硬盘存储数据的形式原理是什么？？

硬盘的数据结构

1．MBR区

　　MBR(Main Boot Record 主引导记录区)�位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区。不过，在总共512字节的主引导扇区中，MBR只占用了其中的446个字节，另外的64个字节交给了DPT(Disk Partition Table硬盘分区表)(见表)，最后两个字节“55，AA”是分区的结束标志。这个整体构成了硬盘的主引导扇区。(图)

　　主引导记录中包含了硬盘的一系列参数和一段引导程序。其中的硬盘引导程序的主要作用是检查分区表是否正确并且在系统硬件完成自检以后引导具有激活标志的分区上的操作系统，并将控制权交给启动程序。MBR是由分区程序(如Fdisk．exe)所产生的，它不依赖任何操作系统，而且硬盘引导程序也是可以改变的，从而实现多系统共存。

　　下面，我们以一个实例让大家更直观地来了解主引导记录：

　　例：80 01 01 00 0B FE BF FC 3F 00 00 00 7E 86 BB 00

　　在这里我们可以看到，最前面的“80”是一个分区的激活标志，表示系统可引导；“01 01 00”表示分区开始的磁头号为01，开始的扇区号为01，开始的柱面号为00；“0B”表示分区的系统类型是FAT32，其他比较常用的有04(FAT16)、07(NTFS)；“FE BF FC”表示分区结束的磁头号为254，分区结束的扇区号为63、分区结束的柱面号为764；“3F 00 00 00”表示首扇区的相对扇区号为63；“7E 86 BB 00”表示总扇区数为12289622。

2．DBR区

　　DBR(Dos Boot Record)是操作系统引导记录区的意思。它通常位于硬盘的0磁道1柱面1扇区，是操作系统可以直接访问的第一个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为BPB(Bios Parameter Block)的本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区跟目录前两个文件是不是操作系统的引导文件(以DOS为例，即是Io．sys和Msdos．sys)。如果确定存在，就把它读入内存，并把控制权 交给该文件。BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数，分配单元的大小等重要参数。DBR是由高级格式化程序(即Format．com等程序)所产生的。

3．FAT区

　　在DBR之后的是我们比较熟悉的FAT(File Allocation Table文件分配表)区。在解释文件分配表的概念之前，我们先来谈谈簇(Cluster)的概念。文件占用磁盘空间时，基本单位不是字节而是簇。一般情况下，软盘每簇是1个扇区，硬盘每簇的扇区数与硬盘的总容量大小有关，可能是4、8、16、32、64……

　　同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，而往往会分成若干段，像一条链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。由于硬盘上保存着段与段之间的连接信息(即FAT)，操作系统在读取文件时，总是能够准确地找到各段的位置并正确读出。

　　为了实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号。对一个文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，表中有很多表项，每项记录一个簇的信息。由于FAT对于文件管理的重要性，所以FAT有一个备份，即在原FAT的后面再建一个同样的FAT。初形成的FAT中所有项都标明为“未占用”，但如果磁盘有局部损坏，那么格式化程序会检测出损坏的簇，在相应的项中标为“坏簇”，以后存文件时就不会再使用这个簇了。FAT的项数与硬盘上的总簇数相当，每一项占用的字节数也要与总簇数相适应，因为其中需要存放簇号。FAT的格式有多种，最为常见的是FAT16和FAT32。

4．DIR区

　　DIR(Directory)是根目录区，紧接着第二FAT表(即备份的FAT表)之后，记录着根目录下每个文件(目录)的起始单元，文件的属性等。定位文件位置时，操作系统根据DIR中的起始单元，结合FAT表就可以知道文件在硬盘中的具体位置和大小了。

5．数据(DATA)区

　　数据区是真正意义上的数据存储的地方，位于DIR区之后，占据硬盘上的大部分数据空间。

磁盘的文件系统
　　经常听高手们说到FAT16、FAT32、NTFS等名词，朋友们可能隐约知道这是文件系统的意思。可是，究竟这么多文件系统分别代表什么含义呢？今天，我们就一起来学习学习：

　　1.什么是文件系统？
　　所谓文件系统，它是操作系统中藉以组织、存储和命名文件的结构。磁盘或分区和它所包括的文件系统的不同是很重要的，大部分应用程序都基于文件系统进行操作，在不同种文件系统上是不能工作的。

　　2.文件系统大家族
　　常用的文件系统有很多，MS-DOS和Windows 3.x使用FAT16文件系统，默认情况下Windows 98也使用FAT16，Windows 98和Me可以同时支持FAT16、FAT32两种文件系统，Windows NT则支持FAT16、NTFS两种文件系统，Windows 2000可以支持FAT16、FAT32、NTFS三种文件系统，Linux则可以支持多种文件系统，如FAT16、FAT32、NTFS、Minix、ext、ext2、xiafs、HPFS、VFAT等，不过Linux一般都使用ext2文件系统。下面，笔者就简要介绍这些文件系统的有关情况：

　　(1)FAT16
　　FAT的全称是“File Allocation Table(文件分配表系统)”，最早于1982年开始应用于MS-DOS中。FAT文件系统主要的优点就是它可以允许多种操作系统访问，如MS-DOS、Windows 3.x、Windows 9x、Windows NT和OS/2等。这一文件系统在使用时遵循8.3命名规则(即文件名最多为8个字符，扩展名为3个字符)。

　　(2)VFAT
　　VFAT是“扩展文件分配表系统”的意思，主要应用于在Windows 95中。它对FAT16文件系统进行扩展，并提供支持长文件名，文件名可长达255个字符，VFAT仍保留有扩展名，而且支持文件日期和时间属性，为每个文件保留了文件创建日期/时间、文件最近被修改的日期/时间和文件最近被打开的日期/时间这三个日期/时间。

　　(3)FAT32
　　FAT32主要应用于Windows 98系统，它可以增强磁盘性能并增加可用磁盘空间。因为与FAT16相比，它的一个簇的大小要比FAT16小很多，所以可以节省磁盘空间。而且它支持2G以上的分区大小。朋友们从附表中可以看出FAT16与FAT32的一不同。

　　(4)HPFS
　　高性能文件系统。OS/2的高性能文件系统(HPFS)主要克服了FAT文件系统不适合于高档操作系统这一缺点，HPFS支持长文件名，比FAT文件系统有更强的纠错能力。Windows NT也支持HPFS，使得从OS/2到Windows NT的过渡更为容易。HPFS和NTFS有包括长文件名在内的许多相同特性，但使用可靠性较差。

　　(5)NTFS
　　NTFS是专用于Windows NT/2000操作系统的高级文件系统，它支持文件系统故障恢复，尤其是大存储媒体、长文件名。NTFS的主要弱点是它只能被Windows NT/2000所识别，虽然它可以读取FAT文件系统和HPFS文件系统的文件，但其文件却不能被FAT文件系统和HPFS文件系统所存取，因此兼容性方面比较成问题。

　　ext2
　　这是Linux中使用最多的一种文件系统，因为它是专门为Linux设计，拥有最快的速度和最小的CPU占用率。ext2既可以用于标准的块设备(如硬盘)，也被应用在软盘等移动存储设备上。现在已经有新一代的Linux文件系统如SGI公司的XFS、ReiserFS、ext3文件系统等出现。

　　小结：虽然上面笔者介绍了6种文件系统，但占统治地位的却是FAT16/32、NTFS等少数几种，使用最多的当然就是FAT32啦。只要在“我的电脑”中右击某个驱动器的属性，就可以在“常规”选项中(图)看到所使用的文件系统。

明明白白识别硬盘编号
目前，电子市场上硬盘品牌最让大家熟悉的无非是IBM、昆腾(Quantum)、希捷(Seagate),迈拓(Maxtor)等“老字号”。而这些硬盘型号的编号则各不相同，令人眼花缭乱。其实，这些编号均有一定的规律，表示一些特定?的含义。一般来说，我们可以从其编号来了解硬盘的性能指标，包括接口?类型、转速、容量等。作为DIY朋友来说，只有自己真正掌握正确识别硬盘编号，在选购硬盘时，就方便得多(以致不被“黑”)，至少不会被卖的人说啥是啥。以下举例说明，供朋友们参考。

一、IBM
IBM是硬盘业的巨头，其产品几乎涵盖了所有硬盘领域。而且IBM还是去年硬盘容量、价格战的始作蛹者。我们今天能够用得上经济上既便宜，而且容量又大的硬盘可都得感谢IBM。
IBM的每一个产品又分为多个系列，它的命名方式为：产品名＋系列代号＋接口类型＋盘片尺寸＋转速＋容量。以Deskstar 22GXP的13.5GB硬盘为例，该硬盘的型号为：DJNA－371350，字母D代表Deskstar产品，JN代表Deskstar25GP与22GP系列，A代表ATA接口，3代表3寸盘片，7是7200转产品，最后四位数字为硬盘容量13.5GB。IBM系列代号(IDE)含义如下：
TT=Deskstar 16GP或14GXP JN=Deskstar 25GP或22GXP RV=Ultrastar 18LZX或36ZX
接口类型含义如下：A＝ATA
S与U＝Ultra SCSI、Ultra SCSI Wide、Ultra SCSI SCA、增强型SCSI、
增强扩展型SCSI（SCA）
C＝Serial Storage Architecture连续存储体系SCSI L＝光纤通道SCSI

二、MAXTOR(迈拓)
MAXTOR是韩国现代电子美国公司的一个独立子公司，以前该公司的产品也覆盖了IDE与SCSI两个方面，但由于SCSI方面的产品缺乏竟争力而最终放弃了这个高端市场从而主攻IDE硬盘，所以MAXTOR公司应该是如今硬盘厂商中最专一的了。
MAXTOR硬盘编号规则如下：首位＋容量＋接口类型＋磁头数，MAXTOR?从钻石四代开始，其首位数字就为9，一直延续到现在，所以大家如今能在电子市场上见到的MAXTOR硬盘首位基本上都为9。另外比较特殊的是MAXTOR编号中有磁头数这一概念，因为MAXTOR硬盘是大打单碟容量的发起人，所以其硬盘的型号中要将单碟容量从磁头数中体现出来。单碟容量＝2*硬盘总容量/磁头数。
现以金钻三代(DiamondMax Plus6800)10.2GB的硬盘为例说明：该硬盘?型号为91024U3，9是首位，1024是容量，U是接口类型UDMA66，3代表该硬盘有3个磁头，也就是说其中的一个盘片是单面有数据。这个单碟容量就为2*10.2/3=6.8GB。MAXTOR硬盘接口类型字母含义如：
A＝PIO模式 D＝UDMA33模式 U＝UDMA66模式

三、SEAGATE(希捷)
希捷科技公司(Seagate Technology)是世界上最大的磁盘驱动器、磁?盘和读写磁头生产厂家，该公司是一直是IBM、COMPAQ、SONY等业界大户的硬盘供应商。希捷还保持着业界第一款10000转硬盘的记录(捷豹Cheetah系列SCSI)与最大容量(捷豹三代73GB)的记录，公司的实力由此可见一斑。但?由于希捷一直是以高端应用为主(例如SCSI硬盘)，而并不是特别重视低端家用产品的开发，从而导致在DIY一族心目中的地位不如昆腾等硬盘供应商?。好在希捷公司及时注意到了这个问题，不久前投入市场的酷鱼(Barracuda)系列就一扫希捷硬盘以往在单碟容量、转速、噪音、非正常外频下工作稳?定性、综合性能上的劣势。
希捷的硬盘系列从低端到高端的产品名称分别为：U4系列、Medalist(金牌)系列、U8系列、Medalist Pro(金牌Pro)系列、Barracuda(酷鱼)系列。其中Medalist Pro与Barracuda系列是7200转的产品，其他的是5400转的产品。硬盘的型号均以ST开头，现以酷鱼10.2GB硬盘为例来说明。该硬盘的型号是：ST310220A，在ST后第一位数字是代表硬盘的尺寸，3就是该硬盘采用3寸盘片，如今其他规格的硬盘已基本上没有了，所以大家能够见到?的绝大多数硬盘该位数字均不3，3后面的1022代表的是该硬盘的格式化容量是10.22GB，最后一位数字0是代表7200转产品。这一点不要混淆与希捷以前的入门级产品Medalist ST38420A混淆。多数希捷的Medalist Pro系列开始，以结尾的产品均代表7200转硬盘，其它数字结尾(包括1、2)代表5400转的产品。位于型号最后的字母是硬盘的接口类型。希捷硬盘的接口类型字母含义如下：
A=ATA UDMA33或UDMA66 IDE接口 AG为笔记本电脑专用的ATA接口硬盘。
W为ULTRA Wide SCSI，
其数据传输率为40MB每秒 N为ULTRA Narrow SCSI，其数据传输率为20MB每秒。
而ST34501W/FC和ST19101N/FC中的FC(Fibre Channel)表示光纤通道，可提供高达每秒100MB的数据传输率，并且支持热插拔。

硬盘及接口标准的发展历史
一、硬盘的历史
说起硬盘的历史，我们不能不首先提到蓝色巨人IBM所发挥的重要作用，正是IBM发明了硬盘，并且为硬盘的发展做出了一系列重大贡献。在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个大缺陷：它们都是顺序存储，为了读取后面的数据，必须从头开始读，无法实现随机存取数据。
在1956年9月，IBM向世界展示了第一台商用硬盘IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control），这套系统的总容量只有5MB，却是使用了50个直径为24英寸的磁盘组成的庞然大物。而在1968年IBM公司又首次提出了“温彻斯特”Winchester技术。“温彻斯特”技术的精髓是：“使用密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这便是现代硬盘的原型。在1973年IBM公司制造出第一台采用“温彻期特”技术制造的硬盘，从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础。1979年，IBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。70年代末与80年代初是微型计算机的萌芽时期，包括希捷、昆腾、迈拓在内的许多著名硬盘厂商都诞生于这一段时间。1979年，IBM的两位员工Alan Shugart和Finis Conner决定要开发像5.25英寸软驱那样大小的硬盘驱动器，他们离开IBM后组建了希捷公司，次年，希捷发布了第一款适合于微型计算机使用的硬盘，容量为5MB，体积与软驱相仿。
PC时代之前的硬盘系统都具有体积大、容量小、速度慢和价格昂贵的特点，这是因为当时计算机的应用范围还太小，技术与市场之间是一种相互制约的关系，使得包括存储业在内的整个计算机产业的发展都受到了限制。 80年代末期IBM对硬盘发展的又一项重大贡献，即发明了MR（Magneto Resistive)磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往20MB每英寸提高了数十倍。1991年IBM生产的3.5英寸的硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此硬盘容量开始进入了GB数量级的时代 。1999年9月7日，迈拓公司(Maxtor)_宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘，从而把硬盘的容量引入了一个新里程碑。

二、接口标准的发展
（1）IDE和EIDE的由来
最早的IBM PC并不带有硬盘，它的BIOS及DOS 1.0操作系统也不支持任何硬盘，因为系统的内存只有16KB，就连软驱和DOS都是可选件。后来DOS 2引入了子目录系统，并添加了对“大容量”存储设备的支持，于是一些公司开始出售供IBM PC使用的硬盘系统，这些硬盘与一块控制卡、一个独立的电源被一起装在一个外置的盒子里，并通过一条电缆与插在扩展槽中的一块适配器相连，为了使用这样的硬盘，必须从软驱启动，并加载一个专用设备驱动程序。
1983年IBM公司推出了PC/XT，虽然XT仍然使用8088 CPU，但配置却要高得多，加上了一个10MB的内置硬盘，IBM把控制卡的功能集成到一块接口控制卡上，构成了我们常说的硬盘控制器。其接口控制卡上有一块ROM芯片，其中存有硬盘读写程序，直到基于80286处理器的PC/AT的推出，硬盘接口控制程序才被加入到了主板的BIOS中。
PC/XT和PC/AT机器使用的硬盘被称为MFM硬盘或ST－506/412硬盘，MFM（Modified Frequency Modulation）是指一种编码方案，而ST－506/412则是希捷开发的一种硬盘接口，ST－506接口不需要任何特殊的电缆及接头，但是它支持的传输速度很低，因此到了1987年左右这种接口就基本上被淘汰了。
迈拓于1983年开发了ESDI（Enhanced Small Drive Interface）接口。这种接口把编解码器放在了硬盘本身之中，它的理论传输速度是ST－506的2～4倍。但由于成本比较高，九十年代后就逐步被淘汰掉了。
IDE（Integrated Drive Electronics）实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，这样减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE接口也叫ATA（Advanced Technology Attachment）接口。
ATA接口最初是在1986年由CDC、康柏和西部数据共同开发的，他们决定使用40芯的电缆，最早的IDE硬盘大小为5英寸，容量为40MB。ATA接口从80年代末期开始逐渐取代了其它老式接口。
80年代末期IBM发明了MR（Magneto Resistive）磁阻磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往的20MB/in2提高数十上百倍。1991年，IBM生产的3.5英寸硬盘0663－E12使用了MR磁头，容量首次达到了1GB，从此硬盘容量开始进入了GB数量级，直到今天，大多数硬盘仍然采用MR磁头。
人们在谈论硬盘时经常讲到PIO模式和DMA模式，它们是什么呢？目前硬盘与主机进行数据交换的方式有两种，一种是通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写；另外，一种是不经过CPU的DMA方式。
PIO模式即Programming Input/Output Model。这种模式使用PC I/O端口指令来传送所有的命令、状态和数据。由于驱动器中有多个缓冲区，对硬盘的读写一般采用I/O串操作指令，这种指令只需一次取指令就可以重复多次地完成I/O操作，因此，达到高的数据传输率是可能的。
DMA即Direct Memory Access。它表示数据不经过CPU，而直接在硬盘和内存之间传送。在多任务操作系统内，如OS/2、Linux、Windows NT等，当磁盘传输数据时，CPU可腾出时间来做其它事情，而在DOS/Windows3.X环境里，CPU不得不等待数据传输完毕，所以在这种情况下，DMA方式的意义并不大。
DMA方式有两种类型：第三方DMA（third－party DMA）和第一方DMA（first－party DMA）(或称总线主控DMA，Busmastering DMA)。第三方DMA通过系统主板上的DMA控制器的仲裁来获得总线和传输数据。而第一方DMA，则完全由接口卡上的逻辑电路来完成，当然这样就增加了总线主控接口的复杂性和成本。现在，所有较新的芯片组均支持总线主控DMA。
（2）SCSI接口
（Small Computer System Interface小型计算机系统接口）是一种与ATA完全不同的接口，它不是专门为硬盘设计的，而是一种总线型的系统接口，每个SCSI总线上可以连接包括SCSI控制卡在内的8个SCSI设备。SCSI的优势在于它支持多种设备，传输速率比ATA接口快得多但价格也很高，独立的总线使得它对CPU的占用率很低。 最早的SCSI是于1979年由美国的Shugart公司（Seagate希捷公司的前身）制订的，90年代初，SCSI发展到了SCSI－2，1995年推出了SCSI－3，其俗称Ultra SCSI， 1997年推出了Ultra 2 SCSI(Fast－40)，其采用了LVD（Low Voltage Differential，低电平微分）传输模式，16位的Ultra2SCSI(LVD)接口的最高传输速率可达80MB/S,允许接口电缆的最长为12米，大大增加了设备的灵活性。1998年，更高数据传输率的Ultra160/m SCSI(Wide下的Fast－80)规格正式公布，其最高数据传输率为160MB/s，昆腾推出的Atlas10K和Atlas四代等产品支持Ultra3 SCSI的Ultra160/m传输模式。
SCSI硬盘具备有非常优秀的传输性能。但由于大多数的主板并不内置SCSI接口，这就使得连接SCSI硬盘必须安装相应的SCSI卡，目前关于SCSI卡有三个正式标准，SCSI－1，SCSI－2和SCSI－3，以及一些中间版本，要使SCSI硬盘获得最佳性能就必须保证SCSI卡与SCSI硬盘版本一致（目前较新生产的SCSI硬盘和SCSI卡都是向前兼容的，不一定必须版本一致）。
（3）IEEE1394：IEEE1394又称为Firewire（火线）或P1394，它是一种高速串行总线，现有的IEEE1394标准支持100Mbps、200Mbps和400Mbps的传输速率，将来会达到800Mbps、1600Mbps、3200Mbps甚至更高，如此高的速率使得它可以作为硬盘、DVD、CD－ROM等大容量存储设备的接口。IEEE1394将来有望取代现有的SCSI总线和IDE接口，但是由于成本较高和技术上还不够成熟等原因，目前仍然只有少量使用IEEE1394接口的产品，硬盘就更少了。