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硬盘数据结构之新手所见
初学电脑者都或多或少地接触到一些硬盘数据结构的基础知识，如磁道、扇区、簇；分区、主分区、扩展分区；分区表、文件分配表、目录表等等，如是这样名称繁多，内容复杂，且理论性极强，通常被搞得一头雾水，半知半解。记得我以前看完一篇介绍硬盘数据结构的文章，往往又被另一篇文章所迷惑，不知读者是否有同感？现在我想在这集百家思想，以新手眼光谈谈自己学习硬盘数据结构的心得，与各位相互交流（本文仅供参考）。
首先，我们必须了解硬盘数据结构的最基本知识。硬盘的简易结构如图1所示，它是由数量不等的坚硬金属材料制成并涂以磁性介质的盘片组成。每个盘片都可以记录信息，并分成许多扇形的区域，这个区域就叫扇区，存放着若干字节的数据信息。同一盘片上不同半径的同心圆称为磁道，包括整圈数量的扇区，它由外圈从0开始编号。不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱则叫作柱面。通常情况下，磁道和柱面可以互换使用，相应地它也由外圈从0开始编号。另外我们需要知道的是每个盘片的两面都可使用，每面皆有一个磁头来读写数据信息，习惯上用磁头号来区分，它从最上面盘片开始从0编号。扇区、磁道（或柱面）和磁头号构成硬盘数据位置的基本参数，一个硬盘有多少个磁头、磁道（或柱面）、扇区是根据硬盘本身的物理结构和操作系统的不同划分来确定的，但其空间计算公式不变：存储容量＝磁头数×磁道数（柱面数）×每道扇区数×每扇区字节数。
簇，也是一个相当重要的概念。它是操作系统进行文件分配的最小单位，由一定数量的扇区组成。即使只有一个字节的文件也要占有整个一簇。操作系统视不同的存储介质、不同容量的硬盘、不同需要来分配给簇不同数量的扇区。如我们熟悉的FAT16和FAT32硬盘格式中簇的大小并不相同。
由前面的介绍可知，我们用柱面/磁头/扇区来唯一定位磁盘上每一个区域，即柱面/磁头/扇区与磁盘上每一个扇区存在一一对应关系，这种表示法称为“绝对扇区”。但是操作系统并不能直接调用绝对扇区，而是用一个数字来代表某一扇区，如柱面140/磁头23/扇区4对应的数字为2757，这种数字与绝对扇区形成一一对应关系，这种数字表示法称为“相对扇区”。需要注意的是使用相对扇区编号时应从柱面0/磁头1/扇区1开始，第一个扇区编号为0，该磁道上剩余的扇区编号为1到16（假设每磁道分17个扇区），然后是磁头号为2，柱面为0的17个扇区，编号为17到33，直到该柱面剩余的所有磁头，接着再移到柱面1，磁头1，扇区1继续编号，即按扇区号、磁头号、柱面号增长的顺序进行编号。
好了，让我们理理头绪，对以上内容小结一下：
① 硬盘有数个盘片，每个盘片有两个面，每面有个磁头读写数据。
② 盘片被划分为多个扇形区域——扇区。
③ 半径相同的扇区组成磁道。
④ 不同盘片相同半径的磁道组成柱面。
⑤ 簇是操作系统进行文件分配的最小单位，包括数个扇区。
⑥ 柱面/磁头/扇区为绝对扇区，与它对应的数字则是相对扇区。
⑦ 相对扇区从柱面0/磁头1/扇区1开始按扇区号、磁头号、柱面号增长顺序进行编号，注意磁头0上的扇区不参与编号。
如果掌握了以上硬盘数据结构的相关基础知识，相信新手们对更深层次的硬盘数据结构知识学习会更容易些。硬盘一买来是不能直接存储数据的，必须将它分区、格式化，再安装操作系统才可以使用。分区、格式化，新手们肯定听说过，但主引导扇区、操作系统引导扇区、文件分配表、文件目录区、数据区及其间的相互关系可能就不甚清楚了。其实，硬盘数据结构如附图2所示，分为以上的五个部分。其中只有主引导扇区是唯一的，其它的随你的分区数增加而增加。下面，我来分别地详细说明它们。
主引导扇区，位于整个硬盘的0柱面0磁头1扇区，包括硬盘主引导记录MBR（Main Boot Record）和分区表DPT（Disk Partition Table）。其中主引导记录包括主引导程序，作用是检查分区表是否正确以及确定哪个分区为引导分区，并在程序结束时把该分区的启动程序（也就是操作系统引导扇区）调入内存加以执行。分区表位于本扇区最末端，以80H或00H为开始标志，以55AAH为结束标志，共64字节，记录了硬盘各分区大小，起始位置，是否为引导分区等重要信息。主引导扇区由分区程序（如DOS的Fdisk）产生，作用非常关键，它的错误直接导致硬盘分区信息丢失、电脑不能启动等严重后果。因此我们要对其进行必要的备份,另外某些时候可用Fdisk/MBR命令对其修复。
操作系统引导扇区OBR(OS Boot Record)，通常位于硬盘的0柱面1磁头1扇区，是操作系统可直接访问的第一个扇区。它也包括一个引导记录和一个被称为BPB（Bios Parameter Block）的本分区参数记录表。请注意，每个分区（包括系统主分区、逻辑分区）都有一个操作系统引导扇区（位于本分区的第一个扇区）。引导记录中的引导程序主要任务就是判断本分区根目录下是否有操作系统的引导文件，如有则把引导文件读入内存，并把控制权交予该文件。BPB参数表记录着本分区的起始和结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、分配单元（簇）大小等重要参数。OBR是由高级格式化程序（如DOS的Format）产生，随操作系统不同而不同。
文件分配表FAT（File Allocation Table），位于各分区的系统引导扇区之后，是系统的文件寻址系统。其大小由本分区的大小及文件分配单元——簇的大小决定。为了数据安全，FAT一般有两个，第二个FAT在第一个FAT损坏后用以修复。FAT记录着本分区所有簇的使用情况。操作系统在给一个文件分配空间时总是先扫描FAT，找到第一个可用簇，将该空间分配给文件，并把该簇号填到目录表DIR的相应段内，接着继续记录该文件占用簇号，直至结束标志。
目录区DIR（Directory），位于第二个FAT之后。它记录着所有文件、子目录名、扩展名属性、建立或删除修改日期、文件开始簇号及文件大小等重要的文件信息。只有FAT还不能定位文件在磁盘中的位置，还必须和DIR配合才能准确定位文件的位置。详细过程是，操作系统从目录表中读取文件信息（包括文件名、后缀名、大小、修改日期及文件在数据区保存的第一个簇的簇号），从第一个簇读取数据，然后再找到FAT中相应的单元，获取文件占用的下一个簇的簇号并读取数据，直至遇到FAT中的文件结束标志。
数据区DATA，位于本分区的目录表DIR之后，存放着真正意义上的文件数据信息。没有什么可谈的，但有一点要说明的是，在删除文件时并没有把DATA区的文件数据清除，而是在目录区中标记删除标志，直至后来有文件覆盖。因此我们可以利用这一点在覆盖前恢复被删除的文件，甚至包括回收站里已被清空的文件。
让我们也对以上内容进行要点小结：
① 主引导扇区是唯一的，其他部分随分区数增加而增加。
② 文件分配表有两个，它必须和目录表配合，操作系统才能读写文件。
③ 删除的数据在被覆盖前可以恢复。
最后，我还想谈谈硬盘分区的主分区、扩展分区和逻辑分区的概念及其相互关系。主分区是一个单纯的分区，通常位于硬盘的最前面一块区域。在这块区域中不允许再创建其他逻辑分区。由于硬盘仅仅为分区表保留了64个直接的存储空间，而每个分区的参数占据16个字节，故主引导扇区总计可以存储4个分区的数据，这样往往不能满足实际需求。为了建立更多的分区供操作系统使用，则引入了扩展分区的概念。严格意义上讲，扩展分区并不是一个实际意义上的分区，它仅仅是一个指向下一个逻辑分区的指针，这种指针结构形成一个单向链表。这样在主引导扇区中除主分区外，仅需要存储一个扩展分区的分区参数。通过这个扩展分区的数据可以找到下一个逻辑分区的起始位置，依次类推找到所有的逻辑分区。三种分区的大致关系见附图2。
至此，硬盘数据结构基础知识的介绍告一段落。注意，本文所涉及的硬盘知识是建立于微软操作系统DOS及Windows系列基础之上的，其他操作系统的硬盘数据结构不尽相同。限于本人水平及篇幅所限，有些问题没能讲清说透，甚至可能有误，真诚希望各位读者不吝赐教。我的E－mail：we2go@。

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