再来理解一下硬盘再来理解一下硬盘

写在前面的话：上一篇写了《理解硬盘》，对硬盘的基本组成和基本概念说了说，基本上是从硬件的角度来说的，这篇再来写写硬盘，基本概念就不说了，直接看前一篇就可以了，重点关注于文件和系统分区在硬盘里面的位置，也解答一下@金色海洋（jyk）阳光男孩的疑问。
====正文开始====
一、我的磁盘参数
我们知道硬盘里面重要的几个概念：磁头（Head）、柱面（Cylinder）、扇区（Sector），下图是我电脑的这几项的数据，用DiskGenius查看的：

文章图片

共有60801个柱面，255个磁头，每道扇区数63个，总扇区数：976773168，这里说明两点：
（1）磁头数为奇数：我们知道磁盘里面一个盘面有两面可以存储数据，但是有的盘面只使用了一面，因此磁头数可能出现奇数，这里可以知道磁头编号是从0~255。（没有采用多磁头技术）
（2）每道扇区数：我们知道对于一个盘面，越往外磁道周长越长，对于以前老式的磁盘，每个磁道的扇区数目是相同的，这样就导致外面的磁道存储数据密度太低，因此现代的磁盘都是外面磁道扇区数目多，里面的扇区数目少，这里的每道扇区数其实是经过折算后的，也就是用总扇区数除以磁头数再除以柱面数得到的。
（3）柱面数：共有60801，所以可以知道柱面和磁道编号为0~60800
（4）总扇区数：976773168，这个就是我的硬盘总共的扇区数，这些扇区可以存储数据，其中每个扇区512Bytes，所以我的磁盘容量大概也就是：465GB
二、低级格式化
上面我们列举了我的磁盘里面柱面、扇区数目，这些数目是怎么来的呢？一个空白的硬盘可以想象成一个“铁砖头”，并没有这些所谓的磁道、柱面、扇区等参数，出厂前，硬盘厂家往往会进行格式化，确定硬盘的柱面、扇区等等物理参数，这就是所谓的“低级格式化”，这种格式化和操作系统是没有关系的。
三、磁盘寻址
磁盘经过低级格式化后，就有了扇区，我们就可以往里面写数据了，但是如何来确定我们的数据写到哪个扇区呢？如果我们不告诉计算机，它是不知道的。因此我们应该找到我们需要写入或读出数据的扇区，也就用到了“磁盘寻址”。
（1）找到一个具体的扇区，可以通过提供柱面号（Cylinder），磁头号（Header）、扇区号（Sector），就能唯一确定那个扇区了，这种寻址方式称为CHS寻址方式。例如CHS为0/0/1表示0号柱面、0号磁头、1号扇区，也就是整块磁盘的第一个扇区；60800/254/63,表示60800号柱面，255号磁头，63号扇区，表示我的磁盘的最后一个扇区。
（2）找到一个具体的扇区，还可以使用另外一种方式，那就是仅仅提供扇区号来确定，叫做LBA，逻辑寻址，或者线性寻址，例如0号柱面0号磁头扇区数为100个（这里不是68个了，因为外圈比内圈扇区数多），其对应的物理编号为1~100，但是对应的LBA逻辑编号为0~99（逻辑编号从0开始）；0号柱面1号磁头对应扇区物理编号为1~100，但是对应的LBA逻辑标号为100~199，以此类推，因此所有的扇区编号为：0~976773167，相当于把一个一个的柱面展开，然后连接起来了。
四、磁盘分区
看完了前面，一个物理参数已经确定的磁盘，如果我们要安装操作系统，例如windows，那么需要对磁盘进行分区，也就是说C盘占用哪些扇区，D盘占用哪些扇区等等，占用的扇区由我们给他们分配的大小决定。下图是我的分区所占用的扇区：

文章图片

可以看到系统保留分区占用的扇区，这里CHS和LBA两种寻址方式都可以看到：
（1）对于CHS寻址：系统保留分区从0柱面32磁头的33号扇区开始，到12柱面，223磁头的19扇区截止。
（2）对于LBA寻址：系统保留分区的起始扇区编号为：32*63+33-1=2048，注意这里的CHS中扇区编号从1开始，而LBA寻址里面扇区编号从0开始。
到这儿，也可以回答@金色海洋（jyk）阳光男孩的第一个疑问，C盘到底在硬盘的哪里：开始于12柱面223磁头20号扇区，结束于7649号柱面13号磁头44号扇区。而且操作系统一般存储于磁盘靠外面的磁道，据说外道访问速度比内道快，而操作系统文件又需要经常访问到。
再来看上面的图，我们会发现几个问题：
（1）系统保留分区从2048扇区开始，那么前面的0~2047个扇区，相当于1MB大小为什么没有显示出来，它们是干什么的用的？
（2）里面看到了扩展分区下面挂载了E盘和F盘，当然前面系统保留分区、C盘、D盘就是主分区了，他们有什么区别？
（3）扩展分区结束于60801柱面，47磁头46扇区，那么后面的扇区干什么用了？（备注：这里60801应该为60800，因为柱面是从0开始编号的，因此可能是软件的错误，这里不就深究了）
下面简单说一说：
（1）对于问题（1），前面有2048个扇区，其中第一个扇区，也就是0号柱面0号磁头1号扇区（CHS寻址）或者0号扇区（LBA寻址），也称为MBR区，共有512个字节，其中主引导记录MBR占用446个字节，用来引导操作系统启动的，不详细写了，有机会再介绍；磁盘分区表（DPT）占用64个字节，用来记录各个分区的情况，例如C盘占哪些扇区、D盘占哪些扇区等等，我们发现它只有64个字节，可以分成4条记录，一条记录占16个字节，用来记录一个分区的情况，因此只能有4个分区了，也就是4个主分区，如果想分更多的区，可以把其中一个主分区当做扩展分区，再扩充出去几个逻辑分区，几个逻辑分区挂载在扩展分区上面，因此扩展分区也是主分区的一种，且只能有一个；最后两个字节以55AA结尾；其他的2047个扇区一些空着，一些另做他用。（该部分内容不详细写了，要不文章又要太长了）
（2）对于问题（2）在上面文字中简单说明了一下主分区和扩展分区的区别。
（3）对于问题（3）我也好奇怪，那些空间都去哪儿了？
备注：可以把磁盘按照扇区展开，依次编号为0,1,2，……，然后分成几部分：Part1，Part2，Part3，Part4，Part5，Part6，Part7其中Part2、Part3、Part4、Part5，Part6分别给了系统保留分区、C、D、E、F盘，Part1和Part7空出的空间另作他用，其中每一个Part里面各个扇区又是有些什么，里面存储了哪些信息，也是值得思考的。
五、写入文件
分区讲完了，我们来看看写入文件。往磁盘里面写入文件，是按照柱面、磁头、扇区的顺序来写的，例如先写第1个柱面、第1个磁头、第1个扇区，然后写第1个柱面、第1个磁头、第2个扇区，写完63个扇区后，再移动到下面一个磁头来写；当写完一个柱面，再用后面的柱面。接下来假如往c盘写两个文件a.txt,b.txt，他们一个占用了一个柱面，那么它们的扇区地址是紧紧挨着的且a.txt在前，b.txt再后，但是接下来就要发生一些事情：
（1）如果a.txt里面删除内容，那么占用空间减少，但是占用的空间还是1个柱面。
（2）如果a.txt里面增加内容，那么一个柱面占不下了，而紧挨着它的柱面又被b.txt给占了，那么它会从其他柱面去找地方去放，然后在a.txt创建对新增内容所在扇区的引用。
从（1）（2）可知，随着系统的运行，磁盘里面的碎片会越来越多，因此操作系统提供了碎片整理工具就是把这些空间整合的（当然，对于SSD硬盘，因为内部结构不同，不建议碎片整理，这里就不解释了。），可以看看我的D盘里面空间利用，并不是连续的，如下图：

文章图片

备注：操作系统对文件的操作比这个要复杂些，例如删除文件并不会实际从扇区里面删除，否则各种恢复就无法恢复文件了，具体的可以去看操作系统知识了。
另外，我们平时有过这样的体会：例如将D盘里面的一个大文件剪切到D盘的其他文件夹，速度很快，而剪切到其他盘符，速度就比较慢了，就是因为在同一盘符里面，剪切文件，实际上只是改变了文件的引用地址，并没有改变文件实际的扇区地址，因此速度很快。这也给我们一个提示：以后磁盘分区没必要分那么多了，分两个就够了，一个安装系统，一个放一些数据文件，这样移动文件速度也快，当然如果有别的用途，如安装多操作系统等需要，就另当别论了。
好了，就写这么多吧，从此再看到硬盘，是不是对它有了不一样的认识，写的有点儿乱，还请见谅。
（完）
文档信息