硬盘数据组织结构
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FAT文件系统的组织结构 1. 软盘数据的逻辑存储 软盘无须低级格式化和分区操作,只需用FORMAT命令做高级格式化即可。
经过格式化操作之 后,系统将在软磁盘上建立以下的数据结构: (1) 引导记录(DBR):位于0面0道1扇区,说明磁盘结构信息。
(2) 文件分配表(FAT):用于记录磁盘空间的分配情况,指示硬盘数据信息存 放的柱面及扇区的信息指针。
其表项可以是以下四种表示方式之一: A.一个数字,代表指向另一个簇的指针。
B.数字0,表示一个未使用的簇 C.一个坏扇区标记 D.文件结束标记符EOF (3) 文件根目录表FDT:一个指示以存入数据信息的索引。
记录磁盘上存储文 件的大小,位置,日期和时间等数据。
(4) 数据区:存放数据信息。
2. 硬盘中的数据组织 刚刚从厂商处购来的新硬盘既无任何数据,也不能写入任何数据,必须先进行低级格 式化,FDISK分区,FORMAT高级格式化后方可使用。
对硬盘的这一系列初始化工作,称之为 硬盘准备。
过程如下: 低级格式化---------------FDISK分区-------------------FORMAT高级格式化 (1)低级格式化:对硬盘划分磁道和扇区,在扇区的地址域上标注地址信息,并剔出坏磁 道。
(2)FDISK:允许整个物理硬盘在逻辑上划分成多个分区(最多4个),以实现多个操作系 统共享硬盘空间。
如果将整个物理盘全部划归DOS/WINDOWS管理,则FDISK分区的作用是将一 个物理盘划分一个主分区和一个扩展分区,然后再将扩展分区划分成一个或多个逻辑盘。
在 硬盘上建立分区表的同时,FDISK把主引导记录MBR写到硬盘的主引导记录(柱面0,磁头0, 扇区1),并激活一个用户指定的分区。
(3)FORMAT:在DOS分区空间划分逻辑扇区,生成DOS引导扇区(即逻辑0扇区)DBR,文件 分配表FAT和根文件目录表FDT。
硬盘在DOS/WINDOWS的管理下,数据信息由MBR,DBR,FAT,FDT和数据区5 个部分组成。
数据的物理存储结构和逻辑存储结构数据的存储结构是指数据在计算机内部存储的方式,通常包括物理存储结构和逻辑存储结构。
其中,物理存储结构指的是数据在物理介质上的存储方式,而逻辑存储结构则指的是数据在逻辑层面上的存储方式。
一、物理存储结构1. 磁盘存储结构磁盘作为计算机存储数据最常用的介质,其物理存储结构包括派生区、分区和磁道。
分区可以被进一步分为多个扇区,每个扇区包含了特定大小的数据块。
数据在磁盘上的存储方式取决于操作系统如何管理磁盘的分区和扇区。
2. 光盘存储结构光盘存储结构通常被分为引导区、文件区和根目录区。
引导区包含操作系统程序的启动代码。
文件区可包含多个不同类型的数据文件,每个文件都被分配了一个特定的文件头和文件尾,文件头包含文件的元数据,如文件名、大小和创建时间等,文件尾部包含空数据块。
3. 固态硬盘存储结构固态硬盘存储结构与传统机械硬盘有所不同,它采用了一种称为闪存的非易失性存储技术。
固态硬盘没有物理的磁盘或了磁头,取而代之的是闪存芯片和控制器芯片。
数据存储在闪存中,其存储方式更加简单,容易实现高速访问。
二、逻辑存储结构逻辑存储结构是计算机中按照逻辑结构划分的数据存储方式。
常见的逻辑存储结构包括:1. 文件类型结构文件是计算机系统中最基本的数据单位,文件类型结构把文件存储组织成一种层次结构。
在这种结构中,每个文件都是一个独立的单元,它们之间使用树形结构进行组织。
每个文件都包含了文件头、数据和文件尾。
文件头包含文件名、文件长度、文件创建时间和修改时间等元数据,文件尾记录着文件的结束符。
2. 关系型数据库结构关系型数据库是一种经典的逻辑存储结构,它把数据存储组织成一个或多个表格。
每个表格都包含若干行数据,每一行数据称为一条记录。
表格中的每一列都包含了特定的数据元素,称为字段。
表格之间可以通过外键进行关联。
3. 对象型数据库结构对象型数据库是一种基于面向对象编程思想的逻辑存储结构。
它把数据存储组织成一种对象,并通过对象之间的继承、组合和关联等方式相互关联。
一、硬盘的物理结构:硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。
硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成(图1),其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。
硬盘工作时,盘片以设计转速高速旋转,设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。
当系统向硬盘写入数据时,磁头中“写数据”电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变,并在写电流磁场消失后仍能保持,这样数据就存储下来了;当系统从硬盘中读数据时,磁头经过盘片指定区域,盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化,经相关电路处理后还原成数据。
因此只要能将盘片表面处理得更平滑、磁头设计得更精密以及尽量提高盘片旋转速度,就能造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。
这是因为盘片表面处理越平、转速越快就能越使磁头离盘片表面越近,提高读、写灵敏度和速度;磁头设计越小越精密就能使磁头在盘片上占用空间越小,使磁头在一张盘片上建立更多的磁道以存储更多的数据。
二、硬盘的逻辑结构。
硬盘由很多盘片(platter)组成,每个盘片的每个面都有一个读写磁头。
如果有N个盘片。
就有2N个面,对应2N个磁头(Heads),从0、1、2开始编号。
每个盘片被划分成若干个同心圆磁道(逻辑上的,是不可见的。
)每个盘片的划分规则通常是一样的。
这样每个盘片的半径均为固定值R的同心圆再逻辑上形成了一个以电机主轴为轴的柱面(Cylinders),从外至里编号为0、1、2……每个盘片上的每个磁道又被划分为几十个扇区(Sector),通常的容量是512byte,并按照一定规则编号为1、2、3……形成Cylinde rs×Heads×Sector个扇区。
这三个参数即是硬盘的物理参数。
我们下面的很多实践需要深刻理解这三个参数的意义。
三、磁盘引导原理。
3.1 MBR(master boot record)扇区:计算机在按下power键以后,开始执行主板bios程序。
计算机中存储单元的硬件结构
计算机中存储单元的硬件结构通常由存储器模块、存储器控制器和存储器总线组成。
1. 存储器模块:存储器模块是存储数据的物理部分,包括主存储器(RAM)和辅助存储器(硬盘、SSD等)。
主存储器用
于临时存储正在执行的程序和数据,而辅助存储器则用于永久存储数据和程序,以便在断电后不丢失。
2. 存储器控制器:存储器控制器是负责管理存储器模块的硬件组件,将CPU发送的读写指令转化为存储器操作。
它负责选
择特定的存储单元,并控制存储器进行数据的读取和写入操作。
3. 存储器总线:存储器总线是连接存储器模块和存储器控制器的物理通道,用于传输控制信号和数据。
存储器总线的宽度决定了一次能读写的位数,通常以字节为单位。
总之,存储单元的硬件结构包括存储器模块、存储器控制器和存储器总线,它们协同工作来实现计算机对数据的存储和读写操作。
硬盘的DOS管理结构1.磁道,扇区,柱面和磁头数硬盘最基本的组成部分是由坚硬金属材料制成的涂以磁性介质的盘片,不同容量硬盘的盘片数不等。
每个盘片有两面,都可记录信息。
盘片被分成许多扇形的区域,每个区域叫一个扇区,每个扇区可存储128×2的N次方(N=0.1.2.3)字节信息。
在DOS中每扇区是128×2的2次方=512字节,盘片表面上以盘片中心为圆心,不同半径的同心圆称为磁道。
硬盘中,不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。
磁道与柱面都是表示不同半径的圆,在许多场合,磁道和柱面可以互换使用,我们知道,每个磁盘有两个面,每个面都有一个磁头,习惯用磁头号来区分。
扇区,磁道(或柱面)和磁头数构成了硬盘结构的基本参数,帮这些参数可以得到硬盘的容量,基计算公式为:存储容量=磁头数×磁道(柱面)数×每道扇区数×每扇区字节数要点:(1)硬盘有数个盘片,每盘片两个面,每个面一个磁头(2)盘片被划分为多个扇形区域即扇区(3)同一盘片不同半径的同心圆为磁道(4)不同盘片相同半径构成的圆柱面即柱面(5)公式:存储容量=磁头数×磁道(柱面)数×每道扇区数×每扇区字节数(6)信息记录可表示为:××磁道(柱面),××磁头,××扇区磁道: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。
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。
硬盘的原理
硬盘是一种用于存储数据的存储设备。
它由多个盘片叠加在一起组成,并通过电机驱动转动。
每个盘片上都有许多数据磁道,这些磁道被划分成相等大小的扇区。
扇区是硬盘中最小的数据单元,通常为512字节或4KB。
硬盘的数据存储原理基于磁性材料的特性。
盘片表面覆盖着一个薄膜状的磁性层,这个层可以被磁化。
硬盘的读写头是用于读取和写入数据的装置,它位于盘片上方或下方的移动臂上。
读写头可以根据电磁信号来改变磁化方向,从而在磁性层上存储数据。
当需要写入数据时,硬盘的控制器会发送指令,让移动臂定位到正确的磁道上。
然后,读写头会被放置在正确的位置,以读取或写入数据。
要写入数据,控制器会发送电流来改变磁性层的磁化方向,以表示二进制位的0或1。
要读取数据,读写头
会检测磁性层上的磁场变化,并将其转换为电信号,然后传输给控制器。
硬盘还包括一个固定的启动区,它存储了引导记录和分区表等引导信息。
引导记录是一小段程序,用于引导操作系统的加载。
分区表则记录了硬盘上的逻辑分区信息,操作系统可以通过分区表来访问和管理硬盘上的数据。
总的来说,硬盘通过磁性材料的磁化来存储数据,通过读写头的移动来读取和写入数据。
控制器负责管理整个硬盘的读写操
作。
硬盘的存储原理使其成为计算机中重要的数据存储设备之一。
EBR,叫做扩展MBR(Extended MBR),位于硬盘的某柱面0磁道1扇区1.簇(cluster)是DOS给文件系统分配磁盘空间的最小单位。
由若干连续的逻辑扇区组成,不同的盘,簇的大小不同,簇是从2开始编号,见表6-1。
逻辑扇区号=(簇号-2)×扇区数/簇+数据区首扇区号2.BOOT记录:第一部分:0~2字节为跳转指令,转向启动码区。
第二部分:3~10字节为厂商标识字段,如MSDOS5.0。
第三部分:11~61字节为磁盘参数表(51字节)。
第四部分:62~509字节为启动程序(438字节)。
最后:55,AA字节。
51字节BPB表(BIOS Parameter Block)OB-OC:每扇区字节数(512)OD:扇区数/簇0E-0F:保留扇区(指Boot区)10:FAT个数11-12:根目录最大登记项数13-14:本分区扇区总数(小于32M的分区,大于32MB时,为0)15:介质描述符16-17:每个FAT扇区数18-19:每道扇区数1A-1B:磁头数1C-1F:本分区前的扇区数(隐含扇区,即从0(X)柱0头1扇到0(X)柱1头1扇之间的扇区,由于不能为DOS访问,故称为隐含扇区)。
20-23:大容量盘总扇区数。
24:BIOS设备号(hex:HD=8x)25:未使用26:扩展引导标记(29H)27-2A:卷序列号(随机)2B-35:卷标,分区标识,如:WIN9836-3D:文件系统格式(FAT16)3.FAT(文件配置表)FAT有两个,当第一个损坏时,为人工修复提供方便,DOS不会自动用第二个去修复第一个FAT,而DOS实际上没有用尽2个FAT占用的扇区,因为可作为他用。
FAT登记盘上簇的使用情况,登记项有12位、16位和32位之分,下面以16位为例说明FAT的格式。
16位FAT格式:簇号(表项) 0000H 0001H 0002H … NNNNH类型保留簇使用簇含义介质标志记录文件簇号链保留簇的第一字节为磁盘介质标志,后为填充位,全为FFH。
使用簇可以是;0000:自由FFF6:备用FFF7:坏簇FFF8-FFFF:文件结束其它:文件的下一簇4.文件目录表(根目录表FDT)记录文件名、属性、建立时间、日期、首簇及长度的一个表。
每个文件占用表32字节,O0-O7:文件主名(文件被删除后,00字节为E5H)O8-0A:文件扩展名0B:文件属性X:未用,填0 档案子目录卷标系统隐含只读0C-15:保留(全0)16-17:建立文件的时间18-19:建立文件的日期1A-1B:文件首簇1C-1F:文件长度LFN entry :长文件名项,属性字节为0F表示LFN entryCr.time refinement in 10ms units :以10ms为计时精度5.主引导记录(MBR)见P247图6-7和图6-8。
0柱0头1扇区(DOS系统):000H~0EFH:主引导程序(446字节)0F0H~1BDH:全0 DOS系统有206个0字节,NTFS系统有58个0字节。
到此共计446字节)1BEH~1CDH:第一个分区表(16字节)1CEH~1DDH:第二个分区表(16字节)1DEH~1EDH:第三个分区表(16字节)1EEH~1FDH:第四个分区表(16字节)1FEH~1FFH:55H,AAH(2个字节,有效标志)CYL-CYLinder Rel-Relative sector关于SYS ind,(01:fat12;05:extended;06:fat16;07:hpfs/ntfs;0b,0d:win95 fat32;0e:win95 fat16;82:linux swap;83:linux;85:linux extended)例子,1BEH:80 01 01 00 04 07 21 F7 21 00 00 00 9F FF 00 00①②③④⑤⑥①可自举分区②分区从0柱1头1扇区开始③DOS分区④分区终止于7头33扇区F7(247)柱⑤分区相对扇区号为33⑥分区实用扇区数65339个10MB硬盘(305柱,4头,17扇/道,8扇/簇)数据组织结构:绝对扇区相对扇区簇描述柱面C,磁头H,扇区S0 0 1 无无 MBR0 0 2~17 无无未用0 1 1 0 无 DBR0 1 2~9 1~8 无 FAT1(8扇区)0 1 10~17 9~16 无 FAT20 2 1~17 17~33 无 FDT0 3 1~15 34~48 无 FDT(共32扇区)0 3 16 49 2 数据区首扇区0 3 17 50 2 数据区1 0 1~6 51~562 数据区1 0 7~14 57~64 3 数据区. . . .. . . .. . . .EBR:结构和MBR类似,但没有代码部分,即两个表和 55、AA。
FAT16的文件系统0号扇区 2簇6.FAT32的文件系统在FAT32卷上,一般存在两个Boot扇区,即工作Boot(0号逻扇)和备份Boot(一般在6号逻扇)。
0号扇区(每个逻辑盘从此处开始编号) 2簇注:在LBA(全称是Logic Block Address,即扇区的逻辑块地址) 寻址方式下,系统把所有的物理扇区都统一编号,按照从零到某个最大值排列,这样只用一个序数就确定了一个唯一的物理扇区。
用WinHex读物理硬盘时看到的扇区编号就是这种。
即物理盘从0柱0头1扇开始逻辑编号,逻辑盘从Boot区开始逻辑编号,编号均从0起。
读FAT表的(若FAT为1DBAH)前两扇:-l 0 2 20 2 (回车)-D 0F8 FF FF 0F FF FF FF 0F…读目录表:-l 0 2 3B94 20 (回车)⑵磁盘参数表(03H-59H字节):03H(占8字节):系统版本号0BH (2字节):每扇字节数0D(1字节):每簇扇区数0EH(2字节):保留(32字节)10H(1字节):FAT个数11H(2字节):表示是否为FAT32文件系统,为0000H表示是。
13H(2字节):位为00H15H(1字节):介质标志16H(2字节):未用值为00H18H(2):每道扇区数1AH(2):磁头数1CH(4):分区前隐藏扇区数20H(4):扇区总数24H(4):FAT占扇区数28H(2):FAT表镜象标志,0表2个,1表1个。
2A(2):文件系统的主次版本2C(4):根目录的起始簇号30(2):文件系统参数的扇区号32(2):备份分区引导扇区的逻辑扇区号34(12):保留,未用40(2):磁盘物理驱动的号42H(1):磁盘读写扩展标志:值为29H。
43H(4):卷序列号47H(11):磁盘卷标号52H(8):文件系统的标识号⑶FAT32文件系统的目录表FAT32文件系统将逻辑盘的空间划分为三部分:引导区(BOOT区)、文件分配表区(FAT区)和数据区(DATA区),引导区和文件分配表区合称系统区。
在FAT32位系统中根目录区(ROOT区)不再是固定区域、固定大小,它是数据区的一部分。
实际的“根目录”就是首簇号为2的文件。
主目录项(常规)名字字符保存项目录项辅助目录项(属性字节:0FH 类型信息保存项长文件名目录项结构图①与短文件名相同的主目录项其结构与上述的结构一致, 其中的文件名域存放着由长文件名转换而来的短文件名, 包括主文件名与后缀, 具体转换方法稍后介绍; 此目录项可供任何版本的MS_DOS或其它的兼容操作系统使用, 此时此文件将与一般的短文件一样, WINDOWS9x 同样也可以用短文件名的形式对此文件进行操作。
0-0AH:文件名及扩展名0BH:文件属性0CH:类型(保留,填00)0D-0FH: 文件建立时间,小时:分:秒:百分秒=5:6:5:8位10-11H:文件建立日期,年:月:日=7:4:5位12-13H:文件最新访问日期(定义同上)14-15H: 开始簇号的高16位16H-17H:最新修改文件时间(定义同0D-0FH)18H-19H:最新修改文件日期(定义同10-11H)1AH-1BH:开始簇号的低16位1CH-1FH:文件长度FAT32对8.3的FDT记录的结构作了扩展(记录长度仍为32字节),并提高了创建时间(3B)的精度:23#-19#位——时,18#-13#位——分,12#-7#位——秒,6#-0#位——百分秒。
由于在短文件名目录项中只能存放长文件名的一个别名即转换后的短文件名, 所以还必须利用其它的目录项存储完整的长文件名的全部字符串容, 具体结构如下:00H:系列号01H-0AH:文件名字符0BH:属性(0FH)0CH:类型0DH:校验和0EH-19H:文件名(续)1AH-1BH:恒为01CH-1FH:名字(续)视长文件名的长度, 决定需要利用几个目录项来存放文件名, 这样的目录项靠系列号保持各目录项间的先后顺序及连续性, 按01 02 03 ...格式排序, 如果此文件没有类型保存项, 则最后一个目录项的系列号在正常的序号基础上加上40H, 即把1 2 3 等转换为A B C字符, 以提示此长文件名目录项全部结束; 其中的属性字节恒为0FH, 文件名字符按建立文件时的真实情况保存大小写字母, 并且每个字符占两个字节。
③长文件名的类型信息保存项这种类型的目录项并不是所有的长文件均有, 只有在WINDOWS95 下建立文件时指定了系统可识别的文件类型才能为此文件建立类型信息存储项, 而在WINDOWS95 的MS_DOS的对话状态建立的一般长文件名文件不具备此目录项, 此目录项的结构如下: 00H:系列号01H-0AH:文件类型信息0BH:属性(0FH)0CH:类型0DH:校验和0EH-13H:文件类型信息(续)14H-19H:保留1AH-1BH:恒为01CH-1FH:保留其中的系列号与存储长文件名字符的目录项一起排序,但是此目录项肯定是一个完整的长文件名目录项的最后一个, 所以其系列号需要进行1 2 3 等到A B C的转换;其中的文件类型信息也是一个字符占用两个字节, 此目录项的属性位也恒为0FH。
④长文件名到短文件的转换过程其转换规则可简单的描述如下:首先去掉长文件中的非法(相对于短文件名规则不允许)的字符,保留长文件中的前几个字符再加上“~” 和一个系号形成短文件名的主名即8个字符, 其中系号由1开始, 如果短文件名不唯一, 则系号增一, 可以是2 3...或10 11...等, 直到形成唯一的文件名为止, 长文件名中保留的个数一般由系号的位数决定, 如果系号为1位则长文件名可保留6位, 这种情况居多, 如果系号为两位数则只能保留长文件名中的 5位, 总之文件名必须小于8 个字符; 文件后缀的形成一般有两种情况, 第一种情况是此长文件名具有特定的WINDOWS95 可识别的类型信息, 则按此类型建立后缀, 比如指定为文本文件的后缀恒为TXT 而不管原来长文件名是否有后缀或后缀为什么; 另一种情况不存在类型信息, 则此时只能简单的从原文件后缀中截取前面的头三个有效字符, 如长文件名无后缀, 则形成原短文件名同样没有后缀;下面举例文明长文件名“1234567890.ABCDEF” 进行转换的过程:序号为1位并且无类型信息时为:123456~1.ABC序号为2位并且无类型信息时为: 12345~10.ABC指定为文本类型且序号为1位时: 123456~1.TXT。