[Linux] 硬盘构造与分区

　　首先让我们从物理结构上了解一下硬盘的存储原理。

　　硬盘构造示意图：

　　1. head：磁头，磁盘盘面上的磁头，有几个磁头，就有几个盘面。从0开始编号，最大255，表示总共256个磁头。

　　2. cylinder：柱面。每个盘面上的磁道叠加起来，看起来就像一个柱体，因此被称为柱面。对于单个磁盘盘面来说，一个柱面就是一个磁道，许多的同心圆磁道构成一个盘面。从0开始编号，最大1023，表示总共1024个磁道。

　　3. sector：扇区。每个磁道上可以划分为若干段，每一段称为一个扇区，扇区是磁盘最小存储单位，一般每个扇区存储 512 个字节数据。从1开始编号，最大63，表示63个扇区。

　　扇区示意图：

　　你可以将一个硬盘想象为这么一栋圆柱体建筑，建筑有若干层，每一层正反面都是是一个圆形的田径场，这就是磁盘；每个田径场是由 N 个跑道组成，这就是磁道；每个田径场都有一个运输运动员进出场的接驳车，这就是磁头；用 N 条直径将整个田径场划分为 2N 个扇形，每条磁道都被直径划分为 2N 段，每条磁道的每一段就是扇区；每一个运动员就是一个字节，每一个扇区可以容纳 512 个运动员。

　　硬盘（圆柱体建筑）示意图：

　　单个磁盘单面（田径场）示意图：

　　了解了 head, cylinder, sector 是什么后，就可以计算出硬盘容量。

　　例如以下硬盘信息：

$ sudo fdisk /dev/mmcblk0 -l

Disk /dev/mmcblk0: 31.9 GB, 31914983424 bytes
4 heads, 16 sectors/track, 973968 cylinders, total 62333952 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00062524

        Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/mmcblk0p1            2048       43007       20480    6  FAT16
/dev/mmcblk0p2           43008    62332927    31144960   83  Linux

　　以上信息显示硬盘大小为 31914983424 bytes，约为 31.9 GB。

　　该硬盘共有 4 个磁头，973968 个柱面，16 个扇区，每个扇区可存储 512 字节。

　　硬盘容量 = 4 heads × 973968 cylinders × 16 sectors × 512 bytes = 31914983424 bytes = 30.436 GB

　　扇区大小为 512 字节，但我们实际上存储的东西最小颗粒也可能会大于 512 字节，因此在进行格式化时，我们可以选择分配单元大小，即逻辑区块 Block，例如我们指定格式化时数据最小存储单位为 1024 字节，那么一个 Block 就是 1024 字节，即 1 个Block 等于 2 个 sectors。

　　硬盘容量是如何增长的？

　　（机械）硬盘容量虽然越来越大，但基本的构造原理没有太大变化。

　　随着制造工艺技术提供，磁碟越来越薄，磁头也越来越小，这样一个硬盘储存器就可以装下越来越多的磁片，由于磁片表面密度越来越高，也就是磁道和扇区也越来越多，容量自然越来越大。

　　另外还有一种叫做多区记录技术，在此技术之前，每个磁道都是被相同直径划分，这就意味着每个磁道上的扇区是一样多的，外围的扇区明显比内围的扇区要宽，这就浪费了很多磁道长度。在多区记录技术引入后，外围的磁道就可以划分更多的扇区，从而增加容量。

　　以上就是硬盘的物理构造，硬盘只是存储介质，下面就让我们在硬盘上规划出数据的存储方案，这就是对硬盘进行分区。

　　硬盘分区概念有三种，分别是主分区（primary partition）、扩展分区（extended partition）、逻辑分区（logical partition）。

　　在物理磁盘这个意义层面上，只有主分区和扩展分区，如果所有分区容量之和小于磁盘容量，剩余的部分就是未分配空间（unallocated disk）。硬盘分区信息保存在分区表（partition table）中，对操作系统而言，未分配空间是文件系统之外的不可用区域。

　　对于硬盘而言，最多有四个分区，最少有一个分区，其中至少得包含一个主分区，至多包含一个扩展分区。

　　分区是什么？为什么要有分区？

　　分区就是将一个硬盘划分为若干连续的储存区域，分区表保存硬盘分区的索引，分区信息保存在分区表中。如果一个硬盘上只有一个分区，那么整个文件系统位于一个分区中，即整个文件系统存储在一个连续区域。如果该存储区域出现损坏，那么文件系统将受到破坏，用户可能丢失所有数据。对于文件系统而言，将系统数据和用户数据分开保存在不同分区，可以避免用户数据增长以致填满整个硬盘，从而导致系统崩溃或挂起。如果使用多个分区，也可以根据存储的文件对象不同，选择使用不同容量的最小存储单元进行分区格式化。　

　　什么是主分区和扩展分区？

　　在 Windows 平台下激活的主分区是硬盘的启动分区，一般是 C 盘，也是硬盘的第一个分区。在 Linux 平台主分区和扩展分区都可以用以安装操作系统核心。

　　主分区属于原子分区，不能再将其划分不同区域来使用，数据直接保存在主分区的存储单元上。扩展分区不能直接用于储存数据，必须将扩展分区划分为更小的存储单元，即逻辑分区，数据都是保存在逻辑分区中。

　　主分区和逻辑分区好比是文件，而扩展分区好比是目录，硬盘空间主要由主分区、扩展分区（由逻辑分区组成）、未分配空间组成。

　　一般来说，先分出主分区，剩下的就都划为扩展分区，没有必要的话，一般不留未分配空间以免浪费硬盘空间。

　　总的说来，一个硬盘只能划分为四个分区（主分区和扩展分区），一个主分区就是一个分区，一个扩展分区可以划分为任意数量的逻辑分区。

　　什么是主引导扇区？

　　主引导扇区是位于磁盘最前面一段保存引导（loader）代码的区域，该代码也被称为主引导记录（MBR，Main Boot Record），这段代码的作用在于让磁盘操作系统（DOS）对磁盘进行读写时分区合法性判断、分区引导信息定位，它也是由磁盘操作系统（DOS）在对磁盘进行初始化的时候产生。

　　该磁盘区域不属于主分区和扩展分区，因此主引导程序更不属于硬盘上安装的任何操作系统。它作为磁盘上一个非常小的特殊区域独立存在，不会被分区空间内的格式化命令所擦除。该磁盘区域主要可以分为三个部分：

　　1. 主引导程序（即主引导记录 MBR），空间大小为 446 个字节。它会在硬盘启动后，将系统控制权转交给在分区表中登记的操作系统，让操作系统可以操作磁盘。

　　2. 分区表（DPT，Disk Partition Table），由四个分区表构成（每个 16 字节，这也就是为什么硬盘至多只有四个分区）。

　　3. 结束标识（2字节），值为 AA55（十六进制）。

　　简而言之，主引导程序的作用就是在硬盘启动后，引导电脑设备进入安装在硬盘上的操作系统程序。

1. 硬盘的扇面、磁道、扇区