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    2.3硬盤的分區(qū)
    一塊剛出廠的新硬盤是無法使用的，需要對(duì)它進(jìn)行分區(qū)和格式化處理，然后再安裝上操作系統(tǒng)才可以使用。一塊完整硬盤的數(shù)據(jù)應(yīng)該包括5個(gè)部分：主引導(dǎo)扇區(qū)（MBR）、操作系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)（DBR） 、FAT文件分配表、目錄（DIR）區(qū)和數(shù)據(jù)（DATA）區(qū)。其中只有主引導(dǎo)扇區(qū)是唯一的，其他分區(qū)數(shù)可以任意設(shè)置。

    2.3.1硬盤各分區(qū)的作用及原理
    1．主引導(dǎo)扇區(qū)
    接通電源后，計(jì)算機(jī)開始執(zhí)行主板BIOS程序。進(jìn)行完一系列檢測(cè)和配置以后。開始按BIOS中設(shè)定的系統(tǒng)引導(dǎo)順序引導(dǎo)系統(tǒng)。MBR （Master Boot Re-cord），即主引導(dǎo)記錄，有時(shí)也稱主引導(dǎo)扇區(qū)。位于整個(gè)硬盤的0柱面0磁頭1扇區(qū)／可以看作是硬盤的一第一扇區(qū)），BIOS在執(zhí)行自己固有的程序以后就會(huì)跳到MBR中的第一條指令。將系統(tǒng)的控制權(quán)交由主引導(dǎo)區(qū)來執(zhí)行。在總共512B的主引導(dǎo)記錄中，MBR的引導(dǎo)程序占了其中的前446B偏移OH偏移1BDH）、隨后的64B（偏移IBEH偏移1 FDH）為硬盤分區(qū)表（Disk Partition Table、 DPT），最后的兩個(gè)字節(jié)“55 AA”（偏移1 FEH移1FFH）是分區(qū)有效結(jié)束標(biāo)志。
    MBR不隨操作系統(tǒng)的不同而不同，即不同的操作系統(tǒng)可能會(huì)存在相同的MBR，即使不同，MBR也不會(huì)夾帶操作系性質(zhì)，具有公共引導(dǎo)的特性。
    對(duì)于DPT部分，操作系統(tǒng)為了便于用戶對(duì)磁盤的管理，加入了磁盤分區(qū)的概念。即將一塊磁盤邏輯劃分為幾塊，磁盤分區(qū)數(shù)目的多少只受限于C～Z的英文字母的數(shù)目。在DPT中，共64個(gè)字節(jié)，如何表示多個(gè)分區(qū)的屬性呢？微軟通過鏈接的方法解決了這個(gè)問題。在DPT的64個(gè)字節(jié)中，以16個(gè)字節(jié)為分區(qū)表項(xiàng)單位描述一個(gè)分區(qū)的屬性。第一個(gè)分區(qū)表項(xiàng)描述一個(gè)分區(qū)的屬性，一般為基本分區(qū)；第二個(gè)分區(qū)表項(xiàng)描述除基本分區(qū)外的其余空間。一般而言，就是所說的擴(kuò)展分區(qū)。這部分的大體說明見表2-1。

    2．操作系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)
    操作系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)（DOS BOOT RECORD， DBR）通常位于硬盤的0磁道1柱面1扇區(qū)。這是對(duì)于DOS來說的，對(duì)于那些以多重引導(dǎo)方式啟動(dòng)的系統(tǒng)則位于相應(yīng)的主分區(qū)／擴(kuò)展分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)。它是操作系統(tǒng)可直接訪問的第一個(gè)扇區(qū)，也包括一個(gè)引導(dǎo)程序和一個(gè)被稱為BPB的本分區(qū)參數(shù)記錄表。其實(shí)每個(gè)邏輯分區(qū)都有一個(gè)DBR，其參數(shù)視分區(qū)的大小、操作系統(tǒng)的不同而有所不同。引導(dǎo)程序的主要任務(wù)是判斷本分區(qū)根目錄前兩個(gè)文件是否為操作系統(tǒng)的引導(dǎo)文件，例如，MSDOS或者起源于MSDOS的Windows XP系統(tǒng)的10. SYS和MSDOW. SYS。引導(dǎo)程序就把第一個(gè)文件讀入內(nèi)存，并把控制權(quán)交予該文件。DBR參數(shù)塊記錄著本分區(qū)的起始扇區(qū)、結(jié)束扇區(qū)、文件存儲(chǔ)格式、硬盤介質(zhì)描述符、根目錄大小、FAT個(gè)數(shù)、分配單元（Allocation Unit，簇）的大小等重要參數(shù)。DBR由高級(jí)格式化程序產(chǎn)生，下面以最常用的FAT32為例，說明分區(qū)DBR各字節(jié)的含義，如圖2-24所示。

圖2-24的對(duì)應(yīng)解釋見表2-3。

根據(jù)圖2-24和圖2-25，來討論DBR中各字節(jié)的參數(shù)意義。

    MBR將CPU發(fā)出的執(zhí)行指令轉(zhuǎn)移給引導(dǎo)扇區(qū)因此，引導(dǎo)扇區(qū)的前三個(gè)字節(jié)必須是合法的可執(zhí)行的基于X86的CPU指令。這通常是一條跳轉(zhuǎn)指令，該指令負(fù)責(zé)跳過接下來的幾個(gè)不可執(zhí)行的字節(jié)（BPB和擴(kuò)展BPB），跳到操作系統(tǒng)引導(dǎo)代碼部分。
    跳轉(zhuǎn)指令之后是8字節(jié)處理OEM ID，它是一個(gè)字符串，OEM ID標(biāo)識(shí)了格式化該分區(qū)的操作系統(tǒng)的名稱和版本號(hào)，為了保留與MS一DOS的兼容性，通常Windows 20由或Windows XP系統(tǒng)格式化該盤是在FAT32磁盤上的該字段中記錄了“MSDOS 5. 0”，在NTFS磁盤上Windows 2000或Windows XP記錄的是NT-FS格式的文件。
    接下來的從偏移0X0B開始的是一段描述能夠使可執(zhí)行引導(dǎo)代碼找到相關(guān)參數(shù)的信息，通常稱為BPB （BIOS Parameter Block） ， BPB一般開始于相同的位移量。因此，標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)都處于一個(gè)已知的位置。磁盤容量和幾何結(jié)構(gòu)變量都被封在BPB中。由于引導(dǎo)扇區(qū)的第一部分是一個(gè)x86跳線指令。因此，將來通過在BPB末端附加新的信息，可以對(duì)BPB進(jìn)行擴(kuò)展。只需要對(duì)該跳轉(zhuǎn)指令做一個(gè)小的調(diào)整就可以適應(yīng)BPB的變化。表2-4列出了FAT32分區(qū)的BPB字段名稱和含義。表2-5列出了FAT32分區(qū)的擴(kuò)展BPB字段名稱和含義。

    DBR的偏移0X5A開始的數(shù)據(jù)為操作系統(tǒng)引導(dǎo)代碼。這是由偏移0X00開始的跳轉(zhuǎn)指令所指向的，在圖2-23所列出的移0X00 - 0X02的跳轉(zhuǎn)指令“EB58 90”，清楚地指明了OS引導(dǎo)代碼的偏移位置，Jump 58H加上跳轉(zhuǎn)指令所需的位移量，即開始于0X5 A。此段指令在不同的操作系統(tǒng)上和不同的引導(dǎo)方式上，其內(nèi)容也是不同的。Windows XP所使用的DBR只占用基本分區(qū)的0扇區(qū)。對(duì)于FAT32，一般的32個(gè)基本分區(qū)保留扇區(qū)只有第0扇區(qū)是有用的。以FAT32構(gòu)建的操作系統(tǒng)為例，如果是Windows 2000或Windows XP，系統(tǒng)會(huì)使用基本分區(qū)的第0扇區(qū)和第0XC扇區(qū)（Windows 2000或Windows XP，其第0XC的位置由第0扇區(qū)的0XAB偏移指出）存儲(chǔ)OS引導(dǎo)代碼。所以，在FAT32分區(qū)格式上，如果DBR一扇區(qū)的內(nèi)容正確而缺少第2扇區(qū)（Windows 98系統(tǒng)）或第0XC扇區(qū)（Windows 2000或者Windows XP系統(tǒng)），系統(tǒng)也是無法啟動(dòng)的。如果自己手動(dòng)設(shè)置NTLDR雙系統(tǒng)，必須知道這一點(diǎn)。
    DBR扇區(qū)的最后兩個(gè)字節(jié)是一般存儲(chǔ)值為0X55AA的DBR有效標(biāo)志，對(duì)于其他的取值，系統(tǒng)將不會(huì)執(zhí)行DBR相關(guān)指令，上面提到的其他幾個(gè)參與OS引導(dǎo)的扇區(qū)也需以0X55AA為合法結(jié)束標(biāo)志。
    FAT32中DBR的含義大致如此，對(duì)于FAT12和FAT16，其基本意義類似，只是相關(guān)偏移量和參數(shù)意義有小的差異，F(xiàn)AT16的扇區(qū)參數(shù)見表2-6～表2-8。

    對(duì)于保留扇區(qū)在上述FAT文件系統(tǒng)DBR的偏移ME處，用兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)保留扇區(qū)的數(shù)目。保留扇區(qū)（有時(shí)候稱為系統(tǒng)扇區(qū)、隱藏扇區(qū)），是指從分區(qū)DBR扇區(qū)開始的僅為系統(tǒng)所有的扇區(qū)，包括DBR扇區(qū)。在FAT16文件系統(tǒng)中，保留扇區(qū)的數(shù)據(jù)通常設(shè)置為1，即僅僅DBR扇區(qū)。而在FAT32中，保留扇區(qū)的數(shù)據(jù)通常取為32，有時(shí)候用魔術(shù)師分區(qū)工具分過的FAT32分區(qū)會(huì)設(shè)置36個(gè)保留扇區(qū)，有的工具可能會(huì)設(shè)置63個(gè)保留扇區(qū)。
    FAT32中的保留扇區(qū)除了磁盤總第0扇區(qū)用作于DBR，總第OXC扇區(qū)（Windows 2000， Windows XP）用作于OS引導(dǎo)代碼擴(kuò)展部分外，其余扇區(qū)都不參與操作系統(tǒng)管理與磁盤數(shù)據(jù)管理。操作系統(tǒng)之所以在FAT32中設(shè)置保留扇區(qū)，是為了DBR做備份或留待以后升級(jí)時(shí)用。FAT32中，DBR偏移0X34占2B的數(shù)據(jù)，指明了DBR備份扇區(qū)所在，一般為0X06，即第6扇區(qū)。當(dāng)FAT32分區(qū)DBR扇區(qū)被破壞導(dǎo)致分區(qū)無法訪問時(shí)，可以用第6扇區(qū)的原備份特?fù)Q第0扇區(qū)來找回?cái)?shù)據(jù)。
    3．文件分配表
    文件分配表（File Allocation Table， FAT）是DOS/Windows XP的文件尋址系統(tǒng)，為了數(shù)據(jù)安全起見，F(xiàn)AT一般做兩個(gè)，第二個(gè)FAT為第一個(gè)FAT的備份，F(xiàn)AT區(qū)緊接在DBR之后，其大小由本分區(qū)的大小及文件分配單元的大小決定。關(guān)于FAT的格式歷來有很多選擇，微軟的DOS及Windows采用FAT12， FAT16和FAT32格式，但除此以外并非沒有其他格式的FAT，像Windows NT、OS/2、UNIX/Linux、 Novell等都有自己的文件管理方式。
    FAT文件結(jié)構(gòu)如圖2-26所示。

    FAT分區(qū)格式是微軟最早支持的分區(qū)格式，依據(jù)FAT表中每個(gè)簇鏈的所占位數(shù)，它分為FAT 12、 FAT16、 FAT 32三種格式（變種），但其基本存儲(chǔ)方式是相似的。
    1） FAT和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)原則
    FAT是微軟在FAT文件系統(tǒng)中用于磁盤數(shù)據(jù)（文件）索引和定位引進(jìn)的一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。假如把磁盤比作一本書，F(xiàn)AT表可以認(rèn)為相當(dāng)于書中的目錄，而文件就是各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，但FAT表的表示方法卻與目錄有很大的不同。
    在FAT丈件系統(tǒng)中，文件的存儲(chǔ)依照FAT表制定的簇鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。同時(shí)，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)將組織數(shù)據(jù)時(shí)使用的目錄，也抽象為文件，以簡(jiǎn)化對(duì)數(shù)據(jù)的管理。
    2）存儲(chǔ)過程
    FAT文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)原則可用模擬的方法對(duì)一個(gè)分區(qū)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的過程來說明。
    假設(shè)有一個(gè)空的完全沒有存放數(shù)據(jù)的磁盤，大小為100 KB，將其想象為線形的空間地址，為了存儲(chǔ)管理上的便利，人為地將這10OKB的空間均分成100份，每份1KB。接下來依次存儲(chǔ)這樣幾個(gè)文件：A. TXT（大小10KB）；B. TXT大小53. 6KB）；C. TXT（大小20. 5 KB）。
    可以順利地在這10OKB空間中存放這3個(gè)文件，同時(shí)還要記下它們的大小和開始的位置，這樣下次要用時(shí)才能找的到，這就像目錄。為了便于查找，假定用第1個(gè)空間來存儲(chǔ)它們的特征（屬性）。設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)單位是1 KB，所以，A.TXT需要10個(gè)存儲(chǔ)單位（存儲(chǔ)單位一般稱為簇）；B. TXT需要54個(gè)簇，C. TXT需要31個(gè)簇，可能有人會(huì)說B. TXT和C. TXT不是各自浪費(fèi)了不到1簇的空間嗎？但是，如果按照這樣“緊挨著”的方式存儲(chǔ)，目錄中原本只需要記下簇號(hào)，現(xiàn)在還需要記下簇內(nèi)的偏移，這樣會(huì)增加目錄的存儲(chǔ)量，而且沒有了規(guī)則，讀取也不太方便，是得不償失的。
綜上所述，設(shè)計(jì)了如圖2-27所示的存儲(chǔ)方式。

    對(duì)于每個(gè)文件而言，一定要記錄的有文件名、開始簇、大小、創(chuàng)建日期與時(shí)間、修改日期與時(shí)間、文件的讀寫屬性等。這里大小不能用結(jié)束簇來，因?yàn)槲募拇笮〔灰欢ň褪钦麄€(gè)簇的大小，否則像B. TXT就是5KB的內(nèi)容了。為了管理上的方便，用數(shù)據(jù)庫(kù)的管理方式來管理目錄，則可以將1KB再分成10份，假定開始簇號(hào)為0，定義每份100B的各個(gè)位置的代表含義如圖2-28。

    此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)絕對(duì)可以對(duì)文件進(jìn)行正確的讀寫了。下面先改動(dòng)個(gè)文件，例如，對(duì)A. TXT增加點(diǎn)內(nèi)容在增加內(nèi)容之前，可以先將B. TXT刪了，B. TXT的空間隨之釋放，這時(shí)候空間如圖2-29所示，目錄如圖2-30所示。



    下面存入一個(gè)文件D. TXT大小為60. 3 KB），總共100簇的空間只用了31簇，還有68簇，實(shí)際中沒有61個(gè)連續(xù)空間了，目錄行無法寫了，說明設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)有致命的漏洞。要解決這個(gè)問題，首先應(yīng)允許文件的不連續(xù)存儲(chǔ)。目錄中依然只記錄開始簇和文件的大小?？梢杂么貋碛成湮募?，在整個(gè)存儲(chǔ)空間的前部留下幾簇來記錄數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)與簇號(hào)的關(guān)系。對(duì)于上例，因?yàn)榭偪臻g也不大，所以，用前部的1KB的空間來記錄這種對(duì)應(yīng)，假設(shè)3個(gè)文件都存儲(chǔ)，空間分配如圖2-31所示，同時(shí)修改一下目錄，如圖2-32所示。



    第一簇用來記錄數(shù)據(jù)區(qū)中每一簇的被占用的情況，暫時(shí)稱其為文件分配表。結(jié)合文件分配表和文件目錄就可以達(dá)到完全的文件讀取了。把文件分配表做成一個(gè)數(shù)據(jù)表，以圖2-33的形式記錄簇與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)。

    用圖2-33的組織方式是完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文件占有簇的記錄的，但效率不夠高。例如文件名在文件分配表中記錄太多，浪費(fèi)空間，而實(shí)際上在目錄中已經(jīng)記錄了文件的開始簇了所以可以改良一下，用鏈的方式來存放占有簇的關(guān)系，即圖2-34的組織方式。

    例如，文件A. TXT，根據(jù)目錄項(xiàng)中指定的A. TXT的首簇為2，然后找到文件分配表的第2簇記錄，上面登記的是3，就能確定下一簇是3，找到文件分配表的第3簇記錄，上面登記的是4，就能確定下一簇是4……直到指到第11簇，發(fā)現(xiàn)下一個(gè)指向是FF，就是結(jié)束，文件便讀取完畢。
    根據(jù)上面提到的第三種情況：就是將B. TXT刪除以后，存入一個(gè)大小為60. 3 KB的D. TXT。利用簇中很容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)后的磁盤如圖2-35、圖2-37所示。文件分配表如圖2-36所示。





    3） FAT32存儲(chǔ)原理
    由于目前主要使用的是FAT和NTFS存儲(chǔ)方式，下面以FAT32為例介紹存儲(chǔ)原理。
    FAT32由如圖2-38所示的6部分組成（主要是前5部分），F(xiàn)AT將磁盤空間按一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分，這樣前單位稱為簇。通常情況下，每扇區(qū)512B的原則是不變的。簇的大小一般是2（n為整數(shù)）個(gè)扇區(qū)的大小，像512B，1KB、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB，實(shí)際中通常不超過64KB。以簇為單位而不以扇區(qū)為單位進(jìn)行磁盤的分配，是因?yàn)楫?dāng)分區(qū)容量較大時(shí)，采用大小為512B的扇區(qū)管理會(huì)增加FAT表的項(xiàng)數(shù)，對(duì)大文件存取增加消耗，文件系統(tǒng)效率不高。分區(qū)的大小和簇的取值是有關(guān)系的，F(xiàn)AT32分區(qū)大小與對(duì)應(yīng)簇的關(guān)系見表2-9。



    簇的取值意義見表2-10

    FAT32的另一項(xiàng)重大改革是根目錄的文件化，即將根目錄等同于普通的文件，這樣根目錄便沒有了FAT16中512個(gè)目錄項(xiàng)的限制，不夠用的時(shí)候增加簇鏈，分配空簇即可。而且，根目錄的位置也不再硬性地固定了，可以存儲(chǔ)在分區(qū)內(nèi)可尋址的任意簇內(nèi)。通常根目錄是最早建立的（格式化就生成了）目錄表，所以，人們看到的情況基本上都是根目錄首簇占簇區(qū)順序上的每1個(gè)簇。
    FAT32對(duì)簇的編號(hào)順序上，第，1個(gè)簇編號(hào)為第2簇，通常為根目錄所用。
    FAT32的目錄項(xiàng)的各字節(jié)及其參數(shù)意義見表2-11。

    說明：
    （1）這是FAT32短文件格式目錄項(xiàng)的意義，其中，文件名、擴(kuò)展名、時(shí)間、日期的算法和FAT16是相同的。
    （2）由于FAT32可尋址的簇號(hào)到了32位二進(jìn)制數(shù)。所以，系統(tǒng)在記錄文件（文件夾）開始簇地址的時(shí)候也需要32位來記錄，F(xiàn)AT32啟用目錄項(xiàng)偏移0X12～0X13來表示起始簇號(hào)的高16位。
    （3）文件長(zhǎng)度依然用4個(gè)字節(jié)表示，這說明FAT32依然只支持小于4GB的文件（目錄）。超過4GB的文件（目錄），系統(tǒng)會(huì)截?cái)嗵幚怼?br>    FAT32的一個(gè)重要的特點(diǎn)是完全支持長(zhǎng)文件名，長(zhǎng)文件名依然是記錄在目錄項(xiàng)中的。為了低版本的OS或程序能正確讀取長(zhǎng)文件名文件，系統(tǒng)自動(dòng)為所有長(zhǎng)文件名文件創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)應(yīng)的短文件名，使對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)既可以用長(zhǎng)文件名尋址，也可以用短文件名尋址，不支持長(zhǎng)文件名的OS或程序會(huì)忽略它認(rèn)為不合法的長(zhǎng)文件名字段，而支持長(zhǎng)文件名的OS或程序則會(huì)以長(zhǎng)文件名為顯式項(xiàng)來記錄和編輯，并隱藏起短文件名。
    當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)文件名文件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加上讀／取的短文件名，其一般原則如下：
    （1）取長(zhǎng)文件名的前6個(gè)字符加上“～1”形成短文件名，擴(kuò)展名不變。
    （2）如果已存在這個(gè)文件名，則符號(hào)“～”后的數(shù)字遞增，直到5。
    （3）如果文件名中“～”后面的數(shù)字達(dá)到5，則短文件名只使用長(zhǎng)文件名的前兩個(gè)字母，通過數(shù)學(xué)操縱長(zhǎng)文件名的剩余字母生成短文件名的后四個(gè)字母，然后加后綴“～1”直到最后。
    （4）如果存在DOS或程序無法讀取的字符，換以“－”。
    長(zhǎng)文件名的實(shí)現(xiàn)有賴于目錄項(xiàng)偏移為0XB的屬性字節(jié)，當(dāng)此字節(jié)的屬性為只讀、隱藏、系統(tǒng)、卷標(biāo)，即其值為OFH時(shí)，DOS和WIN32會(huì)認(rèn)為其不合法而忽略其存在。這正是長(zhǎng)文件名存在的依據(jù)。將目錄項(xiàng)的OXB置為OF，其他就任由系統(tǒng)定義了，Windows 2000， XP通常支持不超過255個(gè)字符的長(zhǎng)文件名。系統(tǒng)將長(zhǎng)文件名以13個(gè)字符為單位進(jìn)行切割，每一組占據(jù)一個(gè)目錄項(xiàng)。所以，可能一個(gè)文件需要多個(gè)目錄項(xiàng)，這時(shí)長(zhǎng)文件名的各個(gè)目錄項(xiàng)按倒序排列在目錄表中，以防與其他文件名混淆。
    長(zhǎng)文件名中的字符采用Unicode形式編碼，每個(gè)字符占據(jù)2B的空間，其目錄項(xiàng)定義見表2-12。