2.2 现代硬盘的逻辑结构揭秘

要想深入了解数据恢复的理论知识，除了需要掌握硬盘的物理结构，还必须深入了解硬盘的逻辑结构。

当我们通过操作系统访问文件时，操作系统需要读取硬盘相应的位置来调用我们访问的文件，那么这些文件是如何在盘片上分布的呢？这就是由盘片上相关的一些逻辑参数所决定的。

硬盘的盘片都具有类似的格式，被划分为几个区域，这些区域称为磁道、扇区、柱面，硬盘就是利用这几个参数对数据进行寻址的。

2.2.1 硬盘的逻辑磁道

磁盘在出厂前，厂家会对盘片进行格式化，盘片被划分成许多同心圆，这些同心圆就叫做磁道（Track），如图2-37所示。

现在的大硬盘每一个盘面上都有上万个磁道，为便于管理，这些磁道都有一个编号，在逻辑上磁道从外向内自0开始顺序编号。

2.2.2 硬盘的逻辑扇区

盘面上的每个磁道都被划分成一段段的圆弧，每段圆弧叫做一个扇区，如图2-38所示。在逻辑上扇区从“1”开始编号，它是硬盘存储的最小单位，扇区中的数据是作为一个单元同时读出或写入的，逻辑每个扇区包括512字节的数据和一些其他信息。

操作系统是以扇区的形式将信息存储在硬盘上的，一个扇区有两个主要部分：存储扇区地址的标识符和存储数据的数据区，其结构如图2-39所示。

在计算机系统BIOS中断13H的入口参数中，扇区地址占用寄存器中的6位，其值为1H～3FH，所以逻辑上扇区编号为1～63，也就是说每个磁道包含63个扇区。

2.2.3 硬盘的逻辑柱面

柱面是指各个盘面上编号相同的磁道构成的整体，如图2-40所示。在逻辑上，柱面的编号是和磁道的编号相统一的，都是从外向内自0开始顺序编号。

数据的读/写是按柱面进行的，即磁头在读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后才移动磁头转移到下一柱面。这样操作的原因是因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换速度非常快，比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多，所以数据的读/写是按柱面来进行的，而不是按盘面来进行的。

在计算机系统BIOS中断13H的入口参数中，柱面地址占用寄存器中的10位，所以柱面号为0～1023，其低8位单独占用一个寄存器，高两位与扇区地址共用一个寄存器，占用共用寄存器中的高两位。所以在逻辑上柱面数为1024个，也就是说在这种寄存模式下，每个硬盘最多包含1024个柱面。

2.2.4 硬盘的逻辑磁头

硬盘中都会有一个或者多个盘片，每一个盘片又有两个盘面，即上盘面和下盘面，每一个盘面都有一个盘面号，逻辑上按顺序从上而下自“0”开始依次编号。

盘片是用来存储数据的，那么数据是如何写到盘片上去的呢？这个工作是由磁头来完成的。硬盘的每个盘面都会对应一个磁头，所以在硬盘系统中，逻辑盘面号也可称为逻辑磁头号，就是因为每一个有效盘面都有一个对应的读/写磁头。

在计算机系统BIOS中断13H的入口参数中，磁头地址占用寄存器中的8位，其值为0H～FEH，所以磁头号为0～254，也就是说在这种寄存模式下，每个硬盘逻辑上包含255个磁头。

2.2.5 硬盘的逻辑C/H/S

硬盘是通过磁头、柱面和扇区进行寻址的，也就是C/H/S。之前我们谈到过物理C/H/S，那是硬盘内部的地址，而对于计算机系统和程序来讲，需要使用逻辑C/H/S访问硬盘。在计算机系统BIOS中断13H的入口参数中，磁头寄存器占8位，其值为0H～FEH，所以磁头号为0～254。柱面地址是10位，所以柱面号为0～1023，其低8位单独占用一个寄存器，高两位与扇区地址共用一个寄存器，占用共用寄存器中的高两位。扇区地址占用共用寄存器中的低6位，其值为1H～3FH，所以扇区编号为1～63。按照这种地址管理模式，逻辑C/H/S的最大取值为1023/254/63，因为逻辑C/H/S的初始值分别为0/0/1，所以逻辑C/H/S能够管理的逻辑柱面、磁头、扇区的个数分别为1024、255、63，这样就可以算出逻辑C/H/S能够管理的扇区总数：1024×255×63=16 450 560，把这个数值换算为GB的结果约等于8GB，这也是逻辑C/H/S能够管理的最大空间。

2.2.6 硬盘的28位LBA及48位LBA

LBA全称为Logic Block Address，即扇区的逻辑块地址。

由于INT 13的限制，逻辑C/H/S地址能访问的最大值硬盘空间为8GB，在系统管理地址时还需要去记录烦琐的C/H/S，使得访问效率非常低，这样就引入了LBA的概念。在LBA方式下，系统把所有的物理扇区都按照某种规则看做是一线性编号的扇区，即从0到某个最大值方式排列，并连成一条线，把LBA作为一个整体来对待，而不再是具体的实际的C/H/S值，这样只用一个序数就确定了一个唯一的物理扇区，这就是线性地址扇区的由来。显然线性地址是物理扇区的逻辑地址。

LBA地址最初被定义为28位的大小，所以能够管理的扇区总数为228-1，即268 435 455个扇区，换算为GB大约等于137GB，这也是硬盘曾经的一个容量限制值。在BIOS中引入LBA模式时硬盘的容量只有几GB，137GB在当时是不可企及的，然而硬盘容量的发展速度的确超乎了人们了想象，目前2000GB的硬盘已经在市场上销售了。

Technical Committee T13组织为了解决28位LBA寻址模式的限制，对于ATA/ATAPI-6标准进行了一些修改，通过48位LBA来支持更多的扇区，从而突破这一限制。Compaq、Microsoft、Maxtor联合推出的Big Drives规范就是以T13组织提出的48位方案为基础，将原来LBA寻址寄存器从24位提高到了48位，使其寻址的扇区数达到281 474 976 710 655，这样可支持的硬盘容量就达到了281 474 976 710 655×512=144 115 188 075 855 872字节，大致相当于144PB（以1PB=1000 000GB来算）。

关于硬盘容量的大小，很多人可能会感到迷惑，为什么同一块硬盘，有时显示或报为200GB，有时却只有186GB？这主要是换算方法不统一造成的，如1MB到底代表1 000 000字节还是代表1 048 576字节呢？硬盘厂家对硬盘上标称的容量一般都是按1MB=1 000 000字节计算的，而依据计算机表示数据的特点、数制的表示方式及计算机本身的运算方式，硬盘容量单位是以2的多少次方来表示的，即以KB（KiloByte）、MB（MegaByte）、GB（GigaByte）、TB（TeraByte）、PB（PetaByte）、EB（ExaByte）、ZB（ZettaByte）、YB（YottaByte）为单位，各种单位之间的换算关系如下：

1KB=210B=1024B

1MB=210KB=220B=1 048 576B

1GB=210MB=220KB=230B=1 073 741 824B

1TB=210GB=220MB=230KB=240B=1 099 511 627 776B

1PB=210TB=220GB=230MB=240KB=250B=1 125 899 906 842 624B

1EB=210PB=220TB=230GB=240MB=250KB=260B=1 152 921 504 606 846 976B

1ZB=210EB=220PB=230TB=240GB=250MB=260KB=270B=1 180 591 620 717 411 303 424B

1YB=210ZB=220EB=230PB=240TB=250GB=260MB=270KB=280B=1 208 925 819 614 629 174 706 176B