Linux 中的硬件名称与磁盘特性

硬件设备在Linux系统上角色

在Linux系统中，每个设备都被当成一个文件来对待。

1. SATA接口的硬盘的文件名称即为/dev/sd[a-d]，其中，括号内的字母为a-d当中的任意一个，即有/dev/sda, /dev/sdb, /dev/sdc，及/dev/sdd这四个文件夹的意思。
2. 在Linux这个系统当中，几乎所有的硬件设备文件都在/dev这个目录内，所以会看到/dev/sda, /dev/sr0等文件名。

常见的硬件文件名

设备	设备在Linux内的文件名
SCSI/SATA/USB硬盘机	/dev/sd[a-p]
USB闪存盘	/dev/sd[a-p] （与SATA相同）
VirtI/O界面	/dev/vd[a-p] （用于虚拟机内）
软盘机	/dev/fd[0-7]
打印机	/dev/lp[0-2] （25针打印机） /dev/usb/lp[0-15] （USB 接口）
鼠标	/dev/input/mouse[0-15] （通用） /dev/psaux （PS/2界面）/dev/mouse （当前鼠标）
CDROM/DVDROM	/dev/scd[0-1] （通用） /dev/sr[0-1] （通用，CentOS 较常见）/dev/cdrom （当前 CDROM）
磁带机	/dev/ht0 （IDE 界面） /dev/st0 （SATA/SCSI界面） /dev/tape（当前磁带）
IDE硬盘机	/dev/hd[a-d] （旧式系统才有）

磁盘分区

盘片上面又可细分出扇区（Sector）与磁道（Track）两种单位，其中扇区的物理量设计有两种大小，分别是 512Bytes 与 4KBytes。假设磁盘只有一个盘片，那么盘片有点像下面这样：

磁盘的第一个扇区特别的重要，因为他记录了整颗磁盘的重要信息！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 主引导记录）。

MSDOS（MBR）

MSDOS （MBR）分区表格式

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！而开机管理程序纪录区与分区表则通通放在磁盘的第一个扇区，这个扇区通常是 512Bytes 的大小（旧的磁盘扇区都是 512Bytes 喔！），所以说，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446Bytes
• 分区表（partition table）：记录整颗硬盘分区的状态，有64 Bytes由于分区表所在区块仅有64 Bytes容量，因此最多仅能有四组记录区
  最后2Bytes“55，AA”是分区的结束标志。这个整体构成了硬盘的主引导扇区。

分区表）中，这四个分区的记录被称为主要（Primary）或延伸（Extended）分区。

分区表由4项组成，每项16个字节（Byte).共4×16 = 64字节(Byte)。每项描述一个分区的基本信息。(80) (01 01 00) (07) (FE FF FF) (3F 00 00 00) (82 C1 3B 3A)

存贮字节位	内容及含义
第1字节 引导标志。若值为80H表示活动分区，若值为00H表示非活动分区。
第2、3、4字节	本分区的起始磁头号、扇区号、柱面号。其中： 磁头号——第2字节； 扇区号——第3字节的低6位； 柱面号——为第3字节高2位+第4字节8位。
第5字节	分区类型符。 00H——表示该分区未用（即没有指定）； 06H——FAT16基本分区； 0BH——FAT32基本分区； 05H——扩展分区； 07H——NTFS分区； 0FH——（LBA模式）扩展分区（83H为Linux分区等）。
第6、7、8字节	本分区的结束磁头号、扇区号、柱面号。其中： 磁头号——第6字节； 扇区号——第7字节的低6位； 柱面号——第7字节的高2位+第8字节。
第9、10、11、12字节	逻辑起始扇区号 ，本分区之前已用了的扇区数。
第13、14、15、16字节	本分区的总扇区数。

案例解释
(80) (01 01 00) (07) (FE FF FF) (3F 00 00 00) (82 C1 3B 3A)
（80）: 代表这个分区（C盘）为活动分区（其他为扩展分区）。即系统会从C盘启动。
（01 01 00） :表示这个分区（C盘）的起始扇区为（0柱面，1磁头，1扇区）。
（07）:表示这个分区的文件系统为NTFS。
（FE FF FF）:磁头号:254; 扇区号:(11 1111)2=(63)10; 柱面号：(11 1111 1111)2=(1023)10
故该分区(C盘)结束扇区为（1023柱面，254磁头，63扇区）。
（3F 00 00 00） : 反向，（00 00 00 3F） 16 = (63) 10，为该分区(C盘)起始逻辑扇区号与逻辑0扇区号之差。表示该分区（C盘）前面已有63个扇区，这63个扇区为系统隐藏扇区。
（82 C1 3B 3A） : 反向，(3A 3B C1 82)16=(976994690)10。表明该分区(C盘)有976994690个扇区。即（0柱面，1磁头，1扇区）至（1023柱面，254磁头，63扇区）共有976994690个扇区。
1个扇区512字节，所以该分区(C盘)大小为976994690/2/1024/1024=465G

通常磁盘可能有多个盘片，所有盘片的同一个磁道我们称为柱面（Cylinder），通常那是文件系统的最小单位，也就是分区的最小单位。

MSDOS （MBR）分区表在Linux系统中分区编号

若将硬盘以长条形来看，然后将柱面以直条图来看，那么那64Bytes的记录区段有点像下面的图示：

假设上面的硬盘设备文件名为/dev/sda时，那么这四个分区在Linux系统中的设备文件名如下所示，重点在于文件名后面会再接一个数字，这个数字与该分区所在的位置有关.
P1:/dev/sda1
P2:/dev/sda2
P3:/dev/sda3
P4:/dev/sda4

既然分区表只有记录四组数据的空间，那么是否代表我一颗硬盘最多只能分区出四个分区？当然不是啦！有经验的朋友都知道，你可以将一颗硬盘分区成十个以上的分区的！那又是如何达到的呢？在Windows/Linux系统中，我们是通过刚刚谈到的延伸分区（Extended）的方式来处理。延伸分区的想法是：既然第一个扇区所在的分区表只能记录四笔数据，那我可否利用额外的扇区来记录更多的分区信息？实际上图示有点像下面这样：

实际上延伸分区并不是只占一个区块，而是会分佈在每个分区的最前面几个扇区来记载分区信息的！
在上图当中，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。如上图右下方那个区块有继续分区出五个分区，这五个由延伸分区继续切出来的分区，就被称为逻辑分区（logical partition）。
同时注意一下，由于逻辑分区是由延伸分区继续分区出来的，所以他可以使用的柱面范围就是延伸分区所设置的范围。也就是图中的101~400。同样的，上述的分区在Linux系统中的设备文件名分别如下：
P1:/dev/sda1
P2:/dev/sda2
L1:/dev/sda5
L2:/dev/sda6
L3:/dev/sda7
L4:/dev/sda8
L5:/dev/sda9

仔细看看，怎么设备文件名没有/dev/sda3与/dev/sda4呢？因为前面四个号码都是保留给Primary或Extended用的。所以逻辑分区的设备名称号码就由5号开始了！这在 MBR 方式的分区表中是个很重要的特性。

MBR 主要分区、延伸分区与逻辑分区的特性我们作个简单的定义啰：

• 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

MSDOS （MBR）分区表的限制

MBR 分区表除了上述的主分区、延伸分区、逻辑分区需要注意之外，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！(第13、14、15、16字节，4字节记录扇区最大容量)
• 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（partition table）

GPT使用了34个LBA 区块来纪录分区信息！同时与过去MBR仅有一个区块不同，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！详细的结构有点像下面的模样。

• 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。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 的正常运行！
• 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 4*32 = 128 笔分区纪录喔！因为每个 LBA 有 512Bytes，因此每笔纪录用到 128Bytes 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。
  并不是所有的操作系统都可以读取到 GPT 的磁盘分区格式。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！那开机的检测程序又分成啥鬼东西呢？就是 BIOS 与 UEFI 。

开机流程中的 BIOS 与 UEFI 开机检测程序

BIOS 搭配 MBR/GPT 的开机流程

简单的说，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...

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：

1. 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！
2. 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；
3. 转交其他loader：将开机管理功能转交给其他loader负责。

多重开机

boot loader任务第三点比较有趣，表示你的计算机系统里面可能具有两个以上的开机管理程序。我们的硬盘不是只有一个MBR而已？但是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”的功能啊！

在上图中我们可以发现，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啦！我们将上图作个总结：

1. 每个分区都拥有自己的开机扇区（boot sector）
2. 图中的系统盘为第一及第二分区
3. 实际可开机的核心文件是放置到各分区内的！
4. loader只会认识自己的系统盘内的可开机核心文件，以及其他loader而已；
5. loader可直接指向或者是间接将管理权转交给另一个管理程序

UEFI BIOS 搭配 GPT 开机的流程

GPT 可以提供到 64bit 的寻址，也能够使用较大的区块来处理开机管理程序。但是 BIOS 其实不懂 GPT ，还得要通过 GPT 提供相容模式才能够读写这个磁盘设备，而且 BIOS 仅为 16 位的程序，在与现阶段新的操作系统接轨方面有点弱。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。
UEFI 主要是想要取代 BIOS 这个固件界面，因此我们也称 UEFI 为 UEFI BIOS 就是了。UEFI 使用 C 程序语言，比起使用组合语言的传统 BIOS 要更容易开发！也因为使用 C 语言来撰写，因此如果开发者够厉害，甚至可以在 UEFI 开机阶段就让该系统了解 TCP/IP 而直接上网！根本不需要进入操作系统。
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！所以，某些时刻，你可能得要将 UEFI 的 secure boot 功能关闭，才能够顺利的进入 Linux ！
与 BIOS 模式相比，虽然 UEFI 可以直接取得 GPT 的分区表，不过最好依旧拥有BIOS boot 的分区支持，同时，为了与 windows 相容，并且提供其他第三方厂商所使用的UEFI 应用程序储存的空间，你必须要格式化一个 vfat 的文件系统，大约提供 512MB 到 1G左右的容量，以让其他 UEFI 执行较为方便。

Linux目录结构与挂载

目录树结构（directory tree）

我们前面有谈过Linux内的所有数据都是以文件的形态来呈现的，整个Linux系统最重要的地方就是在于目录树架构。所谓的目录树架构（directory tree）就是以根目录为主，然后向下呈现分支状的目录结构的一种文件架构。所以，整个目录树架构最重要的就是那个根目录（root directory），这个根目录的表示方法为一条斜线“/”，所有的文件都与目录树有关。目录树的呈现方式如下图所示：

如上图所示，所有的文件都是由根目录（/）衍生来的，而次目录之下还能够有其他的数据存在。上图中长方形为目录，波浪形则为文件。那当我们想要取得mydata那个文件时，系统就得由根目录开始找，然后找到home接下来找到dmtsai，最终的文件名为：/home/dmtsai/mydata的意思。
整个Linux系统使用的是目录树架构，但是我们的文件数据其实是放置在磁盘分区当中的，现在的问题是“如何结合目录树的架构与磁盘内的数据”呢？这个时候就牵扯到“挂载（mount）”的问题！

文件系统与目录树的关系（挂载）

所谓的“挂载”就是利用一个目录当成进入点，将磁盘分区的数据放置在该目录下；也就是说，进入该目录就可以读取该分区的意思。这个动作我们称为“挂载”，那个进入点的目录我们称为“挂载点”。由于整个Linux系统最重要的是根目录，因此根目录一定需要挂载到某个分区的。至于其他的目录则可依使用者自己的需求来给予挂载到不同的分区。我们以下图来作为一个说明：

上图中假设我的硬盘分为两个分区，partition 1是挂载到根目录，至于partition 2则是挂载到/home这个目录。这也就是说，当我的数据放置在/home内的各次目录时，数据是放置到partition 2的，如果不是放在/home下面的目录，那么数据就会被放置到partition 1。

Linux各个目录含义

- swap类似于windows的虚拟内存文件

- / 根目录，根目录下最好只有目录，文件放在目录下，不要放在根目录中。

- /boot 包括操作系统的内核和启动过程需要用的文件

- /root 超级管理员的家目录

- /home 家目录，用来存放用户文件

- /etc 大部分的配置文件默认都放在这里

- /dev linux系统中，所有的硬件都以文件的形式放在这个目录中

- /lost+found 突然停电或者非正常关机，存放临时文件

- /sbin 管理员才能运行的一些程序

- /opt 存储第三方软件的目录

- /proc 存储进程相关的信息，用于方便的访问进程信息，伪文件系统，所有的内容都存储在内存中

- /mnt 一般我们将手动挂载的分区放在这里（例如新加一款硬盘，可以挂载在这里）

- /media 系统自动挂载的分区放在这里

- /lib 用于存放库文件

- /usr

- /usr/lib 同/lib

- /usr/sbin 同/sbin

- /usr/local/bin 系统实用程序

- /usr/local/sbin 同/sbin

- /usr/local/lib 同/lib

思考

如果你的PC上面有两个SATA磁盘以及一个USB磁盘，而主板上面有六个SATA的插槽。这两个SATA磁盘分别安插在主板上的SATA1, SATA5插槽上， 请问这三个磁盘在Linux中的设备文件名为何？

答：由于是使用侦测到的顺序来决定设备文件名，并非与实际插槽代号有关，因此设备的文件名如下：

1. SATA1插槽上的文件名：/dev/sda
2. SATA5插槽上的文件名：/dev/sdb
3. USB磁盘（开机完成后才被系统捉到）：/dev/sdc

由于第一个扇区所记录的分区表与MBR是这么的重要，几乎只要读取硬盘都会先由这个扇区先读起。因此，如果整颗硬盘的第一个扇区（就是MBR与partition table所在的扇区）物理实体坏掉了，那这个硬盘大概就没有用了！

为什么人家常常说：“如果要安装多重开机，最好先安装Windows再安装Linux”呢？
这是因为：Linux在安装的时候，你可以选择将开机管理程序安装在MBR或各别分区的开机扇区，而且Linux的loader可以手动设置菜单（就是 多重开机示意图 的M1, M2...），所以你可以在Linux的bootloader里面加入Windows开机的选项；Windows在安装的时候，他的安装程序会主动的覆盖掉MBR以及自己所在分区的开机扇区，你没有选择的机会，而且他没有让我们自己选择菜单的功能。因此，如果先安装Linux再安装Windows的话，那MBR的开机管理程序就只会有Windows的项目，而不会有Linux的项目（因为原本在MBR内的Linux的开机管理程序就会被覆盖掉）。那需要重新安装Linux一次吗？当然不需要，你只要用尽各种方法来处理MBR的内容即可。例如利用Linux的救援模式来挽救MBR。