在STM32上实现NTFS之2：磁盘知识基础与NTFS结构

Posted 2020-08-22

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磁盘基础知识。

我们先来看一个传统机械硬盘的拆解图，如图1.

 

 

图1 机械硬盘拆解图

 

看上面的图……不要有拆硬盘的冲动哈！从图上可以看出，磁盘整体上，分为碟片、磁头、控制器、电机和外壳。信息存储于碟片上，通过碟片高速旋转，磁头从碟片上读出一个个的磁极数据，传递到控制器，还原成标准的01数据，传递给电脑，很神奇吧！

那么我们所需要了解的，主要就在这几片碟片上。现代的存储技术，碟片上的每个小磁粒有可能达到微米级，亚微米级，深亚微米级等等，可以想象一个硬盘中的磁粒数量有多么庞大！这么庞大的数量，对应着海量的bit数据，我们想通过告诉硬盘第XXXXXXXXXX个磁粒的数据写入0，读取第YYYYYYYYYYY个磁粒，那是不现实的，所以我们需要把磁盘分成若干个部分，每个部分再分成若干个部分，再分，再分……直到我们认为我们可以很轻易的标记每一个磁粒的位置为止。这有点像是军队点名，点到一个人通常说法是“XX团XX营XX连XX排XX班XXX出列”，而不是说“XXX团的XXXXX号出列”。我们规定下列称呼：

1. 磁头

磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但是，硬盘的读、写却是两种截然不同的操作，为此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性，从而造成了硬盘设计上的局限。而MR磁头（Magnetoresistive heads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而提高了盘片密度，达到200MB/英寸2，而使用传统的磁头只能达到20MB/英寸2，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。目前，MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（Giant Magnetoresistive heads）也逐渐普及。

 

1. 磁道

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44MB的3.5英寸软盘，一面有80个磁道，而硬盘上的磁道密度则远远大于此值，通常一面有成千上万个磁道。

 

1. 扇区

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。1.44MB3.5英寸的软盘，每个磁道分为18个扇区。

 

1. 柱面

硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。

 

所谓硬盘的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512 Bytes。于是现在，通过磁头 柱面 扇区，我们可以很容易的确定一个Byte在哪里了。

在若干年前，固态硬盘SSD开始出现，从开始的无人问津到大行其道，到了现在几乎与传统机械硬盘HDD分庭抗礼的地步，于是我们又不得不说说SSD中上述名词了。

SSD中没有这些机械部分的，所以也就没有物理意义上的磁头、柱面、柱面，但是为了和HDD直接兼容，我们必须让SSD中有这些东西，于是逻辑上的定义就出现了，我们规定，SSD的磁头数恒定为255，也就是0xFF，再规定每63个扇区是一个磁道，这样CHS中就只有一个柱面数是可变的，这对传统方式寻址的系统来讲就可以使用SSD了。

不只是SSD，所有采用Flash芯片的存储设备，比如SD卡，TF卡，U盘等等都遵循这一标准，以我那个8GB的SD卡为例，如图2是WinHEX读取的SD卡信息。

 

 

图2 WinHEX得到的8GB SD卡信息

 

从图2可以看到，柱面数945，结合之前所说的固定255个磁头，每个磁头63个扇区，每个扇区512字节，我们来计算一下总的字节数：945*255*63*512=7772889600，与总计容量相差无几。但我们不放过任何一个问题：为什么不是精确相等的？因为一个Flash在制造的时候，并不能保证所有的扇区都是良好的，所以需要多生产出一些扇区，然后屏蔽掉坏的不好用的扇区，然而总要留下足够的扇区来做备胎（替代品），所以我们可以看到，嗯……多出来14735个备胎，哦不，14735个扇区，这个数量最终总会是小于一个柱面的扇区数16065。哈，Flash生产厂商够大方的是吧。

磁盘的基础问题讲完了，该讲讲NTFS的核心框架了。NTFS中一个分区的大致结构如下图3.

 

 

图3 NTFS分区的大致结构

 

之所以说是大致结构，是因为其中的MFT区可以出现在除引导区和DBR备份之外的任何一个位置。

引导区包含DBR和引导代码，一般被分配为16字节，但不一定都被使用；

MFT区是一段连续空间，Windows系统将一大块空间保留给MFT，但不会在已使用空间中注明，如果其它部分被占满了，才会向这部分区间写入文件，但当其它部分一旦有空间时，这部分的文件会被即刻移走；

MFT备份区是MFT前几个MFT项的备份，同样的位置不固定，可能出现在一个NTFS分区的任意处；

DBR备份区是引导扇区DBR的备份，在DBR里存在着一个分区的总扇区数，这个扇区数不包括DBR备份扇区，出于这个扇区的重要意义，这是可以理解的：使基于文件系统的任何操作都无法修改这个扇区，因为它甚至不存在于NTFS之内。

有关存储设备的基本知识和NTFS的基本结构到这就讲完了，下一节开始真正的NTFS实现之旅——DPT和MBR的结构与C语言实现

 

部分原文参考自：http://blog.csdn.net/fyfcauc/article/details/39576065