一、磁盤(pán)結(jié)構(gòu)

機(jī)械硬盤(pán)主要由磁盤(pán)盤(pán)片、磁頭、主軸與傳動(dòng)軸等組成，數(shù)據(jù)存放在具有磁性物質(zhì)的磁盤(pán)盤(pán)片中。
實(shí)際運(yùn)行時(shí)，主軸馬達(dá)讓碟片轉(zhuǎn)動(dòng)，然后磁頭臂讓磁頭在碟片上面進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

讀取數(shù)據(jù)時(shí)以磁頭轉(zhuǎn)圈的方式進(jìn)行，在磁片同心圓中切出一個(gè)一個(gè)的小區(qū)塊，這些小區(qū)塊就是磁盤(pán)的最小物理存儲(chǔ)單位，成為扇區(qū)（sector），同一個(gè)同心圓的扇區(qū)組合成的圓就是磁道（track）。由于磁盤(pán)里可能會(huì)有多個(gè)碟片，因此在所有碟片上面的同一個(gè)磁道可以組成 柱面（cylinder）。

外圈的圓比較大，為了合理利用這些空間，磁盤(pán)外圈圓會(huì)比內(nèi)圈有更多的扇區(qū)。所以，當(dāng)?shù)D(zhuǎn)一圈時(shí)，外圈的扇區(qū)數(shù)量比較多，因此如果數(shù)據(jù)寫(xiě)入在外圈，轉(zhuǎn)一圈能夠讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)量比內(nèi)圈多。因此數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)會(huì)由外圈開(kāi)始向內(nèi)寫(xiě)，這是默認(rèn)的方式。

原本硬盤(pán)的扇區(qū)都是設(shè)計(jì)成512B的大小，但隨著硬盤(pán)容量的增大，為了減少數(shù)據(jù)量的拆解，目前絕大多數(shù)的高容量硬盤(pán)使用了4K大小的扇區(qū)設(shè)計(jì)。

為什么要分區(qū)？

• 1.數(shù)據(jù)的安全性
  每個(gè)分區(qū)的數(shù)據(jù)是分開(kāi)存儲(chǔ)的，當(dāng)要對(duì)某個(gè)分區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理時(shí)，不會(huì)影響到其它分區(qū)。例如對(duì)安裝有Windows系統(tǒng)的C盤(pán)進(jìn)行重裝時(shí)，對(duì)其它分區(qū)如D盤(pán)、E盤(pán)中的數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生影響。
• 2.系統(tǒng)的性能
  某個(gè)分區(qū)處在特定范圍的柱面范圍內(nèi)，當(dāng)要在該分區(qū)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，只需要在其柱面范圍內(nèi)檢索，由于數(shù)據(jù)較為集中，所以讀取速度和性能較高。

主要的分區(qū)格式有早期的MBR格式和新的GPT格式。

二、分區(qū)格式

1、MBR

（1）簡(jiǎn)介

MBR分區(qū)格式中柱面是文件系統(tǒng)的最小單位，也就是分區(qū)的最小單位。

第一個(gè)扇區(qū)（舊式磁盤(pán)中為512字節(jié)）中存放著啟動(dòng)引導(dǎo)程序和分區(qū)表：

• 主引導(dǎo)記錄（Master Boot Record, MBR）：可以安裝啟動(dòng)引導(dǎo)程序的地方，有446字節(jié)；
• 分區(qū)表（partition table）：記錄整塊硬盤(pán)分區(qū)的狀態(tài)，有64字節(jié)。

分區(qū)表64字節(jié)最多僅能有四組記錄區(qū)，每個(gè)記錄區(qū)16字節(jié)。

如圖中有4個(gè)主分區(qū)。

總結(jié)：

• 所謂的分區(qū)就是針對(duì)64字節(jié)的分區(qū)表進(jìn)行設(shè)置而已。
• 磁盤(pán)默認(rèn)的分區(qū)表僅能寫(xiě)入四組分區(qū)信息，每組記錄區(qū)記錄了該區(qū)段的起始與結(jié)束的柱面號(hào)碼。
• 這四個(gè)分區(qū)的記錄被稱為主要（Primary）分區(qū)或擴(kuò)展（Extended）分區(qū)。
• 當(dāng)系統(tǒng)要寫(xiě)入磁盤(pán)時(shí)，一定會(huì)參考磁盤(pán)分區(qū)表，才能針對(duì)某個(gè)分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

（2）擴(kuò)展分區(qū)和邏輯分區(qū)：

擴(kuò)展分區(qū)的目的是使用額外的扇區(qū)來(lái)記錄分區(qū)的信息，擴(kuò)展分區(qū)本身并不能被拿來(lái)格式化。

擴(kuò)展分區(qū)可以繼續(xù)劃分出邏輯分區(qū)（logical partition）。

/dev/sda[1-4] 都是留給主分區(qū)或擴(kuò)展分區(qū)用的，所以邏輯分區(qū)的設(shè)備文件名就從 sda5 開(kāi)始。

圖中分區(qū)在Linux下的文件名是：
P1:/dev/sda1
P2:/dev/sda2
L1:/dev/sda5
L2:/dev/sda6
L3:/dev/sda7
L4:/dev/sda8
L5:/dev/sda9

總結(jié)：

• 主分區(qū)和擴(kuò)展分區(qū)最多可以有4個(gè)（硬盤(pán)限制）。
• 擴(kuò)展分區(qū)最多只能有1個(gè)（操作系統(tǒng)限制）。
• 邏輯分區(qū)是由擴(kuò)展分區(qū)持續(xù)劃分出來(lái)的分區(qū)。
• 能夠被格式化后作為數(shù)據(jù)存取的分區(qū)是主分區(qū)和邏輯分區(qū)，擴(kuò)展分區(qū)無(wú)法格式化。
• 邏輯分區(qū)的數(shù)量依操作系統(tǒng)而不同，在Linux中SATA硬盤(pán)已經(jīng)可以突破63個(gè)以上的分區(qū)限制。
• 一般建議將擴(kuò)展分區(qū)的柱面號(hào)碼分配到最后的柱面內(nèi)。

MBR模式簡(jiǎn)略圖：

MBR分區(qū)表結(jié)構(gòu)：

偏移長(zhǎng)度（字節(jié)）意義

00H	1	分區(qū)狀態(tài)：00–>非活動(dòng)分區(qū)；80–>活動(dòng)分區(qū)；其它數(shù)值沒(méi)有意義
01H	1	分區(qū)起始磁頭號(hào)（HEAD），用到全部8位
02H	2	分區(qū)起始扇區(qū)號(hào)（SECTOR），占據(jù)02H的位0－5；該分區(qū)的起始磁柱號(hào)（CYLINDER），占據(jù)02H的位6－7和03H的全部8位
04H	1	文件系統(tǒng)標(biāo)志位
05H	1	分區(qū)結(jié)束磁頭號(hào)（HEAD），用到全部8位
06H	2	分區(qū)結(jié)束扇區(qū)號(hào)（SECTOR），占據(jù)06H的位0－5；該分區(qū)的結(jié)束磁柱號(hào)（CYLINDER），占據(jù)06H的位6－7和07H的全部8位
08H	4	分區(qū)起始相對(duì)扇區(qū)號(hào)
0CH	4	分區(qū)總的扇區(qū)數(shù)

（3）MBR分區(qū)大小限制的問(wèn)題：

分區(qū)表組最后4個(gè)字節(jié)表示分區(qū)中的扇區(qū)數(shù)量，有4*8=32位，最大值為 2⁰+2¹+ … +2³¹ = 2³²-1 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)大小為512字節(jié)，所以能表示的最大容量為 ：
$$(2^{32}?1)?512=2199023255040bytes=2048GB=2TB$$注意這里是用1：1024換算的，硬盤(pán)制造商使用1：1000換算，所以就會(huì)得出2.2TB的結(jié)果。

2TB是對(duì)單一分區(qū)容量的限制，如果第一個(gè)分區(qū)就占了2TB，那么其第二個(gè)分區(qū)的扇區(qū)物理地址就無(wú)法表示了，所以2TB也是對(duì)整個(gè)硬盤(pán)最大容量的限制。

詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)Wiki頁(yè)面：https://zh.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record

MBR的弊端：

• 操作系統(tǒng)無(wú)法使用2.2TB以上的磁盤(pán)容量。
• MBR僅有一個(gè)區(qū)塊，被破壞后經(jīng)常無(wú)法或很難恢復(fù)。
• MBR內(nèi)的存放啟動(dòng)引導(dǎo)程序的區(qū)塊僅446字節(jié)，無(wú)法存儲(chǔ)較多的程序代碼。

2、GPT

（1）簡(jiǎn)介

如今扇區(qū)大小不僅有512字節(jié)的，還有4K大小的。為了兼容所有的磁盤(pán)，使用邏輯區(qū)塊地址（Logical Block Address，LBA）來(lái)處理扇區(qū)。GPT將硬盤(pán)所有區(qū)塊以LBA（默認(rèn)512字節(jié)）來(lái)規(guī)劃，第一個(gè)LBA稱為L(zhǎng)BA0。

與MBR僅使用第一個(gè)512字節(jié)來(lái)記錄不同，GPT使用了34個(gè)LBA來(lái)記錄分區(qū)信息。相比于MBR中只有一個(gè)區(qū)塊記錄分區(qū)信息，GPT除了前面34個(gè)LBA記錄以外，整個(gè)磁盤(pán)的最后34個(gè)LBA也拿來(lái)做備份。

（2）LBA

• LBA0（MBR兼容模塊）
  出于兼容性考慮存儲(chǔ)了一份傳統(tǒng)MBR，用來(lái)防止不支持GPT的硬盤(pán)管理工具錯(cuò)誤識(shí)別并破壞硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)，這個(gè)MBR也叫做保護(hù)MBR。
  分為兩個(gè)部分，第一個(gè)是前面446字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)第一階段的啟動(dòng)引導(dǎo)程序。而在原本的分區(qū)表的記錄區(qū)內(nèi)，這個(gè)兼容模式僅放入了一個(gè)特殊字符來(lái)表示此磁盤(pán)為GPT格式之意。
  在使用 MBR/GPT 混合分區(qū)表的硬盤(pán)中，這部分存儲(chǔ)了GPT分區(qū)表的一部分分區(qū)（通常是前四個(gè)分區(qū)），可以使不支持從GPT啟動(dòng)的操作系統(tǒng)從這個(gè)MBR啟動(dòng)，啟動(dòng)后只能操作MBR分區(qū)表中的分區(qū)。

• LBA1（GPT表頭記錄）
  記錄了分區(qū)表本身的位置和大小，也記錄了備份用的GPT分區(qū)（最后34個(gè)LBA區(qū)塊）放置的位置。同時(shí)放置了分區(qū)表的校驗(yàn)碼（CRC32），操作系統(tǒng)可以根據(jù)這個(gè)校驗(yàn)碼來(lái)判斷GPT是否正確。若有錯(cuò)誤可以通過(guò)這個(gè)記錄區(qū)來(lái)獲取備份的GPT（磁盤(pán)最后面的備份區(qū)塊）來(lái)恢復(fù)正常。

• LBA[2-33]（實(shí)際記錄分區(qū)信息處）
  從LBA2區(qū)塊開(kāi)始，每個(gè)LBA都可以記錄4組分區(qū)記錄，所以在默認(rèn)情況下，總共有4*32=128組分區(qū)記錄。每組記錄用到128字節(jié)的空間。

起始字節(jié)長(zhǎng)度內(nèi)容

0	16字節(jié)	分區(qū)類型GUID
16	16字節(jié)	分區(qū)GUID
32	8字節(jié)	起始LBA（小端序）
40	8字節(jié)	末尾LBA
48	8字節(jié)	屬性標(biāo)簽（如：60表示“只讀”）
56	72字節(jié)	分區(qū)名（可以包括36個(gè)UTF-16（小端序）字符）

（16+16+8+8+8+72=128）

（3）GPT分區(qū)大小限制：

GPT 在每組記錄中分別提供了 8字節(jié) = 64位 來(lái)記載開(kāi)始/結(jié)束的扇區(qū)號(hào)碼。因此，理論上對(duì)于單一分區(qū)槽來(lái)說(shuō)， 它的最大容量限制為 2⁶⁴ * 512bytes = 2⁶³ Kbytes = 2³³TB = 8 ZB 。但是受操作系統(tǒng)限制，一般一個(gè)分區(qū)最大限制為 18EB。

GPT 分區(qū)沒(méi)有所謂的主、擴(kuò)展、邏輯分區(qū)的概念，每個(gè)都可以視為是主分區(qū)，每一個(gè)分區(qū)都可以格式化。

GPT 分區(qū)默認(rèn)可以提供多達(dá)128 組紀(jì)錄，而在Linux 本身的內(nèi)核設(shè)備記錄中，針對(duì)單一磁盤(pán)來(lái)說(shuō)，雖然過(guò)去最多只能到達(dá)15 個(gè)分區(qū)，不過(guò)由于Linux 內(nèi)核通過(guò)udev 等方式的處理，現(xiàn)在Linux 也已經(jīng)沒(méi)有這個(gè)限制了。

參考鏈接：1.https://en.wikipedia.org/wiki/GUID_Partition_Table
2.https://docs.microsoft.com/en-us/troubleshoot/windows-server/backup-and-storage/guid-partitioning-table-disk-faq

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的磁盘分区MBR和GPT格式详解（Linux）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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