數據在磁盤上的布局

 做存儲和計算機架構的研發人員需要深入理解數據在磁盤上的分布，只有這樣當系統出現故障的時候才能手動進行系統恢復。目前，磁盤的容量越來越大，故障率越來越高，當故障發生之后需要對磁盤數據進行恢復，磁盤數據的恢復不僅要了解分區等基本的磁盤數據布局，而且需要知道文件系統在磁盤上的數據分布。這里首先討論分區等系統基本數據在磁盤上的分布。

分區

DOS分區

DOS分區是目前常用的一種分區方式，其磁盤數據分布描述如下：

第一個扇區是主引導分區MBR，MBR描述了磁盤分區的結構，MBR的內容包括引導代碼和分區表信息，最后以標志0xaa55結尾。

MBR中的引導代碼是在BIOS啟動之后首先得到運行的代碼，通常引導代碼會檢查磁盤分區表，并且判斷哪個分區是啟動分區，找到那個啟動分區之后，然后從啟動分區引導操作系統。

DOS分區規定了四個主分區，每個分區最大可以描述2TB的磁盤空間。當磁盤容量增大后，需要采用擴展分區滿足應用需求，擴展分區就是在主分區描述的空間中再建分區信息表。在四個主分區中，只能存在一個active的分區，該分區即為啟動分區。

GPT分區

由于巨磁阻效應的發現，磁盤的容量日益增大，DOS分區存在2TB上限的問題，不能滿足日益增長的大分區需求，因此，微軟推出了GPT（GUID Partition Table），該分區表的磁盤結構如下圖所示。

第一部分是保留MBR，占用一個扇區；第二部分是EFI信息，該部分占用一個扇區，該頭描述了分布區的位置信息；第三部分是 分區表，一共占用32個扇區，每個分區表項占用128字節，因此，最多可以容納128個分區表項；第四部分是分區區域；為了提高可靠性，第五部分為分區表備份區域，占用整個磁盤的最后32個扇區。

Bootload在哪里？

知道磁盤的分區信息之后，我們通常會關注操作系統的bootloader具體在哪里？以Linux為例，bootloader通常為grub，嵌入式系統通常采用uboot，這里以grub為例，grub功能比較強大。在安裝操作系統的時候，grub就被安裝在了boot分區。在Linux中的/boot目錄就包含了grub文件和操作系統p_w_picpath文件。

Grub是支持文件系統的，在/boot/grub目錄中存在e2fs_stage1_5、xfs_stage1_5等文件，這些文件統稱為stage1.5，其實就是各個不同文件系統的驅動。這里簡要介紹一下grub的構成。Grub的啟動文件分為stage1和stage2兩大部分，stage1是在grub安裝的時候由grub拷貝到MBR中的，由于MBR的大小是512字節，因此，stage1文件大小為512字節。Stage1的作用是引導stage2，由于stage2存儲在boot 上，其具有文件系統格式，而stage1程序不能很大，因此，無法識別boot分區文件系統，只能采用了程序表的方式在stage1中存儲stage2文件和stage1.5文件的位置。

對于grub而言，由于需要獲取stage2文件，所以，需要修改MBR中的引導程序，所以，在安裝操作系統的時候，grub被安裝在了boot分區和MBR中。

系統如何啟動？

熟悉磁盤數據分布對系統啟動過程的了解有一定幫助，在此簡要描述一下系統啟動過程。

1， 系統上電之后，直接將BIOS程序導入內存進行運行，BIOS程序會掃描硬件，并且實現一些基本硬件的驅動（例如PCI掃描）和自檢操作。BIOS程序會掃描系統中的啟動硬盤，一旦發現一個可以啟動的硬盤，BIOS會將啟動硬盤內MBR中的引導程序裝載入內存，并且將CPU交給引導程序。

2， MBR中的引導程序會進行分區表檢查，由于該引導程序是grub安裝時更新過的，其實際就是grub的stage1程序。當所有事情完成之后，引導程序會通過固定地址的方式將啟動分區中的grub stage2程序裝載入內存，并且將CPU交給stage2程序。

3， Stage2程序是grub的主體，其可以識別文件系統。boot分區上有文件系統，這是由用戶在安裝操作系統時候格式化的，grub會將boot分區mount，這樣可以很容易的找到Linux操作系統的鏡像文件，在grub運行過程中，有些系統需要一些特殊的驅動，例如，系統根文件系統建立在一個特殊的軟RAID之上，那么在啟動Linux操作系統之前需要加載特殊的軟RAID驅動。為了達到這個目的，可以采用ramdisk的方式為Linux操作系統預加載驅動，ramdisk文件可以在grub配置文件中指定。Grub 完成一些預加載操作，并且將Linux內核加載入內存，然后將CPU資源釋放給Linux內核。

4， 此時Linux內核開始運行，由于grub已經預加載了一些驅動，因此，Linux也能看到一些特殊的設備，然后Linux會做root switch操作，掛載真正的根文件系統。如果BIOS已經為PCI等設備分配了資源，那么Linux可以直接采用，當然也可以對PCI總線進行重新掃描，并且加載驅動程序。由于根文件系統已經加載，因此，Linux可以根據/etc/inittab啟動各種服務，至此Linux系統基本啟動完畢。

本文概述了分區以及bootloader在磁盤中的數據分布，對于存儲系統而言，這是最基本的。