笔记 | 4K对齐、低级格式化、MBR引导记录?都是些啥玩意儿

一点题外话

很久以前喜欢捣鼓电脑啊外设什么的,却也没有搞出什么名堂。经常见到标题里的一些术语,却也只是一知半解。最近在复习操作系统,对以往的瞎捣鼓小有感触和总结。故写下此文。

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磁盘

初中的时候开始认识磁盘(硬盘),还是因为在教室用Ghost映像给电脑装系统,磁盘引导记录给整坏了,从家里拆了一块过去顶用(笑死)。

磁盘是一中基于磁介质的外部存储装置,我们经常叫机械硬盘,就是因为里面是用机械装置驱动、读写的(马达马达马达马哒哒哒)。


有幸(不幸)拆开过一块开不了机的可怜硬盘,只记得里面的盘片很光滑,很适合当镜子。。马达很顺滑,想拆来做遥控车(不是)。

硬盘内部,希望你没看过硬盘内部,希望你没看过

info:
关于硬盘的一些性能指标我在这篇笔记里做了记录:硬件捣鼓 | 笔记本机械硬盘选购小笔记

操作系统是如何在这么小一块硬盘上存储海量信息的?这首先涉及到的是文件系统结构,从上之下包括逻辑文件系统、文件组织模块、基本文件系统、I/O控制以及最终的设备。

从中不难看出操作系统的一些特点,即分层分工,逻辑物理分离。这是我个人的一点理解。分层分工指的就是各层各司其职,像公司上下有老总把握方向(画大饼),但无需熟悉底层细节(如何搬砖);也有产品经理把老板的大饼转化成各位工程师(码农)的需求,码农当然就可以哒哒哒操起电脑开干了。而工位上的电脑、测试机、咖啡这些就是具体的设备了。

  • 上面这样的运作大体上和文件系统的结构是非常相似的,逻辑文件系统使用的当不是直接的物理地址,而是逻辑地址,就像老板开会总是张口头部,闭口私域流量这些互联网黑话
  • 而文件组织模块则是负责将上层的逻辑块地址转换为物理地址,就像产品经理可以一边听懂老板的黑话,一边可以用人话翻译成需求清单一样。
  • 基本文件系统无情地向设备驱动程序发送通用命令,比如端茶倒水拿外卖,具体坐电梯下去还是走楼梯下去,人家不在乎。一般来说可能是你的Leader,但我Leader还是很好的。内存缓冲区也由基本文件系统管理,包括磁盘缓冲区在内。
  • I/O控制具备两套法宝,一套是专门应付设备的的设备驱动程序(码农勤劳的双手),一副是应付文件系统的I/O中断处理程序(应付Leader,时不时要打断你叫你干点什么,比如“看看这个bug?”、“看看这个需求?”...,于是被中断了你就保存好在写的代码,转去CSDN、Google、StackOverflow...)。

扯了这么多,其实还没写到最重要的内容。吐槽结束,下面讲正题吧。

磁盘逻辑结构

如你所见,一个硬盘里往往有多个盘片,每个盘片一般两面都可读写,即两个盘面。每个盘面上划了很多道道,从外到内的一圈圈同心圆环称为磁道。再像切蛋糕一样把盘面均分为很多扇形,就把原来的磁道分成更小的扇区。不同盘面上,相对中心位置来说位置相同的磁道,就是一个柱面。

虽然在几何上不同磁道的扇区不同,但其实上面存储的信息量是一致的,比如都是512B,那么靠近内侧的扇区因为面积更小,所以数据密度就更大。

而因为扇区比较小的,往往数据又很大,数据的读写在逻辑上就不是一个扇区一个扇区的读写了,而是以一个基本的单位进行。在Windows中称为,UNIX和Linux中则为,以连续的几个扇区为基本单位来组织。

基本逻辑结构基本逻辑结构

扇区和4K对齐

我们常常听说,对磁盘进行4K对齐可以提高磁盘的效率。甚至对SSD进行4K对齐可以提高SSD寿命。这个4K是上什么东东,对齐又是什么东东?

以前的磁盘扇区比较小,比如只有512B,而如今的磁盘因为发展迅速,指定了新的扇区大小,例如4KB,而为了兼容,就把4KB当成8个512B的扇区在用。如果一个分区从这8个中除了第一个512B以外的其他几个开始,就称为4K不对齐。显然,4K对齐就是要把分区挪到4KB扇区的真正起始位置。

DiskGenius官方的4K对齐检测教程DiskGenius官方的4K对齐检测教程

MBR引导

MBR, Master Boot Record, 即主引导记录。一般来说,MBR引导记录和分区表是对普通用户不可见的,不属于我们常常在“我的电脑”里看到的“卷”

info:分区、文件系统和卷
磁盘分区就是多个连续的柱面。

一个分区在初始被划分出来时是空闲的、可自由分配的,只有被安装了文件系统才称为卷 (Volume),我们才能往里放文件。我们新增分区的时候默认的名字“新加卷”就是这个意思。

文件系统最常见的就是我们硬盘分区常用的NTFS、U盘常用的FAT32或exFAT之类的FAT文件系统。这些系统主要是用来组织管理文件在磁盘上的物理实现的。

MBR一般是在磁盘上的位置是最上面、最外面的0号柱面、0号磁道、0号扇区(有些是1号扇区),这样子每次操作系统最先读取到的就是MBR里的主引导程序了。

主引导程序

主引导程序会在分区表确定活动分区,也就一般是安装有操作系统的分区,读取这个分区的第一块,也就是引导块,这样就可以在引导块中读取并真正开始进行操作系统的启动了,例如Windows系统或是Linux系统。

低级格式化

将整个磁盘重新划分柱面、磁道和扇区的一种格式化方式,通常也叫物理格式化,或者俗称“低格”。这是最彻底的数据清除方式。磁盘上的所有信息,包括原有的MBR、每个分区引导块内的信息都会被清除。因此这是一个很危险的操作。

磁盘有时候使用久了可能会有一些逻辑坏道,这些磁道上无法再读写数据了,如果实在没办法了可以尝试找回数据,备份好了,再进行低级格式化,以拯救一下变砖的硬盘或是U盘。因为低格中的重建工作会检测正常、可用的盘面、磁道和扇区,坏道将不会再使用。


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最后修改于:2022年10月13日 15:12

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