9-3 磁盘存储与分区

磁盘存储与分区

设备文件

一切皆文件：open(), read(), write(), close()
设备类型：

• 块设备：block，存取单位“块”，磁盘
• 字符设备：char，存取单位“字符”，键盘

设备文件：关联至一个设备驱动程序，进而能够跟与之对应硬件设备进行通信
设备号码：

• 主设备号：major number, 标识设备类型
• 次设备号：minor number, 标识同一类型下的不同设备

磁盘设备的设备文件命名：/dev/DEV_FILE
SCSI, SATA, SAS, IDE,USB: /dev/sd
虚拟磁盘：/dev/vd 、/dev/xvd
不同磁盘标识：a-z,aa,ab…

• /dev/sda, /dev/sdb, ...

同一设备上的不同分区：1,2, ...

• /dev/sda1, /dev/sda5
  硬盘存储术语
• head：磁头
• track：磁道
• sector：扇区，512bytes
• cylinder：柱面

并行：

• IDE：133MB/s
• SCSI：640MB/s

串口：

• SATA：6Gbps
• SAS：6Gbps
• USB：480MB/s

机械硬盘和固态硬盘

机械硬盘（HDD）：Hard Disk Drive，即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。机械硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。数据通过磁头由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，也可以通过相反方式读取。硬盘为精密设备，进入硬盘的空气必须过滤

固态硬盘（SSD）：Solid State Drive，用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致

• 相较于HDD，SSD在防震抗摔、传输速率、功耗、重量、噪音上有明显优势，SSD传输速率性能是HDD的2倍
• 相较于SSD，HDD在价格、容量占有绝对优势
• 硬盘有价，数据无价，目前SSD不能完全取代HHD

CHS和LBA

CHS

• 采用24bit位寻址
• 其中前10位表示cylinder，中间8位表示head，后面6位表示sector
• 最大寻址空间8GB

LBA（logical block addressing）

• LBA是一个整数，通过转换成CHS格式完成磁盘具体寻址
• ATA-1规范中定义了28位寻址模式，以每扇区512位组来计算，ATA-1所定义的28位LBA上限达到128 GiB。2002年ATA-6规范采用48位LBA，同样以每扇区512位组计算容量上限可达128 Petabytes

由于CHS寻址方式的寻址空间在大概8GB以内，所以在磁盘容量小于大概8GB时，可以使用CHS寻址方式或是LBA寻址方式；在磁盘容量大于大概8GB时，则只能使用LBA寻址方式

分区

使用分区空间：

• 设备识别
• 设备分区
• 创建文件系统
• 标记文件系统
• 在/etc/fstab文件中创建条目
• 挂载新的文件系统

分区的原因：

• 优化I/O性能
• 实现磁盘空间配额限制
• 提高修复速度
• 隔离系统和程序
• 安装多个OS
• 采用不同文件系统

分区方式：

• 两种分区方式：MBR，GPT
• MBR：Master Boot Record，1982年，使用32位表示扇区数，分区不超过2T
• 如何分区：按柱面
• 0磁道0扇区：512bytes
  • 446bytes: boot loader
  • 64bytes：分区表，其中每16bytes标识一个分区
  • 2bytes: 55AA
• MBR分区中一块硬盘最多有4个主分区，也可以3主分区+1扩展(N个逻辑分区)

MBR分区结构

硬盘主引导记录MBR由4个部分组成：

• 主引导程序（偏移地址0000H--0088H），它负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序
• 出错信息数据区，偏移地址0089H--00E1H为出错信息，00E2H--01BDH全为0字节
• 分区表（DPT,Disk Partition Table）含4个分区项，偏移地址01BEH--01FDH,每个分区表项长16个字节，共64字节为分区项1、分区项2、分区项3、分区项4
• 结束标志字，偏移地址01FE--01FF的2个字节值为结束标志55AA

GPT分区结构

BIOS和UEFI

BIOS：

• BIOS是固化在电脑主板上一个程序，主要用于开机系统自检和引导操作系统。目前新式的电脑基本上都是UEFI启动
• BIOS（Basic Input Output System 基本输入输出系统）对于普通用户来说，主要完成系统硬件自检和引导操作系统，操作系统开始启动之后，BIOS的任务就完成了。系统硬件自检：如果系统硬件有故障，主板上的扬声器就会发出长短不同的“滴滴”音，可以简单的判断硬件故障，比如“1长1短”通常表示内存故障，“1长3短”通常表示显卡故障
• BIOS在1975年就诞生了，使用汇编语言编写，当初只有16位，因此只能访问1M的内存，其中前640K称为基本内存，后384K内存留给开机和各类BIOS本身使用。BIOS只能识别到主引导记录（MBR）初始化的硬盘，最大支持2T的硬盘，4个主分区（逻辑分区中的扩展分区除外），而目前普遍实现了64位系统，传统的BIOS已经无法满足需求了，这时英特尔主导的EFI就诞生了

UEFI：

• EFI（Extensible Firmware Interface）可扩展固件接口，是 Intel 为 PC 固件的体系结构、接口和服务提出的建议标准。其主要目的是为了提供一组在 OS 加载之前（启动前）在所有平台上一致的、正确指定的启动服务，被看做是BIOS 的继任者  UEFI是由EFI1.10为基础发展起来的，它的所有者已不再是Intel，而是一个称作Unified EFI Form的国际组织
• UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)统一的可扩展固件接口， 是一种详细描述类型接口的标准。UEFI 相当于一个轻量化的操作系统，提供了硬件和操作系统之间的一个接口，提供了图形化的操作界面。最关键的是引入了GPT分区表，支持2T以上的硬盘，硬盘分区不受限制

BIOS和UEFI区别：

• BIOS采用了16位汇编语言编写，只能运行在实模式（内存寻址方式由16位段寄存器的内容乘以16(10H)当做段基地址，加上16位偏移地址形成20位的物理地址）下，可访问的内存空间为1MB，只支持字符操作界面UEFI采用32位或者64位的C语言编写，突破了实模式的限制，可以达到最大的寻址空间，支持图形操作界面

BIOS+MBR与UEFI+GPT：

• 传统BIOS运行流程：
  1. 开机
  2. BIOS初始化
  3. BIOS自检
  4. 引导操作系统
  5. 进入系统
• UEFI运行流程
  1. 开机
  2. UEFI初始化
  3. 引导操作系统
  4. 进入系统

管理分区

• 列出块设备
  • lsblk
• 创建分区使用：
  • fdisk 创建MBR分区
  • gdisk 创建GPT分区
  • parted 高级分区操作
• 重新设置内存中的内核分区表版本
  • partprobe

parted命令

parted的操作都是实时生效的，小心使用
用法：parted [选项]... [设备 [命令 [参数]...]...]

• parted /dev/sdb mklabel gpt|msdos
• parted /dev/sdb print
• parted /dev/sdb mkpart primary 1 200 （默认M）
• parted /dev/sdb rm 1
• parted –l 列出分区信息