硬盤數據結構

(1)基本結構

1.磁道，扇區，柱面和磁頭數

磁道與柱面都是表示不同半徑的圓，在許多場合，磁道和柱面可以互換使用，我們知道，每個磁盤有兩個面，每個面都有一個磁頭，習慣用磁頭號來區分。扇區，磁道（或柱面）和磁頭數構成了硬盤結構的基本參數，幫這些 參數可以得到硬盤的容量，基計算公式為：

存儲容量=磁頭數×磁道（柱面）數×每道扇區數×每扇區字節數

2.簇

“簇”是硬盤上存儲數據進行分配的最小單位。當創建一個很小的文件時，如是一個字節，則它在磁盤上並不是只佔一個字節的空間，而是佔有整個一簇。操作系統視不同的存儲介質（如軟盤，硬盤），不同容量的硬盤，簇的大小也不一樣。簇的大小可在稱為磁盤參數塊（BPB）中獲取。簇的概念僅適用於數據區。

(2)數據結構

格式化好的硬盤，整個磁盤按所記錄數據的作用不同可分為五部分：主引導記錄（MBR:Main Boot Record），操作系統引導記錄（OBR:OS Boot Record），文件分配表（FAT:File Assign Table），根目錄（DIR:Directory）和數據區（DATA）。前5個重要信息在磁盤的外磁道上，原因是外圈周長總大於內圈周長，也即外圈存儲密度要小些，可靠性高些。其中只有主引導扇區是唯一的，其它的隨你的分區數的增加而增加。

1.主引導扇區

主引導扇區位於整個硬盤的0柱面0磁頭1扇區，包括硬盤主引導記錄MBR（Main Boot Record）和分區表DPT（Disk Partition Table）。其中主引導記錄的作用就是檢查分區表是否正確以及確定哪個分區為引導分區，並在程序結束時把該分區的啓動程序（也就是操作系統引導扇區）調入內存加以執行。至於分區表，很多人都知道，以80H或00H為開始標誌，以55AAH為結束標誌，共64字節，位於本扇區的最末端。值得一提的是，MBR是由分區程序（例如DOS 的Fdisk.exe）產生的，不同的操作系統可能這個扇區是不盡相同。如果你有這個意向也可以自己去編寫一個，只要它能完成前述的任務即可，這也是為什麼能實現多系統啓動的原因（説句題外話:正因為這個主引導記錄容易編寫，所以才出現了很多的引導區病毒）。

2.操作系統引導扇區

OBR（OS Boot Record）即操作系統引導扇區，通常位於硬盤的1柱面0磁頭1扇區（這是對於DOS來説的，對於那些以多重引導方式啓動的系統則位於相應的主分區/擴展分區的第一個扇區），是操作系統可直接訪問的第一個扇區，它也包括一個引導程序和一個被稱為BPB（BIOS Parameter Block）的本分區參數記錄表。其實每個邏輯分區都有一個OBR，其參數視分區的大小、操作系統的類別而有所不同。引導程序的主要任務是判斷本分區根目錄前兩個文件是否為操作系統的引導文件（例如MSDOS或者起源於MSDOS的Win9x/Me的IO.SYS和MSDOS.SYS）。如是，就把第一個文件讀入內存，並把控制權交予該文件。BPB參數塊記錄着本分區的起始扇區、結束扇區、文件存儲格式、硬盤介質描述符、根目錄大小、FAT個數、分配單元（Allocation Unit，以前也稱之為簇）的大小等重要參數。OBR由高級格式化程序產生（例如DOS 的Format）。

3.文件分配表

FAT(File Allocation Table)即文件分配表，是DOS/Win9x系統的文件尋址系統，為了數據安全起見，FAT一般做兩個，第二FAT為第一FAT的備份, FAT區緊接在OBR之後，其大小由本分區的大小及文件分配單元的大小決定。關於FAT的格式歷來有很多選擇，Microsoft 的DOS及Windows採用我們所熟悉的FAT12、FAT16和FAT32格式，但除此以外並非沒有其它格式的FAT，像Windows NT、OS/2、UNIX/Linux、Novell等都有自己的文件管理方式。

4.根目錄區

DIR是Directory即根目錄區的簡寫，DIR緊接在第二FAT表之後，只有FAT還不能定位文件在磁盤中的位置，FAT還必須和DIR配合才能準確定位文件的位置。文件目錄是文件組織結構的又一重要組成部分。文件目錄分為兩類：根目錄，子目錄。根目錄有一個，子目錄可以有多個。子目錄下還可以有子目錄，從而形成“樹狀”的文件目錄結構。子目錄其實是一種特殊的文件，文件系統為目錄項分配32字節。目錄項分為三類：文件，子目錄（其內容是許多目錄項），卷標（只能在根目錄），只有一個。目錄項中有文件（或子目錄，或卷標）的名字，擴展名，屬性，生成或最後修改日期，時間，開始簇號，及文件大小。定位文件位置時，操作系統根據DIR中的起始單元，結合FAT表就可以知道文件在磁盤的具體位置及大小了。在DIR區之後，才是真正意義上的數據存儲區，即DATA區。

5.數據區

DATA雖然佔據了硬盤的絕大部分空間，但沒有了前面的各部分，它對於我們來説，也只能是一些枯燥的二進制代碼，沒有任何意義。在這裏有一點要説明的是，我們通常所説的格式化程序（指高級格式化，例如DOS下的Format程序），並沒有把DATA區的數據清除，只是重寫了FAT表而已，至於分區硬盤，也只是修改了MBR和OBR，絕大部分的DATA區的數據並沒有被改變，這也是許多硬盤數據能夠得以修復的原因。但即便如此，如MBR/OBR/FAT/DIR之一被破壞的話，也足夠咱們那些所謂的DIY老鳥們忙乎半天了……需要提醒大家的是，如果你經常整理磁盤，那麼你的數據區的數據可能是連續的，這樣即使MBR/FAT/DIR全部壞了，我們也可以使用磁盤編輯軟件（比如DOS下的DiskEdit），只要找到一個文件的起始保存位置，那麼這個文件就有可能被恢復（當然了，這需要一個前提，那就是你沒有覆蓋這個文件……）。

我們平時説到的分區概念，不外乎三種:主分區、擴展分區和邏輯分區。

1.主分區

主分區是一個比較單純的分區，通常位於硬盤的最前面一塊區域中，構成邏輯C磁盤。在主分區中，不允許再建立其它邏輯磁盤。

2.擴展分區、邏輯分區

擴展分區的概念則比較複雜，也是造成分區和邏輯磁盤混淆的主要原因。由於硬盤僅僅為分區表保留了64個字節的存儲空間，而每個分區的參數佔據16個字節，故主引導扇區中總計可以存儲4個分區的數據。操作系統只允許存儲4個分區的數據，如果説邏輯磁盤就是分區，則系統最多隻允許4個邏輯磁盤。對於具體的應用， 4個邏輯磁盤往往不能滿足實際需求。為了建立更多的邏輯磁盤供操作系統使用，系統引入了擴展分區的概念。

所謂擴展分區，嚴格地講它不是一個實際意義的分區，它僅僅是一個指向下一個分區的指針，這種指針結構將形成一個單向鏈表。這樣在主引導扇區中除了主分區外，僅需要存儲一個被稱為擴展分區的分區數據，通過這個擴展分區的數據可以找到下一個分區（實際上也就是下一個邏輯磁盤）的起始位置，以此起始位置類推可以找到所有的分區。無論系統中建立多少個邏輯磁盤，在主引導扇區中通過一個擴展分區的參數就可以逐個找到每一個邏輯磁盤。

需要特別注意的是，由於主分區之後的各個分區是通過一種單向鏈表的結構來實現鏈接的，因此，若單向鏈表發生問題，將導致邏輯磁盤的丟失。

1.文件的讀取

操作系統從目錄區中讀取文件信息（包括文件名、後綴名、文件大小、修改日期和文件在數據區保存的第一個簇的簇號），我們這裏假設第一個簇號是0023。

操作系統從0023簇讀取相應的數據，然後再找到FAT的0023單元，如果內容是文件結束標誌（FF），則表示文件結束，否則內容保存數據的下一個簇的簇號，這樣重複下去直到遇到文件結束標誌。

2.文件的寫入

當我們要保存文件時，操作系統首先在DIR區中找到空區寫入文件名、大小和創建時間等相應信息，然後在Data區找到閒置空間將文件保存，並將Data區的第一個簇寫入DIR區，其餘的動作和上邊的讀取動作差不多。

3.文件的刪除

看了前面的文件的讀取和寫入，你可能沒有往下邊繼續看的信心了，不過放心，Win9x的文件刪除工作卻是很簡單的，簡單到只在目錄區做了一點小改動――將目錄區的文件的第一個字符改成了E5就表示將改文件刪除了。