101+3100+7101+5102所以，任意一个正的十进制数D均可展开为：其中ki是第i位的系数，它可能是09十个数码中的任何一个。若整数部分的位数是n，小数部分的位数是m，则i包含从n1到0的所有正整数和从1到m的所有负整数。若以N取代式（1-1）中的10，即可得到任意进制（N进制）数展开式的普遍形式：式中i的取值范围与式（1-1）中的规定相同，N称为计数的基数，ki为第i位的系数，N i称为第i位的权。2. 二进制在数

28、字电路中应用最广的是二进制。在二进制数中，每一位仅有0和1两个可能的数码，所以，计数基数为2。低位和相邻高位之间的进位关系是“逢二进一”，故得名二进制。根据式（1-2），任何一个二进制数均可展开为：例如：101.11=122+021+120+121+1223. 八进制在八进制数中，每一位用07这八个数码表示，所以，计数基数为8。低位与相邻高位之间的进位关系是“逢八进一”。任何一个八进制数都可以按式（1-2）展开为：例如：37.41=381+780+481+182由于同一个数用八进制写出来的结果要比用二进制写出来的结果简单得多，而且二进制与八进制之间的互相转换又极为方便，所以，有时在书写计算机程

29、序时使用八进制。4. 十六进制十六进制数的每一位有十六种可能的状态，分别用09，A（10），B（11），C（12），D（13），E（14）和F（15）表示。因此，任意一个十六进制数均可展开为：例如：2A.7F=2161+A160+7161+F162=2161+10160+7161+15162由于目前在微型计算机中普遍采用八位和十六位二进制并行运算，而八位和十六位二进制数可以用两位和四位十六进制数表示，因而用十六进制符号书写程序十分方便。同时，十六进制数和二进制数之间的转换又非常简单，这就使得十六进制数的应用比八进制数更加广泛。有关各种数制间互相转换的方法在计算机原理课程中都有详细介绍，读者若有

30、兴趣，请自行阅读有关书籍。对于数据恢复技术，数制是最基础的知识，所以，这里简要地介绍了一下。尤其是十六进制，因为很多操作都通过十六进制来完成。不同的数码不仅可以用来表示数量的不同，而且还能用来表示不同的事物。在后一种情况下，这些数码将不再表示数量大小的差别，而只是不同事物的代号，称为代码。为便于记忆和查找，在编制代码时总要遵循一定的规则，这些规则称为码制。例如，在用四位二进制数码表示一位十进制数的09这十个状态时，经常采用表1-1所示的编码规则。不难看出，如果把每一个代码都看做一个四位二进制数，各位的权依次为8，4，2，1，那么，每个代码的数值恰好等于它所表示的十进制数的大小。因此，又将这种码

31、制称做8421编码。在计算机系统中，提到的各种编号都是一种码制，这时的数字是序数，而不是基数，基数表示大小，序数只是一个代号，如主板有两个IDE接口，可接四个IDE设备，这里“两个”和“四个”是基数，表示的是事物的多少或大小，而两个IDE接口标注为IDE 1和IDE 2，所接的四个IDE设备分别称为Device 0，1，2和3，这里的IDE 1和IDE 2，Device 0，1，2和3就是序数，只是用数字来对事物进行区分，而不是用来表示事物的大小或多少。需要记住的是柱面和磁头从“0”开始编号，从柱面“0”到柱面“6”，共7个柱面，从磁头“0”到磁头“5”，共6个磁头，而扇区从“1”开始编号，从

32、扇区“1”到扇区“63”，共63个扇区。表1-1 8421代码的编码表十 进 制 数代码十 六 进 制DCBA012345678910111213141500000000111111110000111100001111001100110011001101010101010101010123456789ABCDEF权8421硬盘知识详解(一)作者：ljd2683904 日期：2006-09-08 02:03:13责任编辑：sysop本文出自网易社区（），如需转载，请联系原作者或网易 硬盘基本知识 硬盘的DOS管理结构 1.磁道，扇区，柱面和磁头数 硬盘最基本的组成部分是由坚硬金属材料制成的涂以磁

33、性介质的盘片，不同容量硬盘的盘片数不等。每个盘片有两面，都可 记录信息。盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区，每个扇区可存储1282的N次方（N.3）字节信息。在DOS 中每扇区是1282的2次方512字节，盘片表面上以盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。硬盘中，不同盘片相同半径 的磁道所组成的圆柱称为柱面。磁道与柱面都是表示不同半径的圆，在许多场合，磁道和柱面可以互换使用，我们知道，每个磁 盘有两个面，每个面都有一个磁头，习惯用磁头号来区分。扇区，磁道（或柱面）和磁头数构成了硬盘结构的基本参数，帮这些 参数可以得到硬盘的容量，基计算公式为： 存储容量磁头数磁道（柱面）数每道扇区

34、数每扇区字节数 要点：（1）硬盘有数个盘片，每盘片两个面，每个面一个磁头 （2）盘片被划分为多个扇形区域即扇区 （3）同一盘片不同半径的同心圆为磁道 （4）不同盘片相同半径构成的圆柱面即柱面 （5）公式：存储容量磁头数磁道（柱面）数每道扇区数每扇区字节数 （6）信息记录可表示为：磁道（柱面），磁头，扇区 2.簇 “簇”是DOS进行分配的最小单位。当创建一个很小的文件时，如是一个字节，则它在磁盘上并不是只占一个字节的空间， 而是占有整个一簇。DOS视不同的存储介质（如软盘，硬盘），不同容量的硬盘，簇的大小也不一样。簇的大小可在称为磁盘 参数块（BPB）中获取。簇的概念仅适用于数据区。 本点：（1

35、）“簇”是DOS进行分配的最小单位。 （2）不同的存储介质，不同容量的硬盘，不同的DOS版本，簇的大小也不一样。 （3）簇的概念仅适用于数据区。 3.扇区编号定义：绝对扇区与DOS扇区 由前面介绍可知，我们可以用柱面/磁头/扇区来唯一定位磁盘上每一个区域，或是说柱面/磁头/扇区与磁盘上每一个扇区有 一一对应关系，通常DOS将“柱面/磁头/扇区”这样表示法称为“绝对扇区”表示法。但DOS不能直接使用绝对扇区进行磁盘上的 信息管理，而是用所谓“相对扇区”或“DOS扇区”。“相对扇区”只是一个数字，如柱面140，磁头3，扇区4对应的相对扇区号 为2757。该数字与绝对扇区“柱面/磁头/扇区”具有一一

36、对应关系。当使用相对扇区编号时，DOS是从柱面0，磁头1，扇区1开始 （注：柱面0，磁头0，扇区1没有DOS扇区编号，DOS下不能访问，只能调用BIOS访问），第一个DOS扇区编号为0，该磁道上剩余 的扇区编号为1到16（设每磁道17个扇区），然后是磁头号为2，柱面为0的17个扇区，形成的DOS扇区号从17到33。直到该柱面的 所有磁头。然后再移到柱面1，磁头1，扇区1继续进行DOS扇区的编号，即按扇区号，磁头号，柱面号（磁道号）增长的顺序连续 地分配DOS扇区号。 公式：记DH第一个DOS扇区的磁头号 DC第一个DOS扇区的柱面号 DS第一个DOS扇区的扇区号 NS每磁道扇区数 NH磁盘总的

37、磁头数 则某扇区（柱面C，磁头H，扇区S）的相对扇区号RS为： RSNHNS（CDC）NS（HDH）（SDS） 若已知RS，DC，DH，DS，NS和NH则 S（RSMODNS）DS H（RSDIVNS）MODNH）DH C（RSDIVNS）DIVNH）DC 要点：（1）以柱面/磁头/扇区表示的为绝对扇区又称物理磁盘地址 （2）单一数字表示的为相对扇区或DOS扇区，又称逻辑扇区号 （3）相对扇区与绝对扇区的转换公式 4.DOS磁盘区域的划分 格式化好的硬盘，整个磁盘按所记录数据的作用不同可分为主引导记录（MBR:Main Boot Record），Dos引导记录（DBRos文件分配表（FAT:F

38、ile Assign Table），根目录（BD:Boot Directory）和数据区。前5个重要信息在磁盘的外磁道上，原因是外圈周长总大于内圈周长，也即外圈存储密度要小些，可伤心性高些。 要点：（1）整个硬盘可分为MBR，DBR，FAT，BD和数据区。 （2）MBR，DBR，FAT，和BD位于磁盘外道。 5.MBR MBR位于硬盘第一个物理扇区（绝对扇区）柱面0，磁头0，扇区1处。由于DOS是由柱面0，磁头1，扇区1开始，故MBR不属于 DOS扇区，DOS不能直接访问。MBR中包含硬盘的主引导程序和硬盘分区表。分区表有4个分区记录区。记录区就是记录有关分区信 息的一张表。它从主引导记录偏移

39、地址01BEH处连续存放，每个分区记录区占16个字节。 分区表的格式 分区表项的偏移 意义 占用字节数 00 引导指示符 1B 01 分区引导记录的磁头号 1B 02 分区引导记录的扇区和柱面号 2B 04 系统指示符 1B 05 分区结束磁头号 1B 06 分区结束扇区和柱面号 2B 08 分区前面的扇区数 4B 0C 分区中总的扇区数 4B 4个分区中只能有1个活跃分区，即C盘。标志符是80H在分区表的第一个字节处。若是00H则表示非活跃分区。例如： 800101000B FE 3F 81 3F 00 00 00 C3 DD 1F 00 00 00 01 82 05 FE BF 0C 02

40、 DE 1F 00 0E 90 61 00 00000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000 要点：（1）MBR位于硬盘第一个物理扇区柱面0，磁头0，扇区1处。不属于DOS扇区， （2）主引导记录分为硬盘的主引导程序和硬盘分区表。 6.DBR DBR位于柱面0，磁头1，扇区1，即逻辑扇区0。DBR分为两部分：DOS引导程序和BPB（BIOS参数块）。其中DOS引导程序完成 DOS系统文件（IO.SYS，MSDOS.SYS）的定位与装载，而BPB用来描述本DOS分区的磁盘信息，BPB位于DBR偏移0BH处，共13字

41、节。 它包含逻辑格式化时使用的参数，可供DOS计算磁盘上的文件分配表，目录区和数据区的起始地址，BPB之后三个字提供物理格 式化（低格）时采用的一些参数。引导程序或设备驱动程序根据这些信息将磁盘逻辑地址（DOS扇区号）转换成物理地址（绝对 扇区号）。BPB格式 序号 偏移地址 意义 1 03H0AH OEM号 2 0BH0CH 每扇区字节数 3 0DH 每簇扇区数 4 0EH0FH 保留扇区数 5 10H FAT备份数 6 11H12H 根目录项数 7 13H14H 磁盘总扇区数 8 15H 描述介质 9 16H17H 每FAT扇区数 10 18H19H 每磁道扇区数 11 1AH1BH 磁头

42、数 12 1CH1FH 特殊隐含扇区数 13 20H23H 总扇区数 14 24H25H 物理驱动器数 15 26H 扩展引导签证 16 27H2AH 卷系列号 17 2BH35H 卷标号 18 36H3DH 文件系统号 DOS引导记录公式： 文件分配表保留扇区数 根目录保留扇区数FAT的个数每个FAT的扇区数 数据区根目录逻辑扇区号（32根目录中目录项数（每扇区字节数1）DIV每扇区字节数 绝对扇区号逻辑扇区号隐含扇区数 扇区号（绝对扇区号MOD每磁道扇区数）1 磁头号（绝对扇区号DIV每磁道扇区数）MOD磁头数 磁道号（绝对扇区号DIV每磁道扇区数）DIV磁头数 要点：（1）DBR位于柱面

43、0，磁头1，扇区1，其逻辑扇区号为0 （2）DBR包含DOS引导程序和BPB。 （3）BPB十分重要，由此可算出逻辑地址与物理地址。 7.文件分配表 文件分配表是DOS文件组织结构的主要组成部分。我们知道DOS进行分配的最基本单位是簇。文件分配表是反映硬盘上所 有簇的使用情况，通过查文件分配表可以得知任一簇的使用情况。DOS在给一个文件分配空间时总先扫描FAT，找到第一个可 用簇，将该空间分配给文件，并将该簇的簇号填到目录的相应段内。即形成了“簇号链”。FAT就是记录文件簇号的一张表。硬盘主引导记录(MBR)及其结构详解 收藏 硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区，FDISK程序写到该扇

44、区的内容称为主引导记录（MBR）。该记录占用512个字节，它用于硬盘启动时将系统控制权交给用户指定的，并在分区表中登记了的某个操作系统区。 1.MBR的读取 硬盘的引导记录（MBR）是不属于任何一个操作系统，也不能用操作系统提供的磁盘操作命令来读取它。但我们可以用ROM-BIOS中提供的INT13H的2号功能来读出该扇区的内容，也可用软件工具Norton8.0中的DISKEDIT.EXE来读取。用INT13H的读磁盘扇区功能的调用参数如下：入口参数：AH=2 （指定功能号）AL=要读取的扇区数DL=磁盘号（0、1-软盘；80、81-硬盘）DH=磁头号CL高2位+CH=柱面号CL低6位=扇区号C

45、S:BX=存放读取数据的内存缓冲地址出口参数：CS:BX=读取数据存放地址错误信息：如果出错CF=1 AH=错误代码用DEBUG读取位于硬盘0柱面、0磁头、1扇区的操作如下：ADEBUG-A 100XXXX:XXXX MOV AX,0201 （用功能号2读1个扇区）XXXX:XXXX MOV BX,1000 （把读出的数据放入缓冲区的地址为CS:1000）XXXX:XXXX MOV CX,0001 （读0柱面，1扇区）XXXX:XXXX MOV DX,0080 （指定第一物理盘的0磁头）XXXX:XXXX INT 13XXXX:XXXX INT 3XXXX:XXXX （按回车键）-G=100

46、（执行以上程序段）-D 1000 11FF （显示512字节的MBR内容） 2.MBR的组成一个扇区的硬盘主引导记录MBR由4个部分组成。主引导程序（偏移地址0000H-0088H），它负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序。出错信息数据区，偏移地址0089H-00E1H为出错信息，00E2H-01BDH全为0字节。分区表（DPT,Disk Partition Table）含4个分区项，偏移地址01BEH-01FDH,每个分区表项长16个字节，共64字节为分区项1、分区项2、分区项3、分区项4。结束标志字，偏移地址01FE-01FF的2个字节值为结束标志55AA,如果该标志错误系统就不能启动

47、。0000-0088 Master Boot Record 主引导程序 主引导程序 0089-01BD 出错信息数据区 数据区 01BE-01CD 分区项1（16字节） 分区表 01CE-01DD 分区项2（16字节） 01DE-01ED 分区项3（16字节） 01EE-01FD 分区项4（16字节） 01FE 55 结束标志 01FF AA 3.MBR中的分区信息结构 占用512个字节的MBR中，偏移地址01BEH-01FDH的64个字节，为4个分区项内容（分区信息表）。它是由磁盘介质类型及用户在使用 FDISK定义分区时确定的。在实际应用中，FDISK对一个磁盘划分的主分区可少于4个，但最

48、多不超过4个。每个分区表的项目是16个字节，其内容含义如下表所示。存贮字节位 内容及含义 第1字节 引导标志。若值为80H表示活动分区，若值为00H表示非活动分区。 第2、3、4字节 本分区的起始磁头号、扇区号、柱面号。其中： 磁头号第2字节； 扇区号第3字节的低6位； 柱面号为第3字节高2位+第4字节8位。 第5字节 分区类型符。 00H表示该分区未用（即没有指定）； 06HFAT16基本分区； 0BHFAT32基本分区； 05H扩展分区； 07HNTFS分区； 0FH（LBA模式）扩展分区（83H为Linux分区等）。 第6、7、8字节 本分区的结束磁头号、扇区号、柱面号。其中： 磁头号第

49、6字节； 扇区号第7字节的低6位； 柱面号第7字节的高2位+第8字节。 第9、10、11、12字节 本分区已用的扇区数。 第13、14、15、16字节 本分区的总扇区数。 4.MBR的主要功能及工作流程在CPU上电之后，若由硬盘启动，则BIOS将硬盘的主引导记录（位于0柱面、0磁道、1扇区）读入7C00处，然后将控制权交给主引导代码。主引导代码的任务包括：扫描分区表，找到一个激活(可引导)分区；找到激活分区的起始扇区；将激活分区的引导扇区装载到内存7C00处；将控制权交给引导扇区代码； 如果主引导代码无法完成上述任务，它将显示以下错误信息之一：No active partition.Inval

50、id partition table.Error loading operating system.Missing operating system. 机器加电或按reset键后都要进行系统复位，复位后CS=FFFFH，IP=0000H，那么自然就从FFFF:0000H处开始执行指令，这个地方只有一条JMP指令跳转到系统自检程序处，系统自检完成后把软盘的第一个扇区（如果由软盘启动）或者硬盘的第一个扇区，即MBR扇区（如果由硬盘启动）读入到0:7C00H处，然后把控制权交出，从0:7C00H处继续执行。 下面就是硬盘的MBR代码分析： 其中的引导扇区是指硬盘相应分区的第一个扇区，是和操作系统有关

51、的。操作系统的引导是由它来完成的，而MBR并不负责，MBR和操作系统无关。引导扇区的任务是把控制权转交给操作系统的引导程序。 程序流程： 1 将程序代码由0:7C00H移动到0:0600H（注，BIOS把MBR放在0:7C00H处） 2 搜索可引导分区，即80H标志 成功：goto 3 失败：跳入ROM BASIC 无效分区表：goto 5 3 读引导扇区 失败：goto 5 成功：goto 4 4 验证引导扇区最后是否为55AAH 失败：goto 5 成功：goto 6 5 打印错误进入无穷循环 6 跳到0:7C00H进行下一步启动工作 5、硬盘逻辑驱动器的分区表链结构 硬盘是由很多个512

52、字节的扇区组成，而这些扇区会被组织成一个个的“分区”。硬盘的分区规则是：一个分区的所有扇区必须连续，硬盘可以有最多4个物理上的分区，这4个物理分区可以时个主分区或者3个主分区加一个扩展分区。在DOS/Windows管理下的扩展分区里，可以而且必须再继续划分逻辑分区（逻辑盘）。扩展分区的信息位于硬盘分区表（DPT）中, 而逻辑驱动器的信息则位于扩展分区的起始扇区, 即该分区的起始地址（面/扇区/磁道）所对应的扇区, 该扇区中的信息与硬盘主引导扇区的区别是不包含MBR, 而16字节的分区信息则表示的是逻辑驱动器的起始和结束地址等。MBR( Master Boot Record )主引导记录包含两部

53、分的内容，前446字节为启动代码及数据，而从446(0 x1BE)开始则是分区表，分区表由四个分区项组成，每个分区项数据为16字节，记录了启动时需要的分区参数。本文来自CSDN博客，转载请标明出处：图1-8 盘片结构及磁头高度示意图磁头工作时与盘片不直接接触，所以，磁头的加载较小，磁头可以做得很精致，检测磁道的能力很强，可大大提高位密度。磁盘表面非常平整光滑，可以做镜面使用。硬盘结构详解时间:2009-04-13 22:30来源: 作者:glisten 点击: 197次硬盘结构详解 FAT 结构是所有按照FAT 文件系统来组织存储单元的介质都必须遵守的一种文件系统格式，而对于不同的介质，其结构

54、又有些差异，下面介绍一下文件系统格式为FAT 的硬盘 的结构。 硬盘上的数据按照其不同的特点和作用大致可分为5 部分：MBR 区、DBR 硬盘结构详解FAT 结构是所有按照FAT 文件系统来组织存储单元的介质都必须遵守的一种文件系统格式，而对于不同的介质，其结构又有些差异，下面介绍一下文件系统格式为FAT 的硬盘的结构。硬盘上的数据按照其不同的特点和作用大致可分为5 部分：MBR 区、DBR 区、FAT 区、DIR 区和DATA 区。下列分别介绍：0 磁道0 柱面1扇区MBR 区（主引导记录区）0 磁道1 柱面1扇区DBR 区（操作系统引导记录区）0 磁道1 柱面2扇区0 磁道1 柱面2+i-

55、1 扇区FAT 区（文件分配表区）视磁盘容量而定，其占用的扇区数为i,磁盘总空间/32K总簇数，对于FAT16，则所占扇区数i=（总簇数2512），每扇区字节数为512 字节0 磁道1 柱面2+i 扇区0 磁道1 柱面2+2i-1 扇区第二个FAT 区，内容与第一个FAT 区一样0 磁道1 柱面2+2i 扇区0 磁道1 柱面2+2i+j-1 扇区DIR 区（根目录区）视磁盘根目录项而定，其占用扇区数为j0 磁道1 柱面2+2i+j 扇区DATA 区（数据区）文件数据真正开始存放的地方磁盘上的数据结构（1）MBR（Main Boot Record）区按其字面上的理解即为主引导记录区，位于整个硬盘

56、的0 磁道0 柱面1 扇区。不过，在总共512 字节的主引导扇区中，MBR 只占用了其中的446 个字节（偏移0偏移1BDH），另外的64 个字节（偏移1BEH偏移1FDH）交给了DPT(Disk Partition Table 硬盘分区表)（见下表）,最后两个字节55，AA（偏移1FEH偏移1FFH）是分区的结束标志。这个整体构成了硬盘的主引导扇区。大致的结构如下：000001BDMBR主引导记录（446 字节）01BE01FD四个分区信息表，每个分区信息表占16 字节，总共64 字节01FE01FF55AAMBR 区的结构主引导记录中包含了硬盘的一系列参数和一段引导程序。其中的硬盘引导程序

57、的主要作用是检查分区表是否正确并且在系统硬件完成自检以后引导具有激活标志的分区上的操作系统，并将控制权交给启动程序。MBR 是由分区程序（如F）所产生的，它不依赖任何操作系统，而且硬盘引导程序也是可以改变的，从而实现多系统共存。MBR 中可以定义四个分区信息表，每个分区信息表的16 个字节定义如下：图片1图 分区信息表结构比如，以一个实例来直观地介绍分区信息表中的内容：例：80 01 01 00 0B FE BF FC 3F 00 00 00 7E 86 BB 00 最前面的80是一个分区的激活标志，表示系统可引导；01 01 00表示分区开始的磁头号为01，开始的扇区号为01，开始的柱面号为

58、00；0B表示分区的系统类型是FAT32，其他比较常用的有04（FAT16）、07（NTFS）；FE BF FC表示分区结束的磁头号为254，分区结束的扇区号为63、分区结束的柱面号为764；3F 00 00 00表示首扇区的相对扇区号为63；7E 86 BB 00表示总扇区数为12289622。（2）DBR 区 DBR（Dos Boot Record）是操作系统引导记录区的意思。它通常位于硬盘的0 磁道1 柱面1 扇区，是操作系统可以直接访问的第一个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为 BPB（Bios Parameter Block）的本分区的参数记录表。引导程序的主要任务是当MBR 将系

59、统控制权交给它时，判断本分区根目录前两个文件是不是操作系统的引导文件（以DOS 为例，即是Io.sys 和Msdos.sys）。如果确定存在，就把其读入内存，并把控制权交给该文件。 BPB 参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT 个数，分配单元的大小等重要参数，如在FAT 结构中所介绍的那样。（3）FAT 区在DBR 之后的即是FAT（File Allocation Table 文件分配表）区。文件分配表负责给文件分配空间，故称之为文件分配表。以簇为单位的存储方法存在着必然的缺陷，即总是无法占满整簇的空间，存在着空闲的空间。簇的大小与磁盘的规格

60、有关，一般情况下，软盘每簇是1 个扇区，硬盘每簇的扇区数与硬盘的总容量大小有关，可能是4、8、16、32、64 （4）DIR 区 DIR（Directory）是根目录区，紧接着第二FAT 表（即备份的FAT 表）之后，记录着根目录下每个文件（目录）的起始单元，文件的属性等。定位文件位置时，操作系统根据DIR 中的起始单元，结合FAT 表就可以知道文件在硬盘中的具体位置和大小了。（5）数据（DATA）区数据区是真正意义上的数据存储的地方，位于DIR 区之后，占据硬盘上的大部分数据空间。硬盘数据结构详解主引导扇区 主引导区是硬盘的自留地（0柱0面1扇区63扇区）。第一个就是主引导扇区，剩下62个是