硬碟基礎知識科普

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本文地址：https://gavin_nicholas.coding.me/2017/06/28/Hard-Disk-Drive/

引語

眾所周知，硬碟分為很多種，有SSD,HDD,HHD。 今天我們在這裡介紹的就是HDD。

物理結構

總體來說，硬碟結構包括：碟片、磁頭、碟片主軸、控制電機、磁頭控制器、數據轉換器、介面、緩存等幾個部份。

所有的碟片（一般硬碟里有多個碟片，碟片之間平行）都固定在一個主軸上。在每個碟片的存儲面上都有一個磁頭，磁頭與碟片之間的距離很小（所以劇烈震動容易損壞），磁頭連在一個磁頭控制器上，統一控制各個磁頭的運動。磁頭沿碟片的半徑方向動作，而碟片則按照指定方向高速旋轉，這樣磁頭就可以到達碟片上的任意位置了。

磁碟術語

磁頭（head）、 磁軌（track）、 柱面（cylinder）、扇區（sector）、 圓盤（platter）。那麼這些都代表著什麼呢？

如圖5所示，我們把一個圓盤沿著半徑切成幾個扇形，這就叫做一個扇面，然後我們再沿著磁頭的運動把這個原盤畫成幾個同心圓，每個原形的軌道就叫做一個磁軌，然後被扇形和同心圓分離出來的小區域就叫做扇區。

再看圖4,一般都有幾個圓盤，每個碟片有上下兩面，分別對應一個磁頭。每個圓盤上下對應相同位置的扇區組成一個柱面。n注意，每個扇區的大小為512bytes，這個值是不會改變的。扇區也是我們在分割硬碟時最小單位了。

SCSI介面

一種常見於工作站等級以上的硬碟傳輸介面，這裡IDE、SATA、PCIE等等就不再贅述，SCSI這種介面的硬碟在控制器上含有一塊處理器，所以除了運轉速度快之外，也比較不會耗費CPU資源。在個人計算機上面這種介面的硬碟不常見。

緩衝存儲器

硬碟上面含有一個緩衝存儲器，這個內存主要可以將硬碟內重使用的數據緩存起來，以加速系統的讀取性能。通常這個緩衝存儲器越大越好，因為緩衝存儲器的速度要比數據從硬碟中被找出來快得多。n

看右上角有一個64MB Cache，說明這個硬碟有64MB的緩存，目前主流產品可達16MB左右的內存大小。

運轉須知

由於硬碟內部機械手臂上的磁頭與碟片的接觸時很細微的空間，如果有抖動或者是臟污在磁頭與硬碟之間，就會造成數據的損毀或者使硬碟 整個損毀。因此，正確使用計算機的方式，應該是在計算機通電之後，就絕對不要移動主機，避免硬碟抖動，而導致整個硬碟數據發生問題。另外，也不要隨便將插頭拔掉就以為是順利關機。因為機械手臂必須要歸回原位，所以使用操作系統的正常關機方式才能夠有比較好的硬碟保養，因為它會讓硬碟的機械手臂歸回原位。

有時候因為環境問題，計算機內部的風扇常常會卡灰塵而造成一些聲響。很多朋友只要聽到這種聲響都是二話不說，用力拍幾下機箱，大力出奇蹟，然後就沒有聲音了。現在你知道了，這樣做的後果常常就是你的硬碟容易壞掉。

存儲機制

硬碟的兩個單位，扇區（Sector）和柱面（Cylinder），其中每個扇區大小為512bytes。

那麼是不是每個扇區都一樣重要呢？其實整塊磁碟的第一個扇區特別重要，因為它記錄了整塊磁碟的重要信息。磁碟的第一個扇區主要記錄了兩個重要的信息，分別是：

1. 主引導分區（Master Boot Record, MBR）：可以安裝引導載入程序的地方，有446bytes。
2. 分區表（Partition Table）：記錄整塊硬碟分區的狀態，有64bytes。

MBR是很重要的，因為當系統在開機的時候會主動去讀取這個區塊的內容，這樣系統才會知道你的程序放在哪裡且該如何開機。如果你要安裝多重引導的系統，MBR這個區塊的管理就非常重要了！n

那麼分區表又是什麼呢？其實你剛剛拿到的整塊硬碟就像一根原木，你必須要在這跟原木上面切割出你想要的區段，這個區段才能夠再製作成為你想要的傢具。如果沒有進行切割，那麼原木就不能被有效地使用。同樣的道理，你必須要針對你的硬碟進行分區，這樣硬碟才可以被你使用。

磁碟分區表（Partition Table）

怎麼分區呢？首先你要有一個鋸子，然後扔了，別想不開。上面的那個圖中有柱面有開始柱面和結束柱面。那是文件系統的最小單位，也就是分區的最小單位。我們就是利用參考柱面號碼的方式來處理。在分區表所在的64bytes容量中，總共分為四組記錄去，每組記錄區記錄了該區段的啟始與結束的柱面號碼。若將硬碟以長條形來看，然後將柱面以柱形圖來看，那麼那64bytes的記錄區段如圖所示。n

假設上面的硬碟設備文件名為/dev/hda時，那麼這四個分區在Linux系統中的設備文件名如下所示，重點在於文件名後面會再接一個數字，這個數字與該分區所在的位置有關。

P1:/dev/hda1nP2:/dev/hda2nP3:/dev/hda3nP4:/dev/hda4

上圖我們假設硬碟只有400個柱面，共分區成為四個分區，第四個分區所在為第301到400號柱面的範圍。當你的操作系統是Windows時，那麼第一到第四個分區的代號應該就是C,D,E,F。當你有數據要寫入F盤時，你的數據會被寫入到這塊磁碟的301~400號柱面之間。

由於分區表就只有64bytes而已，最多只能容納四個分區，這四個分區被稱為主（Primary）或擴展（Extended）分區。

來整理一下

1. 其實所謂的「分區」只是針對那個64bytes的分區表機型設置而已。
2. 硬碟默認的分區表僅能寫入四組分區信息。
3. 這四組分區信息我們稱為主（Primary）或擴展（Extended）分區。
4. 分區的最小單位為柱面（Cylinder）。
5. 當系統要寫入磁碟時，一定會參考磁碟分區表，才能針對某個分區進行數據的處理。

分區詳情

既然分區表只有記錄四組數據的空間，那麼是否代表我一塊硬碟最多只能分區出四個分區？n"Of course not."

對電腦稍微有一點了解的人都知道，你可以將一塊硬碟分區成十個以上的分區。那麼這又是怎麼樣實現的呢？在Windows/Linux系統中，我們是通過剛才談到的擴展分區的方式來處理的。擴展分區的想法是：既然第一個扇區所在的分區表只能記錄四條數據，那我可否利用額外的扇區來記錄更多的分區信息？如圖所示。n

在圖中，我們硬碟四個分區記錄僅僅使用了兩個，P1為主分區，而P2則為擴展分區。注意，擴展分區的目的是使用額外的扇區來記錄分區信息，擴展分區本身並不能被拿來格式化。然後我們可以通過擴展分區所指向的那個區塊繼續作分區的記錄。

圖中右下方那個區塊有繼續分區出五個分區，這五個由擴展分區分配繼續切出來的分區，就被稱為邏輯分區(logical partition)。注意：由於邏輯分割槽是由擴展分配繼續分割出來的，所以他可以使用的磁柱範圍就是擴展分配所配置的範圍。也就是圖中的101~400。 但是圖中分區在Linux系統中的設備文件名分別如下：

P1:/dev/hda1nP2:/dev/hda2nL1:/dev/hda5nL2:/dev/hda6nL3:/dev/hda7nL4:/dev/hda8nL5:/dev/hda9

為什麼設備文件名沒有/dev/hda3和/dev/hda4呢？n因為前面四個號碼都是保留給Primary和Extended用的。所以邏輯分區的設備名稱號碼就從5號開始了。

部分小結

1. 主分區與擴展分區最多可以有四個(硬碟的限制)。
2. 擴展分區最多只能有一個(操作系統的限制)。
3. 邏輯分區是由擴展分區繼續切割出來的分區。
4. 能夠被格式化後作為數據存取的分區為主分區與邏輯分區。擴展分區無法格式化。
5. 邏輯分區的數量隨著操作系統不同而不同，在Linux系統中，IDE硬碟最多有59個邏輯分區(5號到63號)， SATA硬碟則有11個邏輯分區(5號到15號)。

事實上，分區是個很麻煩的東西，因為他是以磁柱為單位的"連續"磁碟空間，且擴展分區又是個類似獨立的磁碟空間，所以在分區的時候得要特別注意。

如下面的兩個例子。

Q:在Windows操作系統當中，如果你想要將D與E盤整合成為一個新的分區，而如果有兩種分區的情況如下圖所示， 圖中的特殊顏色區塊為D與E盤的示意，請問這兩種方式是否均可將D與E整合成為一個新的分區？A:第一個圖中兩個有色的分區是可以合併的，因為上圖的D與E同屬於擴展分區內的邏輯分區，因此只要將兩個分區刪除，然後再重新創建一個新的分區， 就能夠在不影響其他分區的情況下，將兩個分區的容量整合成為一個。n而第二圖中的就不可以，因為D與E分屬主分區與邏輯分區，兩者不能夠整合在一起。除非將擴展分區破壞掉後再重新分區。但如此一來會影響到所有的邏輯分區，要注意的是：如果擴展分區被破壞，所有邏輯分區將會被刪除。 因為邏輯分區的信息都記錄在擴展分區裡面。

由於第一個磁區所記錄的分區表與MBR是這麼的重要，幾乎只要讀取硬碟都會先由這個扇區先讀起。 因此，如果整顆硬碟的第一個磁區(就是MBR與Partition Table所在的磁區)物理實體壞掉了，那這個硬碟大概就沒有用了！因為系統如果找不到分區表，怎麼知道如何讀取柱面區間呢？

更多的例子n1.

Q:如果我想將一顆大硬碟"暫時"分區成為四個Partitions，同時還有其他的剩餘容量可以讓我在未來的時候進行規劃， 我能不能分割出四個Primary？若不行，那麼你建議該如何分區？A:由於Primary+Extended最多只能有四個，其中Extended最多只能有一個，這個例題想要分割出四個分區且還要預留剩餘容量， 因此P+P+P+P的分區方式是不適合的。因為如果使用到四個P，則即使硬碟還有剩餘容量， 因為無法再繼續分區，所以剩餘容量就被浪費掉了。n假設你想要將所有的四個記錄都花光，那麼P+P+P+E是比較適合的。所以可以用的四個Partitions，有3個主分區和一個邏輯分區， 剩餘的容量在擴展分區中。 如果你要分區超過4個以上時，一定要有Extended分區，而且必須將所有剩下的空間都分配給Extended， 然後再以Logical的分區來規劃Extended的空間。 另外，考慮到磁碟的連續性，一般建議將Extended的柱面號碼分配在最後面的柱面內。

2.

Q:我能不能僅分割出一個Primary與一個Extended？A:當然可以，這也是早期Windows操作系統慣用的手法！此外，邏輯分區的號碼在IDE可達63號，SATA則可達15號， 因此僅一個主分區與一個擴展分區即可，因為擴展分區可繼續被分割出邏輯分區。

開機流程與主引導分區(MBR)

大致流程:

1. BIOS：啟動主動運行的韌體，會認識第一個可啟動的裝置。
2. MBR：第一個可開機設備的第一個扇區內的住引導分區塊，內含引導載入裝置。
3. 引導載入程序(boot loader)：一支可讀取核心文件來運行的軟體。
4. 核心文件：開始操作系統的功能。

了解主板的人知道有BIOS(Basic Input Output System)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)兩個東西，這裡簡單提一下，CMOS是記錄各項硬體參數且嵌入在主板上面的儲存器，BIOS則是一個寫入到主板上的一個韌體(再次說明，韌體就是寫入到硬體上的一個軟體程序)。這個BIOS就是在啟動的時候，計算機系統會主動運行的第一個程序了！

接下來BIOS會去分析計算機裡面有哪些儲存設備，我們以硬碟為例，BIOS會依據用戶的設置去取得能夠啟動的硬碟， 並且到該硬碟裡面去讀取第一個扇區的MBR位置。MBR這個僅有446bytes的硬碟容量裡面會放置最基本的引導載入程序，此時BIOS就功成圓滿，而接下來就是MBR內的引導載入程序的工作了。

這個引導載入程序的目的是在載入(load)核心文件，由於引導載入程序是操作系統在安裝的時候所提供的，所以他會認識硬碟內的文件系統格式，因此就能夠讀取核心文件，然後接下來就是核心文件的工作，引導載入程序也功成圓滿，之後就是大家所知道的操作系統的任務啦！

由上面的說明我們會知道，BIOS與MBR都是硬體本身支持的功能，至於Boot loader則是操作系統安裝在MBR上面的一套軟體了。由於MBR僅有446bytes而已，因此這個引導載入程序是非常小而美的。 這個boot loader的主要任務有底下這些項目：

1. 提供菜單：使用者可以選擇不同的啟動項目，這也是多重啟動的重要功能。
2. 載入核心文件：直接指向可啟動的程序區段來開始操作系統。
3. 轉交其他loader：將引導載入功能轉交給其他loader負責。

上面前兩點還容易理解，但是第三點就有深意了。那表示你的計算機系統裡面可以具有兩個以上的引導載入程序。雖然我們的硬碟只有一個MBR，但是引導載入程序除了可以安裝在MBR之外，還可以安裝在每個分區的引導扇區(boot sector)。分區還有各自的引導扇區。這個特色才能造就"多重啟動"的功能。

舉個例子，假設電腦只有一個硬碟，裡面分成四個分區，其中第一、二分區分別安裝了Windows及Linux，你要如何在開機的時候選擇用Windows還是Linux開機呢？假設MBR內安裝的是可同時認識Windows/Linux操作系統的引導載入程序， 那麼整個流程可以圖示如下：n

在上圖中我們可以發現，MBR的引導載入程序提供兩個菜單，菜單一(M1)可以直接載入Windows的核心文件來開機；菜單二(M2)則是將引導載入工作交給第二個分區的引導扇區(boot sector)。當使用者在啟動的時候選擇菜單二時，那麼整個引導載入工作就會交給第二分區的引導載入程序了。 當第二個引導載入程序啟動後，該引導載入程序內(上圖中)僅有一個開機菜單，因此就能夠使用Linux的核心文件來啟動羅。這就是多重啟動的工作情況。我們將上圖作個總結：

1. 每個分區都擁有自己的引導扇區(boot sector)。
2. 圖中的系統分區為第一及第二分區。
3. 實際可開機的核心文件是放置到各分區內的。
4. loader只會認識自己的系統分區內的可開機核心文件，以及其他loader而已。
5. loader可直接指向或者是間接將管理權轉交給另一個管理程序。

Q:為什麼安裝多系統最好要先安裝Windows再安裝Linux呢?A:Linux在安裝的時候，你可以選擇將啟動管理程序安裝在MBR或各別分割槽的啟動磁區，而且Linux的loader可以手動配置菜單(就是上圖的M1, M2...)，所以你可以在Linux的boot loader裡面加入Windows啟動的選項；nWindows在安裝的時候，他的安裝程序會主動的覆蓋掉MBR以及自己所在分割槽的啟動磁區，你沒有選擇的機會，而且他沒有讓我們自己選擇菜單的功能。n因此，如果先安裝Linux再安裝Windows的話，那MBR的啟動管理程序就只會有Windows的項目，而不會有Linux的項目 (因為原本在MBR內的Linux的啟動管理程序就會被覆蓋掉)。

引用

本文參考了《鳥哥的Linux私房菜》和另一個大神的博客，具體忘記叫什麼了，實在不好意思。

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