磁盘分区

阅读量:2 max 2020-07-07 16:37:16

早期磁盘第一个扇区里面含有的重要信息我们称为MBR （Master Boot Record） 格式，但是由于近年来磁盘的容量不断扩大，造成读写上的一些困扰， 甚至有些大于 2TB 以上的磁盘分区已经让某些操作系统无法存取。因此后来又多了一个新的磁盘分区格式，称为 GPT （GUID partition table）

MSDOS （MBR） 分区表格式与限制

早期的 Linux 系统为了相容于 Windows 的磁盘，因此使用的是支持 Windows 的 MBR（Master Boot Record, 主要开机纪录区） 的方式来处理开机管理程序与分区表.

MSDOS第一个扇区 512Bytes 会有这两个数据：

• 主要开机记录区（Master Boot Record, MBR）：可以安装开机管理程序的地方，有446 Bytes
• 分区表（partition table）：记录整颗硬盘分区的状态，有64 Bytes

由于分区表就只有64 Bytes而已，最多只能容纳四笔分区的记录， 这四个分区的记录被称为主要（Primary）或延伸（Extended）分区。

优点：

1. 数据的安全性： 因为每个分区的数据是分开的！所以，当你需要将某个分区的数据重整时，例如你要将计算机中Windows的C 盘重新安装一次系统时， 可以将其他重要数据移动到其他分区，例如将邮件、桌面数据移动到D 盘去，那么C 盘重灌系统并不会影响到D 盘！ 所以善用分区，可以让你的数据更安全。
2. 系统的性能考虑： 由于分区将数据集中在某个柱面的区段，例如上图当中第一个分区位于柱面号码1~100号，如此一来当有数据要读取自该分区时， 磁盘只会搜寻前面1~100的柱面范围，由于数据集中了，将有助于数据读取的速度与性能。

延伸分区

上图当中，我们知道硬盘的四个分区记录区仅使用到两个，P1为主要分区，而P2则为延伸分区。请注意， 延伸分区的目的是使用额外的扇区来记录分区信息，延伸分区本身并不能被拿来格式化。 然后我们可以通过延伸分区所指向的那个区块继续作分区的记录。

MBR 主要分区、延伸分区与逻辑分区的特性作个简单的定义：

• 主要分区与延伸分区最多可以有四笔（硬盘的限制）
• 延伸分区最多只能有一个（操作系统的限制）
• 逻辑分区是由延伸分区持续切割出来的分区；
• 能够被格式化后，作为数据存取的分区为主要分区与逻辑分区。延伸分区无法格式化；
• 逻辑分区的数量依操作系统而不同，在Linux系统中SATA硬盘已经可以突破63个以上的分区限制；

限制:

由于每组分区表仅有 16Bytes 而已，因此可纪录的信息真的是相当有限的！ 所以，在过去 MBR 分区表的限制中经常可以发现如下的问题：

• 操作系统无法抓取到 2.2T 以上的磁盘容量！
• MBR 仅有一个区块，若被破坏后，经常无法或很难救援。
• MBR 内的存放开机管理程序的区块仅 446Bytes，无法容纳较多的程序码。

GPT 磁盘分区表

与 MBR 仅使用第一个 512Bytes 区块来纪录不同， GPT 使用了 34 个 LBA 区块来纪录分区信息。同时与过去 MBR 仅有一的区块，被干掉就死光光的情况不同， GPT 除了前面 34 个 LBA 之外，整个磁盘的最后 33 个 LBA 也拿来作为另一个备份。

上述图示的解释说明如下：

• LBA0 （MBR 相容区块）

  与 MBR 模式相似的，这个相容区块也分为两个部份，一个就是跟之前 446 Bytes 相似的区块，储存了第一阶段的开机管理程序！ 而在原本的分区表的纪录区内，这个相容模式仅放入一个特殊标志的分区，用来表示此磁盘为 GPT 格式之意。而不懂 GPT 分区表的磁盘管理程序， 就不会认识这颗磁盘，除非用户有特别要求要处理这颗磁盘，否则该管理软件不能修改此分区信息，进一步保护了此磁盘.

• LBA1 （GPT 表头纪录）

  这个部份纪录了分区表本身的位置与大小，同时纪录了备份用的 GPT 分区 （就是前面谈到的在最后 34 个 LBA 区块） 放置的位置， 同时放置了分区表的检验机制码 （CRC32），操作系统可以根据这个检验码来判断 GPT 是否正确。若有错误，还可以通过这个纪录区来取得备份的 GPT（磁盘最后的那个备份区块） 来恢复 GPT 的正常运.！

• LBA2-33 （实际纪录分区信息处）

  从 LBA2 区块开始，每个 LBA 都可以纪录 4 笔分区纪录，所以在默认的情况下，总共可以有 432 = 128 笔分区纪录喔！因为每个 LBA 有 512Bytes，因此每笔纪录用到 128 Bytes 的空间，除了每笔纪录所需要的识别码与相关的纪录之外，GPT 在每笔纪录中分别提供了 64bits 来记载开始/结束的扇区号码，因此，GPT 分区表对於单一分区来说， 他的最大容量限制就会在“ 264 512Bytes = 263 1KBytes = 233TB = 8 ZB ”，(1ZB = 230TB) .

限制：并不是所有的操作系统都可以读取到 GPT 的磁盘分区格式喔！同时，也不是所有的硬件都可以支持 GPT 格式。是否能够读写 GPT 格式又与开机的检测程序有关。

为解决这个问题，需要使用一个驱动——UEFI

BIOS 搭配 MBR/GPT 的开机流程

整个开机流程到操作系统之前的动作应该是这样的：

1. BIOS：开机主动执行的固件，会认识第一个可开机的设备；
2. MBR：第一个可开机设备的第一个扇区内的主要开机记录区块，内含开机管理程序；
3. 开机管理程序（boot loader）：一支可读取核心文件来执行的软件；
4. 核心文件：开始操作系统的功能…

Boot loader

Boot loader则是操作系统安装在MBR上面的一套软件。由于MBR仅有446 Bytes而已，因此这个开机管理程序是非常小而美的。 这个boot loader的主要任务有下面这些项目：

• 提供菜单：使用者可以选择不同的开机项目，这也是多重开机的重要功能！
• 载入核心文件：直接指向可开机的程序区段来开始操作系统；
• 转交其他loader：将开机管理功能转交给其他loader负责。

开机管理程序除了可以安装在MBR之外， 还可以安装在每个分区的开机扇区（boot sector）,这个特色才能造就“多重开机”的功能.

举一个例子来说，假设你的个人计算机只有一个硬盘，里面切成四个分区，其中第一、二分区分别安装了Windows及Linux， 你要如何在开机的时候选择用Windows还是Linux开机呢？假设MBR内安装的是可同时认识Windows/Linux操作系统的开机管理程序， 那么整个流程可以图示如下：

MBR的开机管理程序提供两个菜单，菜单一（M1）可以直接载入Windows的核心文件来开机； 菜单二（M2）则是将开机管理工作交给第二个分区的开机扇区（boot sector）。当使用者在开机的时候选择菜单二时， 那么整个开机管理工作就会交给第二分区的开机管理程序了。 当第二个开机管理程序启动后，该开机管理程序内（上图中）仅有一个开机菜单，因此就能够使用Linux的核心文件来开机啰。 这就是多重开机的工作情况.

UEFI BIOS 搭配 GPT 开机的流程

GPT 可以提供到 64bit 的寻址,BIOS 仅为 16 位的程序,两者不相容, 为了解决这个问题，因此就有了 UEFI （Unified Extensible Firmware Interface） 这个统一可延伸固件界面的产生。

与传统的 BIOS 不同，UEFI 简直就像是一个低阶的操作系统～甚至于连主板上面的硬件资源的管理， 也跟操作系统相当类似，只需要载入驱动程序即可控制操作。同时由于程控得宜，一般来说，使用 UEFI 接口的主机，在开机的速度上要比 BIOS 来的快上许多。

限制：

• UEFI 当初在发展的时候，就制定一些控制在里头，包括硬件资源的管理使用轮询 （polling） 的方式来管理，与 BIOS 直接了解 CPU 以中断的方式来管理比较， 这种 polling 的效率是稍微慢一些的，另外，UEFI 并不能提供完整的高速缓存功能，因此执行效率也没有办法提升。
• 由于过去 cracker 经常借由 BIOS 开机阶段来破坏系统，并取得系统的控制权，因此 UEFI 加入了一个所谓的安全启动 （secure boot） 机制， 这个机制代表着即将开机的操作系统必须要被 UEFI 所验证，否则就无法顺利开机。微软用了很多这样的机制来管理硬件。 不过加入这个机制后，许多的操作系统，包括 Linux ，就很有可能无法顺利开机。

作用：

     UEFI 大多用来作为启动操作系统之前的硬件检测、开机管理、软件设置等目的，基本上是比较难的。 同时，当载入操作系统后，一般来说，UEFI 就会停止工作，并将系统交给操作系统，这与早期的 BIOS 差异不大。比较特别的是，某些特定的环境下， 这些 UEFI 程序是可以部份继续执行的，以协助某些操作系统无法找到特定设备时，该设备还是可以持续运行。