系统引导过程及硬盘分区结构论述

一、系统引导过程简介

    系统引导过程主要由以下几个步骤组成(以硬盘启动为例)

    1、 开机;

    2、 BIOS加电自检(POST---Power On Self Test),内存地址为0fff:0000;

    3、 将硬盘第一个扇区(0头0道1扇区,也就是Boot Sector)读入内存地址0000:7c00处;

    4、 检查(WORD)0000:7dfe是否等于0xaa55.若不等于则转去尝试其他介质;如果没有其他启动介质,则显示 ”No ROM BASIC” ,然后死机;

    5、 跳转到0000:7c00处执行MBR中的程序;

    6、 MBR先将自己复制到0000:0600处,然后继续执行;

    7、 在主分区表中搜索标志为活动的分区.如果发现没有活动分区或者不止一个活动分区,则停止;

    8、 将活动分区的第一个扇区读入内存地址0000:7c00处;

    9、 检查(WORD)0000:7dfe是否等于0xaa55,若不等于则显示 “Missing Operating System”,然后停止,或尝试软盘启动;

    10、 跳转到0000:7c00处继续执行特定系统的启动程序;

    11、 启动系统. 以上步骤中(2),(3),(4),(5)步由BIOS的引导程序完成;(6),(7),(8),(9),(10)步由MBR中的引导程序完成.

    一般多系统引导程序(如Smart Boot Manager, BootStar, PQBoot等)都是将标准主引导记录替换成自己的引导程序,在运行系统启动程序之前让用户选择想要启动的分区.而某些系统自带的多系统引导程序(如 LILO,NT Loader等)则可以将自己的引导程序放在系统所处分区的第一个扇区中,在Linux中即为两个扇区的SuperBlock. 注：以上步骤中使用的是标准的MBR,多系统引导程序的引导过程与此不同.

    二、硬盘结构及参数

    3D参数(Disk Geometry):CHS(Cylinder/Head/Sector) C-Cylinder柱面数表示硬盘每面盘片上有几条磁道,最大为1024(用10个二进制位存储);H-Head磁头数表示硬盘总共有几个磁头,也就是几面盘片,最大为256(用8个二进制位存储);S-Sector扇区数表示每条磁道上有几个扇区,最大为63(用6个二进制位存储).

    1、引导扇区

    Boot Sector组成

    Boot Sector也就是硬盘的第一个扇区,它由MBR(Master Boot Record), DPT(Disk Partition Table) 和 Boot Record ID三部分组成. MBR又称为主引导记录,占用Boot Sector的前446个字节(0~0x1BD),存放系统主引导程序(它负责从活动分区中装载并且运行系统引导程序). DPT即主分区表占用64个字节(0x1BE~0x1FD),记录磁盘的基本分区信息.主分区表分为四个分区项,每项16个字节,分别记录每个主分区的信息(因此最多可以有四个主分区). Boot Record ID即引导区标记占用两个字节(0x1FE~0x1FF),对于合法引导区,它等于0xaa55,这是判别引导区是否合法的标志). Boot Secor具体结构如图：
 

    2、分区表结构简介

    分区表由四个分区项构成,每一项结构如下:

    BYTE State:分区状态,0=未激活,0x80=激活(注意此项);

    BYTE StartHead:分区起始磁头号;

    WORD StartSC:分区起始扇区和柱面号,底字节的底6位为扇区号,高2位为柱面号的第9,10位,高字节为柱面号的低8位;

    BYTE Type:分区类型,如0x0B=FAT32,0x83=Linux等,00表示此项未用;

    BYTE EndHead:分区结束磁头号;

    WORD EndSC:分区结束扇区和柱面号,定义同前;

    DWORD Relative:在线性寻址方式下的分区相对扇区地址(对于基本分区即为绝对地址);

    DWORD Sectors:分区大小(总扇区数).

    在DOS或Windows系统下,基本分区必须以柱面为单位划分(Sectors*Heads个扇区),如对于CHS为764/256/63的硬盘,分区的最小尺寸为256*63*512/1048576=7.875MB.

    由于硬盘的第一个扇区已经被引导扇区占用,所以一般来说,硬盘的第一个磁道(0头0道)的其余62个扇区是不会被分区占用的.某些分区软件甚至将第一个柱面全部空出来. 扩展分区结构如图：
    

 硬盘分区表(DPT)
    

 

 

    逻辑驱动器
    扩展分区的信息位于以上所示的硬盘分区表（DPT）中, 而逻辑驱动器的信息则位于扩展分区的起始扇区, 即该分区的起始地址(柱面/扇区/磁道)所对应的扇区,  该扇区中的信息与硬盘主引导扇区的区别是不包含MBR,而16字节的分区信息则表示的是逻辑驱动器的起始和结束地址等.

    所以, 在磁盘仅含有一个主分区, 一个扩展分区(包含多个逻辑驱动器)的情况下,即使由于病毒或其他原因导致硬盘主引导扇区的数据丢失(包括DPT),也可以通过逻辑驱动器的数据来恢复整个硬盘.

    绝对扇区＝磁头号*每道扇区数[3F]+ 柱面号*最大磁头数[一般是FF]*每道扇区数 + 扇区号  - 1

    最大磁头数=(((总扇区数 + 起始逻辑扇 - 扇区止) / 每道扇区数[3F]）-磁头号止) / 柱面号止

    或 最大磁头数=(((起始逻辑扇 +1 - 扇区起) / 每道扇区数[3F]）-磁头号起) / 柱面号起

    例如:  以下是一个硬盘的分区情况.

 
    如果主分区表损坏,  则可以通过手工查找扩展分区表中所包含的逻辑驱动器数据,  在本例中就是D盘所对应的数据,  然后将其起始扇(逻辑)减去63就是所对应的扩展分区的起始扇(逻辑),  将其起始地址（磁头/扇区/柱面）改为0柱面就是扩展分区的起始地址.  然后通过扩展分区就可以得到主分区C的信息,  然后就可以使用FDISK/MBR命令和手工填写分区表恢复整个硬盘.

    该例所对应的分区表数据:

 
    算法过程: (以第一个分区为例)

    EF  7F 14 对应的磁头号EFH = 239D, 柱面号7F高二位与14H=114H = 276D,   扇区号7F低六位= 3FH = 63D

    起始逻辑扇= 3F  00  00  00 = 3FH = 63D

    分区总扇区数= 11  E8  3F  00 = 3FE811H = 4188177D

    最大磁头数= ((((4188177+63)-63)/63)-239)/276=240D = 0F0H

    01  01  00对应的逻辑扇 = 1*63 + 240*0*63 + 1 - 1 =  63D

    EF  7F 14 对应的逻辑扇 = 239*63 + 240*276*63 + 63 - 1 = 4188239D

    扩展分区表数据:
                                                        00  01
    41  15  07  EF  BF  2A  8F  E8  3F  00  21  23  40  00

    注意:  逻辑起始扇区和总共分区数是左边为低位,  如该例的扩展分区的起始地址为8F E8 3F 00转换十进制时要先变为00 3F E8 8F,  总共占用分区数21 23 40 00要先变为00 40 23 21,  同理当手工填写该值时也要进行高低位转换.

    扩展逻辑盘寻找说明：

    1 在主分区的分区表中,寻找扩展分区的物理地址

    2 在扩展分区地址所指扇区尾部,查找扩展分区表(扩展卷),结构与主分区表相同

    3 扩展分区表的物理地址中,将磁头数加1,其余不变,则为第一个逻辑驱动器(如D盘)的BOOT扇区物理地址

    4 根据扩展驱动器的系统分类(FAT16/FAT32,以2048MB为界限),查看FAT表与ROOT区

    5 如果还有E、F……等盘，则继续寻找符合要求的BOOT扇区，BOOT扇区规定在每个磁头的1号扇区