硬盘结构总结

最近针对文件系统问题，复盘了下硬盘结构，在此记录

扇区sector

磁盘由多个扇区组成，每个扇区大小为512 bytes（0~0x1FF）（现代硬盘也有可能使用4K扇区）；扇区是物理结构层次的概念。

分区Partition

硬盘结构中的分区，也是物理结构概念，如MBR硬盘最多支持四个分区，分区会格式化为当前OS可识别的文件系统，其文件系统格式可以为FAT32, NTFS等等，而FAT32的分区会自动挂载simple file system protocol；每个分区可以理解为一个Block

块Block

为了提高数据读取速度，操作系统引入了块（block）的概念，即文件系统操作的最小单元，一个块可能由多个扇区组成；block是逻辑结构层次的概念

LBA -Logical Block Address 逻辑区块地址

         磁盘上逻辑结构寻址的一种方法，可以理解为一个LBA等同于物理层次的一个扇区，读取块设备需要知道blk起始LBA，即分区起始扇区号。MBR分区LBA是32bit，GPT分区是64bit

实例看到一个GPT硬盘有4个patition，对应5个block，多出来一个block应该是首个扇区开始的一块block，shell下用dblk指令查看blk0，对应数据为第一个扇区保护性MBR内容

MBR硬盘

         传统硬盘的一种分区，全称是主引导记录（Master Boot Record），是硬盘的首个扇区（LBA0），用于存放启动代码和分区表，MBR分区没有提供分区表备份机制

GPT（GUID Partition table）硬盘结构

         UEFI系统主要硬盘结构，仍然将硬盘划分为扇区，扇区地址从0开始编号。

GPT弥补MBR不足，如能支持更多分区，有备份分区表，分区表有CRC32校验，GPT每个分区都有一个唯一GUID。其结构如下

     LBA0是保护性MBR，用来兼容MBR硬盘；LBA1是GPT头，描述硬盘结构；LBA2开始是GPT分区表，如果扇区大小是512bytes，那么“First Usable LBA” 必须大于等于34，也就是GPT分区表占32个LBA；如果扇区大小是4096bytes，那么“First Usable LBA” 必须大于等于6，也就是GPT分区表占4个LBA；“First Usable LBA”开始则为每个分区结构；硬盘结尾的分区用作备份分区表和GPT头。

PMBR-保护性MBR

        格式与MBR硬盘的0号扇区格式相同，各个域可能有不同，大部分区域都为0，partition Record第一个分区表必须参照如下定义，其他三个都为0；

        partition Record第一个分区表定义如下，bootIndicator为0,OSType为0xEE，StartingLBA为1

GPT头（Header）

硬盘的1号扇区，存储了硬盘的结构信息，其数据结构如下

typedef struct {

  EFI_TABLE_HEADER  Header;

  EFI_LBA           MyLBA;

  EFI_LBA           AlternateLBA;

  EFI_LBA           FirstUsableLBA;

  EFI_LBA           LastUsableLBA;

  EFI_GUID          DiskGUID;

  EFI_LBA           PartitionEntryLBA;

  UINT32            NumberOfPartitionEntries;

  UINT32            SizeOfPartitionEntry;

} EFI_PARTITION_TABLE_HEADER;

Header	包括EFIPART标志，Revision，GPT头字节数，表头CRC32校验码等，一共24bytes
MyLBA	GPT头所在LBA，64bits
AlternateLBA	备份GPT头的LBA，64bits
FirstUsableLBA	可用于分区的第一个LBA，64bits，下图读到为0x22-》34
LastUsableLBA	可用于分区的最后一个LBA，64bits
DiskGUID	硬盘GUID，16 bytes
PartitionEntryLBA	分区表所在LBA，64bits
NumberOfPartitionEntries	分区表项数目  32bits
SizeOfPartitionEntry	每个分区表项字节数 32bits

GPT分区表

         表头的PartitionEntryLBA 指明了分区表的LBA地址，如02；NumberOfPartitionEntries为0x80表明分区表项有128个；SizeOfPartitionEntry为0x80表示每个分区表项大小为128bytes。每个分区表项数据结构如下

typedef struct {

  EFI_GUID  PartitionTypeGUID;

  EFI_GUID  UniquePartitionGUID;

  EFI_LBA   StartingLBA;

  EFI_LBA   EndingLBA;

  UINT64    Attributes;

  CHAR16    PartitionName[36];

} EFI_PARTITION_ENTRY;

PartitionTypeGUID	代表PartitionType的GUID，参考Note2； 0表示不使用；16bytes
UniquePartitionGUID	分区表唯一标志；16bytes
StartingLBA	这个分区表定义的partition首扇区；64bits
EndingLBA	这个分区表定义的partition结束扇区；64bits
Attributes	参考Note3；64bits
PartitionName	以Null结尾的字符串名称

Note2

Note3