硬盘基础知识+MBR、GPT、Legacy BIOS、UEFI介绍（Windows系统分区）

硬盘基础知识

• 硬盘的扇面、磁道、扇区。
• 硬盘基本知识：物理构造和逻辑单元。
• 硬盘物理结构及工作原理。

MBR与GPT

MBR

MBR（Master Boot Record）主引导记录 —— 硬盘上最重要的一个数据结构
早期的Linux系统和Windows使用MBR的方式来处理开机管理程序与分区表

• MBR处于硬盘的第一个扇区.即0柱面,0磁头,1扇区.
• 第一个扇区 512Bytes 会有这两个数据：
  
  • 主要开机记录区（Master Boot Record, MBR）：可以安装开机管理程序的地方，有446
    Bytes(偏移0H~偏移1BDH)。
  • 磁盘分区表（Disk Partition Table,DPT）：记录整颗硬盘分区的状态，有64 Bytes(偏移1BEH~偏移1FDH)。
  • 最后的两个字节”55 AA”(偏移1FEH~偏移1FFH)是分区有效结束标志。

由于分区表所在区块仅有64 Bytes容量，因此最多仅能有四组记录区原因是分区信息需要16字节来表示，详见链接——硬盘分区表项的16个字节分配。最大支持2.19TB（2的32次方（只能记录4字节来存储逻辑块地址和大小信息，具体见链接）*512byte（扇面单位））。
1~100等数据只是随意的例子。

四组记录代表只能有四个主要（Primary）分区或延伸（Extended）分区（操作系统限制只能有一个延伸分区）。前者是可用于引导的系统分区。而在实际上，你可以将一颗硬盘分区成十个以上的分区。通过延伸分区（Extended）的方式来处理。

• P1为主要分区，P2为延伸分区。
• 延伸分区的目的是使用额外的扇区来记录分区信息，延伸分区本身并不能被拿来格式化。
• 通过延伸分区所指向的那个区块继续作分区的记录。
• 如上图右下方那个区块有继续分区出五个分区， 这五个由延伸分区继续切出来的分区，就被称为逻辑分区（logical partition，逻辑分区的数量依操作系统而不同）。
• 逻辑分区之间可以整合等操作，但是延伸分区和主分区如果整合操作，眼神分区里所有的逻辑分区都会出现问题（分区记录在延伸分区中）

GPT

GPT （GUID（Globally Unique Identifier） partition table）全局唯一标识磁盘分区表 ——是一个实体硬盘的分区表的结构布局的标准。

GUID貌似跟GPT采用的CHS寻址方式有关，不细究，有兴趣可看链接——【FAQ】存储基础知识 - 磁盘寻址（CHS寻址方式、LBA寻址方式）这里写链接内容。

• 不同于过去512Bytes的扇区大小，之后出现了4K的扇区设计。因此，GPT使用逻辑区块位址（Logical BlockAddress, LBA）来处理，但默认还是为512bytes。第一个为LBA0。
• 与MBR使用第一个512Bytes区块来记录不同，GPT使用了34个LBA区块来记录分区信息。
  
  • GPT 除了前面 34 个LBA 之外，整个磁盘的最后 33 个 LBA 也拿来作为另一个备份。
  • 
  • LBA0 （MBR 相容区块）
    
    • 前 446 Bytes 与MBR类似，储存了第一阶段的开机管理程序（启动过程下文会提到）。
    • MBR原本的分区表的记录区内，放入一个特殊标志的分区，用来表示此磁盘为 GPT 格式。 不支持GPT 分区表的磁盘管理程序就无法识别。
  • LBA1 （GPT 表头纪录）
    
    • 纪录了分区表本身的位置与大小。
    • 纪录了备份用的 GPT 分区 （最后 34 个 LBA 区块） 放置的位置。
    • 放置了分区表的检验机制（CRC32），操作系统可以根据这个检验码来判断 GPT 是否正确。若有错误，可以通过这个纪录区来取得备份的 GPT（磁盘最后的那个备份区块） 来恢复 GPT 的正常运行。
  • LBA2-33 （实际纪录分区信息处）
    
    • 从 LBA2 区块开始，每个 LBA 都可以纪录 4 笔分区纪录，默认的情况下，总共可以有 4*32（分区记录LBA数量） = 128 笔分区纪录。
    • 除了每笔纪录所需要的识别码与相关的纪录之外，GPT 在每笔纪录中分别提供了 64bits 来记载开始/结束的扇区号码。
    • 对于每个扇区大小为512字节的磁盘，那意味着可以有9.4ZB(9.4 x 10^21字节)或18 E 个512字节（9,444,732,965,739,290,426,880字节 或 18,446,744,073,709,551,615（2^64-1）个扇区 x 512（=2^9）字节每扇区）。
    • GPT 分区已经没有所谓的主、延伸、逻辑
      分区的概念，每笔纪录都可以独立存在， 每个都可以视为是主分区并格式化使用。

GPT分区格式需要操作系统，硬件的支持。和开机的检测程序有关，也就是Legacy BIOS BIOS与UEFI。见下文。

Legacy BIOS

操作系统事实上也就是一个软件，那么硬件是如何和软件相互协作开机的呢？也就是通过开机程序。

目前的主机系统在载入硬件驱动方面的程序，主要有早期的 BIOS 与新的 UEFI 两种机制。

BIOS等相关信息

• RAM(Ramdom Access Memory)
  易挥发性随机存取存储器，高速存取，读写时间相等，且与地址无关，如计算机内存等。

• ROM(Read Only Memory)只读存储器
  断电后信息不丢失，如计算机启动用的BIOS芯片。存取速度很低，（较RAM而言）且不能改写。由于不能改写信息，不能升级，现已很少使用。

• CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)互补金属氧化物半导体
  微机主板上的一块可读写的RAM芯片，主要用来保存当前系统的硬件配置和操作人员对某些参数的设定。CMOS RAM芯片由系统通过一块后备电池供电，因此无论是在关机状态中，还是遇到系统掉电情况，CMOS信息都不会丢失。

由于CMOS RAM芯片本身只是一块存储器，只具有保存数据的功能，所以对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序。早期的CMOS设置程序驻留在软盘上的(如IBM的PC/AT机型)，使用很不方便。现在多数厂家将CMOS设置程序做到了 BIOS芯片中，在开机时通过按下某个特定键就可进入CMOS设置程序而非常方便地对系统进行设置，因此这种CMOS设置又通常被叫做BIOS设置。

• BIOS（Basic Input/Output System）基本输入输出系统
  和老BIOS说永别 EFI BIOS技术解析。这篇文章阐述了BIOS过渡到EFI的过程及原因。

  它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。即BIOS就是在开机的时候，计算机系统会主动执行的第一个程序。

开机流程

以硬盘为例，BIOS会依据使用者的设置去取得能够开机的硬盘，并且到该硬盘里面去读取第一个扇区的MBR位置。

MBR这个仅有446 Bytes的硬盘容量里面会放置最基本的开机管理程序。

接下来运行MBR内的开机管理程序。

载入（load）核心文件， 由于开机管理程序是操作系统在安装的时候所提供的，所以他会认识硬盘内的文件系统格式，因此就能够读取核心文件， 然后接下来就是核心文件的工作，也就将控制交付给了操作系统。

• BIOS：开机主动执行的固件，会认识第一个可开机的设备；
• MBR：第一个可开机设备的第一个扇区内的主要开机记录区块，内含开机管理程序；
• 开机管理程序（boot loader）：一支可读取核心文件来执行的软件；
• 核心文件：开始操作系统的功能…

tips：

相容性——如果分区表为 GPT 格式的话，那么 BIOS 也能够从 LBA0 的 MBR 相容区块读取第一阶段的开机管理程序码， 如果开机管理程序支持 GPT，那么使用BIOS 同样可以读取到正确的操作系统核心。反之例如 Windows XP 的环境，无法读取核心文件，开机失败。文末附上操作系统的分区兼容性。

grub等其他开机管理程序——LBA0 仅提供第一阶段的开机管理程序码，如果使用类似 grub 的开机管理程序，要额外“ BIOS boot ”的分区， 这个分区能够放置其他开机过程所需的程序码，在 CentOS 当中，这个分区通常占用 2MB 左右。

BIOS与MBR是硬件本身会支持的功能，Boot loader则是操作系统安装在MBR上面的一套软件，且限制在MBR 446 Bytes的大小中，功能主要如下：

• 提供菜单：使用者可以选择不同的开机项目
• 载入核心文件：直接指向可开机的程序区段来开始操作系统
• 转交其他loader：将开机管理功能转交给其他loader负责

• Windows及Linux双系统开机示意：
  

• Windows、Linux双系统安装顺序：
  

UEFI BIOS（搭配GPT）

UEFI （Unified Extensible Firmware Interface） 统一可延伸固件接口

取代 BIOS，因此也称 UEFI BIOS 。

Legacy BIOS只能通过GPT的相容性来进行启动，UEFI BIOS才能真正支持GPT，并利用到它的种种便利性，详见之前的链接。

secure boot机制
防止cracker借由 BIOS 开机阶段来破坏系统，并取得系统的控制权，UEFI而加入的机制，会出现在BIOS设置中。有时开启不能顺利进入系统。
uefi启动全部过程是怎么样的?。这个链接有较详细的UEFI和BIOS启动的流程。

附加资料

BIOS设置之UEFI/Legacy BIOS切换图文详解。
如何选择超过2T和3T及以上硬盘的MBR与GPT分区形式。此链接中包括windows系统的兼容性问题。
UEFI是什么？与BIOS的区别在哪里？UEFI详解！。此链接关于在使用GPT作为系统分区的格式的系统安装。
win8/win8.1 UEFI + GPT 安装详细图解.当然，win10也几乎一样。
亲测UEFI启动模式的电脑安装Win10和Ubuntu双系统。