硬盘结构及文件系统.pptx

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1、课程内容硬盘的结构磁盘引导原理硬盘分区文件系统磁盘冗余阵列第1页/共55页硬盘的结构什么是硬盘?硬盘是系统中极为重要的设备，存储着大量的用户资料和信息如果说内存只是数据的中转站的话，硬盘就是存放数据的仓库 第2页/共55页硬盘的结构常见的硬盘品牌Seagate（希捷）Maxtor（迈拓）Western Digital（西部数据）Samsung（三星）Fujitsu（富士通）Hitachi(日立)Toshiba(东芝)第3页/共55页硬盘的结构硬盘规格从尺寸上，可分为:3.5寸2.5寸1.8寸硬盘从接口上区分，可分为:IDE接口SATA接口SCSI接口SAS接口第4页/共55页硬盘的物理结构硬盘

2、主要包括：盘片磁头主轴电机控制电路磁头控制器数据转换器接口缓存等硬盘的结构第5页/共55页硬盘的结构硬盘结构简介：很久以前，硬盘的容量还非常小的时候，人们采用与软盘类似的结构生产硬盘，也就是硬盘盘片的每一条磁道都具有相同的扇区数由此人们定义硬盘参数为(CHS)参数，即磁头数(Heads)，柱面数(Cylinders)，扇区数(Sectors)，以及相应的寻址方式第6页/共55页硬盘的结构Cylinder柱面柱面象磁道一样，是一个逻辑术语，并不是具体的物理硬件。一个柱面是指在同一个磁头下的所有盘片的每一个面上的一系列磁道，好象一个实际的圆柱体的横截面第7页/共55页硬盘的结构Sector扇区一个

3、扇区是在一个磁道内的一组字节，并且是在驱动器上可寻址的最小的一组字节。磁盘划分的最小单位，大小通常为512字节第8页/共55页硬盘的结构Track磁道磁盘上的每个盘片被分成的同心圆的带区，被称为磁道。磁道与物理结构无关，磁盘经过低级格式化后就建立了磁道。磁道从0开始顺序编号，磁盘最外圈的磁道称为越磁道（即零磁道），由外向内顺序编号第9页/共55页硬盘的结构CHS参数如下:C(柱面数)：最大值为1023 H(磁头数)：最大值为255 S(扇区数)：最大值为63 默认每个扇区大小为512字节因此，CHS支持的磁盘最大容量为:255*1023*63*512第10页/共55页课程内容硬盘的结构磁盘引导

4、原理硬盘分区文件系统磁盘冗余阵列第11页/共55页磁盘引导原理计算机在按下power键以后，执行以下动作那什么是引导记录呢那什么是引导记录呢?在什么位置在什么位置?包含什么内容包含什么内容?执行执行BIOSBIOS程序程序硬件检测硬件检测读取引导记录读取引导记录加载操作系统引导程序加载操作系统引导程序加载内核、驱动、加载内核、驱动、UIUI等等启动完毕启动完毕第12页/共55页磁盘引导原理所谓的主引导记录(Master Boot Record，MBR)，位于0柱面0磁道1扇区，由以下几部分内容组成:引导程序引导程序(446 byte)(446 byte)分区表分区表(64 byte)(64 b

5、yte)结束标识（结束标识（0 x55 0 xaa0 x55 0 xaa）512512字节字节第13页/共55页磁盘引导原理MBR记录示例第14页/共55页课程内容硬盘的结构磁盘引导原理硬盘分区文件系统磁盘冗余阵列第15页/共55页硬盘分区一个硬盘可以被划分成为若干个逻辑存储区域，称之为分区(Partition)用于记录分区位置所在的记录集叫分区表分区可分为:主分区扩展分区第16页/共55页硬盘分区硬盘结构及分区表示例第17页/共55页课程内容硬盘的结构磁盘引导原理硬盘分区文件系统磁盘冗余阵列第18页/共55页文件系统什么是文件系统?文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的保存方法和数据

6、结构，即在磁盘上组织文件的方法一个分区或磁盘能作为文件系统使用前，需要初始化，并将记录数据结构写到磁盘上。这个过程就叫建立文件系统第19页/共55页扇区扇区是数据写入到硬盘的扇区是数据写入到硬盘的最小区域最小区域第20页/共55页文件系统要处理上千万个扇区对操作系统要求较高，因此汇集为区块(簇)可以减少寻址数扇区被分组为已分配区块或簇-文件系统的可寻址单位文件系统也有它自身能管理的分配区块数限制第21页/共55页簇簇的大小范围每个簇1个扇区 (512 字节)至每个簇64个扇区(32,768字节)甚至更多第22页/共55页簇簇是文件系统可访问簇是文件系统可访问的最小分配单位的最小分配单位簇的大小

7、可以是簇的大小可以是1 1个个扇区扇区1 1个扇区个扇区=512=512字节字节512512第23页/共55页文件系统我们现在以Windows下创建NTFS文件系统为例进行解释，创建文件系统时做了以下工作：将分区平划分为N个平均的单元(每个单元称为簇)创建一个管理结构，即一个表格(MFT表)数据区域数据区域MFTMFT表表第24页/共55页文件系统常见的文件系统FAT 12/16/32NTFSEXT2/EXT3HFSCDFSUDF第25页/共55页FAT文件系统File Allocation Table(文件分配表)一个列出系统所使用的每个分配单元的表，用于跟踪簇使用状况（它的当前状态)UNA

8、LLOCATED 未分配ALLOCATED 已分配第26页/共55页FAT文件系统“FAT”后的数字如 FAT 12、FAT 16 和 FAT 32用于跟踪卷中的簇所使用的位数第27页/共55页FAT12FAT 12 等于212，即 4096然而 11 位被保留，1个被丢弃，因此只有4084个可寻址单元 对硬盘来说是不够的第28页/共55页FAT16/32FAT16=216=65,536 同样扣除 12 结果为 65,524 簇地址FAT32=232 四个最高位被保留，因此仅有228个簇地址可用 结果为268,435,445 簇地址第29页/共55页文件系统每个文件系统必须跟踪以下内容对象名称

9、(文件或文件夹)每个对象的起始位置碎片(非连续对象)全卷区块(簇)状态第30页/共55页FAT文件系统目录项跟踪对象名称（文件或文件夹）每个对象的起始位置文件分配表(FAT)本身跟踪碎片(非连续对象)全卷的区块/簇状态第31页/共55页创建文件(FAT文件系统)文件创建过程创建目录项FAT表更新以反映已占用区块文件的数据内容写入到区块当文件被“使用”时 用户定位文件的目录项操作系统查询FAT表以查找和获取数据第32页/共55页删除文件(FAT文件系统)文件删除过程目录项的首字节改变为十六进制值E5 操作系统不会显示带有删除标记E5的文件FAT表更新以反映未分配的区块文件的数据内容仍在原处第33

10、页/共55页NTFS文件系统每个对象在主文件分配表$MFT中都有一个条目-条目跟踪文件名，起始位置及任何碎片卷位图文件（$Bitmap）跟踪NTFS卷中簇的状态第34页/共55页NTFS文件系统第35页/共55页NTFS文件系统第36页/共55页创建文件(NTFS文件系统)文件创建过程在$MFT创建条目数据写入到已分配区块文件占用的簇的信息写入到$Bitmap第37页/共55页创建文件(NTFS)MFTMFT表表数据区域数据区域簇簇ClusterClusterClusterClusterTest.docTest.docTest.docTest.docFunny.pdfFunny.pdfFunn

11、y.pdfFunny.pdf第38页/共55页删除文件(NTFS)文件删除时$MFT中的记录被标记为可重新利用文件的数据内容没有改变，仍在原处第39页/共55页删除文件(NTFS)MFTMFT表表数据区域数据区域Funny.pdfFunny.pdfFunny.pdfFunny.pdf删除文件删除文件第40页/共55页文件残留区(File Slack)当文件写入时，操作系统分配足够的簇来存储数据。任何没有被数据“填充”的空间任然被标记为已分配扇区扇区1 1扇区扇区2 2扇区扇区3 3扇区扇区4 4以下以下4 4个扇区形成个扇区形成1 1个个20482048字节的簇字节的簇第41页/共55页文件残

12、留区文件残留区：在磁盘文件尾部和簇尾部之间的区域1个724字节的文件要保存到某个分区(因此须提供1个簇的空间来存储该文件，即2048字节)Sector1Sector1Sector2Sector2Sector3Sector3Sector4Sector4文件文件残留区残留区第42页/共55页文件残留区逻辑大小=724 字节 物理大小=2048字节 文件残留区=1324字节 Sector1Sector1Sector2Sector2Sector3Sector3Sector4Sector4文件文件残留区残留区第43页/共55页课程内容硬盘的结构磁盘引导原理硬盘分区文件系统磁盘冗余阵列第44页/共55页磁

13、盘冗余阵列RAID Redundant Array of Independent(或Inexpensive)Disk的首字母缩写；中文名称是独立（廉价）磁盘冗余阵列 RAID早期主要应用：提供高端的存储功能和数据冗余安全第45页/共55页磁盘冗余阵列以RAID级别标准划分，可分为：RAID 0、RAID 1、RAID 2、RAID 3、RAID 4、RAID 5、RAID 6常用到有：RAID 0RAID 1RAID 10RAID 5第46页/共55页RAID 0条块单位 block存储能力=N第47页/共55页RAID 1镜象磁盘储存能力=N/2第48页/共55页RAID 3条块单位 byt

14、e，独立校验盘储存能力=N-1第49页/共55页异或运算(XOR)XOR（异或运算）是数理逻辑的基本运算之一。XOR用来进行RAID奇偶校验，可以通过预先计算的校验值来重建数据的方法XOR 应用在 RAID 3、RAID 4、RAID 5、RAID 6中bit1bit2xor 结果011000110101第50页/共55页RAID 4条块单位 Block，独立校验盘储存能力=N-1第51页/共55页RAID 5条块单位 Block，校验信息分布储存储存能力=N-1第52页/共55页RAID 6条块单位 Block，比 RAID5 增加一个校验盘储存能力=N2第53页/共55页小结第54页/共55页感谢您的观看！第55页/共55页