第2章 数据存储结构

2.1 数据存储结构概述

2.1.1 主引导记录

2.1.1.1主引导记录的作用

整个磁盘的第1个扇区，即C/H/S地址的0柱面0磁头1扇区，是一个特殊而重要的扇区，叫作MBR（Master Boot Record）扇区，即主引导记录。此扇区在计算机引导过程中起着重要作用，计算机在按下电源键以后，开始执行主板BIOS程序，进行完一系列检测和配置后，开始按BIOS中设定的系统引导顺序引导系统。

假如选择从磁盘启动，则BIOS启动代码将会按照约定从磁盘的第1个物理扇区读取MBR，并将其放入内存的指定位置，然后MBR中的引导程序开始执行，并接管计算机的控制权。MBR中的引导程序能够从分区表中找到第1个活动分区，然后读取并执行这个活动分区中的分区引导记录（DBR）。DBR根据文件系统的描述，找到操作系统的引导文件，并将其放入内存的指定位置。然后，操作系统开始执行，并接管计算机的控制权。操作系统接管计算机也就标志着计算机启动过程的完成。

从系统引导过程可以看出，MBR处在一个承上启下的关键位置，它也是磁盘参与计算机系统运作的第1个环节，其重要性不言而喻。

2.1.1.2主引导记录的结构

MBR不随操作系统的变化而变化，即不同的操作系统存在相同的MBR，即使不同，MBR也不会夹带操作系统的性质，具有公共引导性。

MBR的逻辑结构如图2-1所示。

MBR由3个部分组成：包括引导代码（446字节，偏移0～1BDH）、磁盘分区表DPT（64字节，偏移1BEH～1FDH）和结束标志（55 AA，偏移1FEH～1FFH）。

1.引导代码

不同的分区程序（或者版本不同的分区程序）所创建的引导代码可能会不同，但是其基本功能是一样的。因为如果它违背了计算机启动过程中所约定的规则，就会导致计算机系统无法正常启动。此外，用户还可以在保留其基本功能的基础上，为引导程序附加一些其他功能，例如加密、启动口令、多系统引导等。

引导代码可分为引导程序、错误信息数据区和全零字节3部分。

“引导程序”的作用是在分区表中查找活动分区标志“80”，同时，它也会判断非活动分区的标志是否为“00”，如果既不是“80”也不是“00”，则会认为是错误状态，并将“错误信息数据区”的错误信息打印到显示器上。当所有分区检查完毕，并且找到了活动分区，“引导程序”就会把该活动分区上的“分区引导记录（DBR）”读入内存并执行DBR中的引导程序，然后将计算机的控制权交给DBR的引导程序。

2.磁盘分区表

在MBR的3个部分中，与数据恢复关系最为密切的部分就是“磁盘分区表”，这部分总共占据64字节的空间，刚好能够存放4条“分区记录项”。

“分区记录项”是固定格式组织的数据串，长度为16字节，每条“分区表记录项”所包含的意义不同。

3.结束标志

MBR的最后两个字节是MBR的结束标志位，它的值应该固定为“55 AA”，如果该标志出现错误，系统也将无法正常启动。

使用MBR，用户可以将磁盘最多划分为4个分区，这些分区称为“主分区”。“分区操作”在磁盘上建立的“数据组织结构”，如图2-2所示。

2.1.2 磁盘分区

2.1.2.1卷和分区的概念

“卷”是操作系统或应用程序用来存储数据的、可寻址的扇区的集合。卷的使用有两种情况：一种是将多个存储区域合并成一个存储卷，另一种是将一个存储区域划分成若干个独立分区。

用户可以将不同磁盘上的不同区域组合成一个跨区卷，从而使几个不同的区域看起来像一个整体区域一样；也可以把一个物理磁盘看作是一个物理卷，可以分成几个小的卷进行使用。

“分区”是指在磁盘上人为划分出来的逻辑区域。每一个分区都有一个确定的起止位置，在起止位置之间的那些连续的扇区都属于该分区所有，不同的分区的起止位置互补交错。

在很多情况下需要按照用户的需求，将整个磁盘空间划分为一个或多个逻辑区域，也就是所谓的“分区”，每个分区由基本磁盘上的连续扇区组成。然而，只有“创建分区”的程序才知道这些“逻辑区域”具体是怎么划分的，为了能让操作系统和其他用户程序能够识别这些分区，“创建分区”的程序还会把有关分区的全部信息（包括分区起始位置、分区大小、分区类型等）都记录在磁盘的第1 个扇区即主引导扇区（MBR）上的磁盘分区表。

2.1.2.2磁盘分区表分析

在MBR的“分区记录项”中总共包含有4条“分区表记录项”，其意义如表2-1所示。

说明：

（1）当自举标志字节为“80H”时，说明该分区是活动分区；为“00H”时，说明是非活动分区；“80H”和“00H”以外的值是错误的标志。

（2）读取起始和结束位置的CHS参数。

H参数的值=H字节的值；

C参数的值=（（S字节的高2位）<< 8）的值 + C字节的值；

S参数的值=（S字节的低6位）的值。

（3）分区类型标志是用来描述该条分区记录项所对应的分区是何种类型，如FAT32、NTFS等。

常见的一些分区类型及其代码值如表2-2所示。

2.1.2.3 EBR分析

1.MBR的扩展

通过前面对MBR的分析可知，MBR中“磁盘分区表”的大小是固定的，占64字节，“分区记录”的格式也是固定的，占16字节，因此通过MBR定义最多只能描述4个分区。

然而，对于日益增大的磁盘，仅仅划分4 个分区是远远不够的，这就需要对分区表进行扩展。微软为了解决这个问题，采用了一种称为“虚拟MBR”的技术。具体操作过程如下。

首先，定义了一种新型的分区结构——“扩展分区”，这样在使用主MBR定义分区的时候，能够由一条“分区记录”来指向该“扩展分区”。

但在这个被定义为“扩展分区”的区域内，通过不断创建“虚拟MBR”，也叫作EBR，来创建任意数量的“逻辑分区”，直到全部“扩展分区”区域被用完。

2.EBR的结构

从EBR结构框图（见图2-3）中可以看出，EBR和MBR一样，也是占用一个扇区（512字节）的存储空间。它们的结构划分也是一样的，所不同的内容如下。

首先，EBR没有引导代码。

其次，分区表中只有两条分区记录项。其中，第1条分区记录项指向本逻辑分区的起始位置，第2条分区记录项则指向下一个EBR的起始位置。如果一个EBR是扩展分区中的最后一个EBR，该EBR的分区表中只包含一条分区记录项，这条分区记录项是指向本分区的。

通过这样的方式，“扩展分区”中的所有EBR，通过这两条“分区记录项”形成一个“分区链”。只要找到第1个EBR，就可以通过这个“分区链”找到所有的逻辑分区。而第1个EBR是由主MBR的分区表项所指向的。

自此，“分区”操作把磁盘上的全部空间按照如图2-4所示的这个“逻辑框图”所描述的结构，在MBR和EBR共同作用下，将所有的“分区”在逻辑上有效地组织起来，形成了一个完整的“分区链”。