硬盘的数据结构

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。我们来分别介绍一下：

（1）MBR区
MBR（Main Boot Record）,按其字面上的理解即为主引导记录区，位于整个硬盘的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。大致的结构如图5：
图5

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Fdisk.com）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。

偏移	长度	所表达的意义
0	字节	分区状态：如0-->非活动分区 　　　　　　80--> 活动分区
1	字节	该分区起始头（HEAD）
2	字	该分区起始扇区和起始柱面
4	字节	该分区类型：如82--> Linux Native分区 　　　　　　　83--> Linux Swap 分区
5	字节	该分区终止头（HEAD）
6	字	该分区终止扇区和终止柱面
8	双字	该分区起始绝对分区
C	双字	该分区扇区数

下面，我们以一个实例让大家更直观地来了解主引导记录：

例：80 01 01 00 0B FE BF FC 3F 00 00 00 7E 86 BB 00
在这里我们可以看到，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。

磁盘分区类型标志
00	空,DOS或Windows不允许使用,视为非法	5C	Priam Edisk
01	FAT12	61	Speed Stor
02	XENIX  root	63	GNU HURD or Sys
03	XENIX  usr	64	Novell Netware
06	FAT16 04 表示分区小于32M	65	Novell Netware
07	HPFS / NTFS	70	Disk Secure Mult
08	AIX	75	PC/IX
09	AIX  bootable	80	Old Minix
0A	OS/2  Boot Manage	81	Minix/Old Linux
0B	Win95 FAT32	82	Linux swap
0C	Win95 FAT32	83	Linux
0E	Win95 FAT16	84	0s/2 hidden C:
0F	Win95 Extended(大于 8GB)	85	Linux extended
10	OPUS	86	NTFS volume set
11	Hidden FAT12	87	NTFS volume set
12	Compaq diagmost	93	Amoeba
16	HiddenFAT16	94	Amoeba BBT
14	Hidden FAT16<32MB	A0	IBM Thinkpad hidden
17	Hidden HPFS/NTFS	A5	BSD/386
18	AST Windows swap	A6	Open BSD
1B	Hidden FAT32	A7	NextSTEP
1C	Hidden FAT32 partition (using LBA-mode INT 13 extensions)	B7	BSDI fs
		B8	BSDI swap
1E	Hidden LBA VFAT partition	BE	Solaris boot partition
24	NEC DOS	C0	DR-DOS/Novell DOS secured partition
3C	Partition Magic	C1	DRDOS/sec
40	Venix 80286	C4	DRDOS/sec
41	PPC Perp Boot	C6	DRDOS/sec
42	NTFS动态分区	C7	Syrinx
4D	QNX4.x	DB	CP/M/CTOS
4E	QNX4.x 2nd part	E1	DOS access
4F	QNX4.x 3rd part	E3	DOS r/0
50	OnTrack DM	E4	Speedstor
51	OnTrack DM6 Aux	EB	BeoS fs
52	CP/M	F1	SpeedStor
53	OnTrack DM6 Aux	F2	DOS 3.3+secondary partition
54	OnTrack DM6	F4	SpeedStor
55	EZ-Drive	FE	LAN step
56	Golden Bow	FF	BBT

（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）的本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区跟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。

（3）FAT区
在DBR之后的是我们比较熟悉的FAT（File Allocation Table文件分配表）区。在解释文件分配表的概念之前，我们先来谈谈簇（cluster）的概念。文件占用磁盘空间时，基本单位不是字节而是簇。簇的大小与磁盘的规格有关，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……

通过上文我们已经知道，同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，而往往会分成若干段，像一条链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。（见图6）硬盘上的文件常常要进行创建、删除、增长、缩短等操作。这样操作做的越多，盘上的文件就可能被分得越零碎（每段至少是1簇）。但是，由于硬盘上保存着段与段之间的连接信息（即FAT），操作系统在读取文件时，总是能够准确地找到各段的位置并正确读出。不过，这种以簇为单位的存储法也是有其缺陷的。这主要表现在对空间的利用上。每个文件的最后一簇都有可能有未被完全利用的空间（称为尾簇空间）。一般来说，当文件个数比较多时，平均每个文件要浪费半个簇的空间。

图6

好了，我们言归正传，为了实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，表中有很多表项，每项记录一个簇的信息。

由于FAT对于文件管理的重要性，所以FAT有一个备份，即在原FAT的后面再建一个同样的FAT。初形成的FAT中所有项都标明为"未占用"，但如果磁盘有局部损坏，那么格式化程序会检测出损坏的簇，在相应的项中标为"坏簇"，以后存文件时就不会再使用这个簇了。FAT的项数与硬盘上的总簇数相当，每一项占用的字节数也要与总簇数相适应，因为其中需要存放簇号。FAT的格式有多种，最为常见和为读者所熟悉的是FAT16和FAT32，其中FAT16是指文件分配表使用16位数字，由于16位分配表最多能管理65536（即2的16次方）个簇，也就是所规定的一个硬盘分区。

由于每个簇的存储空间最大只有32KB，所以在使用FAT16管理硬盘时，每个分区的最大存储容量只有（65536×32 KB）即2048MB，也就是我们常说的2G。现在的硬盘容量是越来越大，由于FAT16对硬盘分区的容量限制，所以当硬盘容量超过2G之后，用户只能将硬盘划分成多个2G的分区后才能正常使用，为此微软公司从Windows 95 OSR2版本开始使用FAT32标准，即使用32位的文件分配表来管理硬盘文件，这样系统就能为文件分配多达4294967296（即2的32次方）个簇，所以在簇同样为32KB时每个分区容量最大可达65G以上。此外使用FAT32管理硬盘时，每个逻辑盘中的簇长度也比使用FAT16标准管理的同等容量逻辑盘小很多。由于文件存储在硬盘上占用的磁盘空间以簇为最小单位，所以某一文件即使只有几十个字节也必须占用整个簇，因此逻辑盘的簇单位容量越小越能合理利用存储空间。所以FAT32更适于大硬盘。

（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。