FAT文件系统原理(一)

一、硬盘的物理结构:

FAT文件系统原理(一)

    硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成(图1),其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。

    硬盘工作时,盘片以设计转速高速旋转,设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。当系统向硬盘写入数据时,磁头中“写数据”电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变,并在写电流磁场消失后仍能保持,这样数据就存储下来了;当系统从硬盘中读数据时,磁头经过盘片指定区域,盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化,经相关电路处理后还原成数据。因此只要能将盘片表面处理得更平滑、磁头设计得更精密以及尽量提高盘片旋转速度,就能造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。这是因为盘片表面处理越平、转速越快就能越使磁头离盘片表面越近,提高读、写灵敏度和速度;磁头设计越小越精密就能使磁头在盘片上占用空间越小,使磁头在一张盘片上建立更多的磁道以存储更多的数据。

二、硬盘的逻辑结构。

    硬盘由很多盘片(platter)组成,每个盘片的每个面都有一个读写磁头。如果有N个盘片。就有2N个面,对应2N个磁头(Heads),从0、1、2开始编号。每个盘片被划分成若干个同心圆磁道(逻辑上的,是不可见的。)每个盘片的划分规则通常是一样的。这样每个盘片的半径均为固定值R的同心圆再逻辑上形成了一个以电机主轴为轴的柱面(Cylinders),从外至里编号为0、1、2……每个盘片上的每个磁道又被划分为几十个扇区(Sector),通常的容量是512byte,并按照一定规则编号为1、2、3……形成Cylinders×Heads×Sector个扇区。这三个参数即是硬盘的物理参数。

三、磁盘引导原理。

3.1 MBR(master boot record)扇区:

    计算机在按下power键以后,开始执行主板bios程序。进行完一系列检测和配置以后。开始按bios中设定的系统引导顺序引导系统。假定现在是硬盘。Bios执行完自己的程序后如何把执行权交给硬盘呢。交给硬盘后又执行存储在哪里的程序呢。其实,称为mbr的一段代码起着举足轻重的作用。MBR(master boot record),即主引导记录,有时也称主引导扇区。位于整个硬盘的0柱面0磁头1扇区(可以看作是硬盘的第一个扇区),bios在执行自己固有的程序以后就会jump到mbr中的第一条指令。将系统的控制权交由mbr来执行。在总共512byte的主引导记录中,MBR的引导程序占了其中的前446个字节(偏移0H~偏移1BDH),随后的64个字节(偏移1BEH~偏移1FDH)为DPT(Disk PartitionTable,硬盘分区表),最后的两个字节“55 AA”(偏移1FEH~偏移1FFH)是分区有效结束标志。

    MBR不随操作系统的不同而不同,意即不同的操作系统可能会存在相同的MBR,即使不同,MBR也不会夹带操作系统的性质。具有公共引导的特性。

     下面是用winhex查看的一块希捷120GB硬盘的mbr。

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    你的硬盘的MBR引导代码可能并非这样。不过即使不同,所执行的功能大体是一样的。这是wowocock关于磁盘mbr的反编译,已加了详细的注释,感兴趣可以细细研究一下。

    操作系统为了便于用户对磁盘的管理,加入了磁盘分区的概念。即将一块磁盘逻辑划分为几块。磁盘分区数目的多少只受限于C~Z的英文字母的数目,在上图DPT共64个字节中如何表示多个分区的属性呢?microsoft通过链接的方法解决了这个问题。在DPT共64个字节中,以16个字节为分区表项单位描述一个分区的属性。也就是说,第一个分区表项描述一个分区的属性,一般为基本分区。第二个分区表项描述除基本分区外的其余空间,一般而言,就是我们所说的扩展分区。这部分的大体说明见表1。

表1  图2分区表第一字段
字节位移 字段长度 字段名和定义
0x01BE BYTE 0x80    引导指示符(Boot Indicator)   指明该分区是否是活动分区。
0x01BF BYTE 0x01 开始磁头(Starting Head)
0x01C0 6位 0x01 开始扇区(Starting Sector) 只用了0~5位。后面的两位(第6位和第7位)被开始柱面字段所使用
0x01C1 10位 0x00 开始柱面(Starting Cylinder)   除了开始扇区字段的最后两位外,还使用了1位来组成该柱面值。开始柱面是一个10位数,最大值为1023
0x01C2 BYTE 0x07 系统ID(System ID) 定义了分区的类型,详细定义,请参阅图4
0x01C3 BYTE 0xFE 结束磁头(Ending Head)
0x01C4 6位 0xFF 结束扇区(Ending Sector)     只使用了0~5位。最后两位(第6、7位)被结束柱面字段所使用
0x01C5 10位 0x7B 结束柱面(Ending Cylinder) 除了结束扇区字段最后的两位外,还使用了1位,以组成该柱面值。结束柱面是一个10位的数,最大值为1023
0x01C6 DWORD 0x0000003F 相对扇区数(Relative Sectors) 从该磁盘的开始到该分区的开始的位移量,以扇区来计算
0x01CA DWORD 0x00DAA83D 总扇区数(Total Sectors) 该分区中的扇区总数

注:上表中的超过1字节的数据都以实际数据显示,就是按高位到地位的方式显示。存储时是按低位到高位存储的。两者表现不同,请仔细看清楚。以后出现的表,图均同。

   也可以在winhex中看到这些参数的意义:

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    说明: 每个分区表项占用16个字节,假定偏移地址从0开始。如图3的分区表项3。分区表项4同分区表项3。

    1、0H偏移为活动分区是否标志,只能选00H和80H。80H为活动,00H为非活动。其余值对microsoft而言为非法值。

    2、重新说明一下(这个非常重要):大于1个字节的数被以低字节在前的存储格式格式(little endian format)或称反字节顺序保存下来。低字节在前的格式是一种保存数的方法,这样,最低位的字节最先出现在十六进制数符号中。例如,相对扇区数字段的值0x3F000000的低字节在前表示为0x0000003F。这个低字节在前的格式数的十进制数为63。

    3、系统在分区时,各分区都不允许跨柱面,即均以柱面为单位,这就是通常所说的分区粒度。有时候我们分区是输入分区的大小为7000M,分出来却是6997M,就是这个原因。 偏移2H和偏移6H的扇区和柱面参数中,扇区占6位(bit),柱面占10位(bit),以偏移6H为例,其低6位用作扇区数的二进制表示。其高两位做柱面数10位中的高两位,偏移7H组成的8位做柱面数10位中的低8位。由此可知,实际上用这种方式表示的分区容量是有限的,柱面和磁头从0开始编号,扇区从1开始编号,所以最多只能表示1024个柱面×63个扇区×256个磁头×512byte=8455716864byte。即通常的8.4GB(实际上应该是7.8GB左右)限制。实际上磁头数通常只用到255个(由汇编语言的寻址寄存器决定),即使把这3个字节按线性寻址,依然力不从心。 在后来的操作系统中,超过8.4GB的分区其实已经不通过C/H/S的方式寻址了。而是通过偏移CH~偏移FH共4个字节32位线性扇区地址来表示分区所占用的扇区总数。可知通过4个字节可以表示2^32个扇区,即2TB=2048GB,目前对于大多数计算机而言,这已经是个天文数字了。在未超过8.4GB的分区上,C/H/S的表示方法和线性扇区的表示方法所表示的分区大小是一致的。也就是说,两种表示方法是协调的。即使不协调,也以线性寻址为准。(可能在某些系统中会提示出错)。超过8.4GB的分区结束C/H/S一般填充为FEH FFH FFH。即C/H/S所能表示的最大值。有时候也会用柱面对1024的模来填充。不过这几个字节是什么其实都无关紧要了。

    虽然现在的系统均采用线性寻址的方式来处理分区的大小。但不可跨柱面的原则依然没变。本分区的扇区总数加上与前一分区之间的保留扇区数目依然必须是柱面容量的整数倍。(保留扇区中的第一个扇区就是存放分区表的MBR或虚拟MBR的扇区,分区的扇区总数在线性表示方式上是不计入保留扇区的。如果是第一个分区,保留扇区是本分区前的所有扇区。

     附:分区表类型标志如图4

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3.2 扩展分区:

    扩展分区中的每个逻辑驱动器都存在一个类似于MBR的扩展引导记录( Extended Boot Record, EBR),也有人称之

 
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