数据在磁盘上的布局

 做存储和计算机架构的研发人员需要深入理解数据在磁盘上的分布，只有这样当系统出现故障的时候才能手动进行系统恢复。目前，磁盘的容量越来越大，故障率越来越高，当故障发生之后需要对磁盘数据进行恢复，磁盘数据的恢复不仅要了解分区等基本的磁盘数据布局，而且需要知道文件系统在磁盘上的数据分布。这里首先讨论分区等系统基本数据在磁盘上的分布。

分区

DOS分区

 

DOS分区是目前常用的一种分区方式，其磁盘数据分布描述如下：

 

第一个扇区是主引导分区MBR，MBR描述了磁盘分区的结构，MBR的内容包括引导代码和分区表信息，最后以标志0xaa55结尾。

MBR中的引导代码是在BIOS启动之后首先得到运行的代码，通常引导代码会检查磁盘分区表，并且判断哪个分区是启动分区，找到那个启动分区之后，然后从启动分区引导操作系统。

DOS分区规定了四个主分区，每个分区最大可以描述2TB的磁盘空间。当磁盘容量增大后，需要采用扩展分区满足应用需求，扩展分区就是在主分区描述的空间中再建分区信息表。在四个主分区中，只能存在一个active的分区，该分区即为启动分区。

GPT分区

 

由于巨磁阻效应的发现，磁盘的容量日益增大，DOS分区存在2TB上限的问题，不能满足日益增长的大分区需求，因此，微软推出了GPT（GUID Partition Table），该分区表的磁盘结构如下图所示。

 

第一部分是保留MBR，占用一个扇区；第二部分是EFI信息，该部分占用一个扇区，该头描述了分布区的位置信息；第三部分是 分区表，一共占用32个扇区，每个分区表项占用128字节，因此，最多可以容纳128个分区表项；第四部分是分区区域；为了提高可靠性，第五部分为分区表备份区域，占用整个磁盘的最后32个扇区。

Bootload在哪里？

 

知道磁盘的分区信息之后，我们通常会关注操作系统的bootloader具体在哪里？以Linux为例，bootloader通常为grub，嵌入式系统通常采用uboot，这里以grub为例，grub功能比较强大。在安装操作系统的时候，grub就被安装在了boot分区。在Linux中的/boot目录就包含了grub文件和操作系统image文件。

Grub是支持文件系统的，在/boot/grub目录中存在e2fs_stage1_5、xfs_stage1_5等文件，这些文件统称为stage1.5，其实就是各个不同文件系统的驱动。这里简要介绍一下grub的构成。Grub的启动文件分为stage1和stage2两大部分，stage1是在grub安装的时候由grub拷贝到MBR中的，由于MBR的大小是512字节，因此，stage1文件大小为512字节。Stage1的作用是引导stage2，由于stage2存储在boot 上，其具有文件系统格式，而stage1程序不能很大，因此，无法识别boot分区文件系统，只能采用了程序表的方式在stage1中存储stage2文件和stage1.5文件的位置。

对于grub而言，由于需要获取stage2文件，所以，需要修改MBR中的引导程序，所以，在安装操作系统的时候，grub被安装在了boot分区和MBR中。

系统如何启动？

 

熟悉磁盘数据分布对系统启动过程的了解有一定帮助，在此简要描述一下系统启动过程。

 

1， 系统上电之后，直接将BIOS程序导入内存进行运行，BIOS程序会扫描硬件，并且实现一些基本硬件的驱动（例如PCI扫描）和自检操作。BIOS程序会扫描系统中的启动硬盘，一旦发现一个可以启动的硬盘，BIOS会将启动硬盘内MBR中的引导程序装载入内存，并且将CPU交给引导程序。

 

2， MBR中的引导程序会进行分区表检查，由于该引导程序是grub安装时更新过的，其实际就是grub的stage1程序。当所有事情完成之后，引导程序会通过固定地址的方式将启动分区中的grub stage2程序装载入内存，并且将CPU交给stage2程序。

 

3， Stage2程序是grub的主体，其可以识别文件系统。boot分区上有文件系统，这是由用户在安装操作系统时候格式化的，grub会将boot分区mount，这样可以很容易的找到Linux操作系统的镜像文件，在grub运行过程中，有些系统需要一些特殊的驱动，例如，系统根文件系统建立在一个特殊的软RAID之上，那么在启动Linux操作系统之前需要加载特殊的软RAID驱动。为了达到这个目的，可以采用ramdisk的方式为Linux操作系统预加载驱动，ramdisk文件可以在grub配置文件中指定。Grub 完成一些预加载操作，并且将Linux内核加载入内存，然后将CPU资源释放给Linux内核。

 

4， 此时Linux内核开始运行，由于grub已经预加载了一些驱动，因此，Linux也能看到一些特殊的设备，然后Linux会做root switch操作，挂载真正的根文件系统。如果BIOS已经为PCI等设备分配了资源，那么Linux可以直接采用，当然也可以对PCI总线进行重新扫描，并且加载驱动程序。由于根文件系统已经加载，因此，Linux可以根据/etc/inittab启动各种服务，至此Linux系统基本启动完毕。

 

本文概述了分区以及bootloader在磁盘中的数据分布，对于存储系统而言，这是最基本的。