考研笔记

磁盘的管理

疑问点：磁盘初始化的具体工作

磁盘初始化要做哪些事情。

一块刚出厂的磁盘，在能存文件之前要经过三道工序。 这三道工序层层递进、顺序不能颠倒，而统考真题几乎全部出在”某件事属于哪一道工序”上。

本节的全部难点就是把这三道工序的边界划清楚。

机制

第一道：低级格式化（物理格式化）

低级格式化把磁盘分成扇区，以便磁盘控制器能够读和写。

每个扇区被写成”头 + 数据区域 + 尾”的结构：数据区域通常是 512 字节；头和尾包含了一些磁盘控制器使用的信息，其中最重要的是扇区校验码（ECC）——每次写入时根据数据算出校验码写进尾部，每次读出时重新计算并比对，用来发现和纠正数据错误。

这一步由厂商完成，它确定的是”这块盘上有哪些扇区、每个扇区多大、校验码占几位”。 此时磁盘上还没有任何”分区”或”文件”的概念。

第二道：分区

将磁盘分成由一个或多个柱面组成的分区，每个分区可以作为一个独立的磁盘。

分区完成后，磁盘上会有一张分区表，记录每个分区的起止位置。4.3.2 讲的主引导记录 MBR 正是存放这张表的地方。

这一步确定的是”这块盘被切成几块，每块从哪到哪”。 此时每个分区里仍然是空白，没有文件系统。

第三道：逻辑格式化（高级格式化）

逻辑格式化在分区上创建文件系统，具体包括：建立文件系统的根目录、对保存空闲磁盘块信息的数据结构进行初始化（位示图或空闲链表）、建立引导块。

这一步之后，这个分区才真正可用。

三道工序的分工可以概括成一句话：

低级格式化管”扇区”，分区管”分区表”，逻辑格式化管”文件系统”。

引导块与启动过程

计算机启动时需要运行一个初始化程序（自举程序），它初始化 CPU、寄存器、设备控制器和内存，接着启动操作系统。

问题在于自举程序放在哪。 若整个放在 ROM 里，ROM 是只读的，自举程序一旦要更新就必须换芯片。

实际做法是把它拆成两段：ROM 中只存放很小的自举装入程序，它唯一的任务是把磁盘上的完整自举程序读进内存并执行；完整的自举程序则存放在磁盘的启动块上，位于磁盘的固定位置。

拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘。

这个两段式设计的好处是显然的：更新自举程序只需改写磁盘上的启动块，不必更换 ROM。

坏块管理

磁盘上难免出现无法正常读写的扇区，称为坏块。 处理方式随磁盘的复杂程度而不同：

简单的磁盘（如采用 FAT 的系统）在逻辑格式化时扫描出坏块，在 FAT 表中把对应表项标记为 BAD，此后分配程序就不会再用到它。这是一种软件层面的处理，对操作系统可见。

复杂的磁盘由磁盘控制器自己维护一张坏块链表，并在出厂低级格式化时就留出一些备用扇区。发现坏块时用备用扇区顶替，称为扇区备用；或者把后续扇区依次向后挪一位，称为扇区滑动。这种处理对操作系统完全透明——操作系统根本不知道发生了替换。

边界

引导扇区产生于哪一步

疑问点：操作系统引导扇区的产生时机

  1. 硬盘的操作系统引导扇区产生在（　）。 A. 对硬盘进行分区时　B. 对硬盘进行低级格式化时 C. 硬盘出厂时自带　D. 对硬盘进行高级格式化时

答案 D。

判据是”引导扇区属于文件系统的一部分吗”——答案是肯定的。 引导块要能被找到、要与这个分区上的文件系统配套（不同文件系统的引导代码不同），因此它只能在文件系统被创建时一并建立，即高级格式化（逻辑格式化）阶段。

逐项排除：B 低级格式化只划分扇区、写校验码，那时连分区都还没有，更谈不上”操作系统引导”；A 分区只是写分区表，划出地盘但里面仍是空白；C 出厂时自带的是低级格式化的结果，厂商不可能预知用户要装哪个操作系统。

逻辑格式化做哪些工作

疑问点：磁盘逻辑格式化程序所做的工作

30.【2017 统考真题】下列选项中，磁盘逻辑格式化程序所做的工作是（　）。 I. 对磁盘进行分区　II. 建立文件系统的根目录 III. 确定磁盘扇区校验码所占位数　IV. 对保存空闲磁盘块信息的数据结构进行初始化 A. 仅 II　B. 仅 II、IV　C. 仅 III、IV　D. 仅 I、II、IV

答案 B。 这道题是三道工序边界的直接考查，把每一项归位即可：

I 对磁盘进行分区——属于第二道工序，且它发生在逻辑格式化之前（先分好区，才能在某个分区上建文件系统）。不选。

II 建立文件系统的根目录——根目录是文件系统的组成部分，且它是路径解析的起点，必须在建立文件系统时创建。选。

III 确定磁盘扇区校验码所占位数——校验码写在扇区的头尾中，属于第一道工序低级格式化。不选。

IV 对保存空闲磁盘块信息的数据结构进行初始化——位示图或空闲链表是文件系统的组成部分，必须在建立文件系统时初始化（全部标记为空闲）。选。

记忆抓手：凡是与”文件系统”有关的（根目录、空闲空间管理、引导块）都是逻辑格式化；凡是与”扇区”有关的（校验码、扇区大小）都是低级格式化；凡是与”分区表”有关的都是分区。

低级格式化与逻辑格式化的对照

两者最容易混，把它们的”产物”和”执行者”并列就清楚了：

低级格式化的产物是”扇区”这个概念本身——在此之前磁盘上只有连续的磁性介质，之后才有了可寻址的扇区。通常由厂商完成。

逻辑格式化的产物是”文件系统”——在此之前分区里只是一堆可用的扇区，之后才有了根目录、空闲空间表、引导块。由用户或安装程序完成。

一个额外的推论：低级格式化会真正抹掉数据（重写每个扇区的头尾），而日常说的”格式化 U 盘”通常只是逻辑格式化——它只重建文件系统结构，原有数据其实还在扇区里，这正是数据恢复软件能够工作的原因。

两种坏块处理方式对操作系统的可见性

这条对照的价值在于说明”抽象层次”：

FAT 标记 BAD 的做法，坏块对操作系统是可见的——文件系统知道哪些块不能用，并主动避开。

扇区备用/扇区滑动的做法，坏块对操作系统完全不可见——控制器在内部悄悄换了一个物理扇区，操作系统看到的仍是那个逻辑扇区号，读写照常成功。

后一种做法把问题解决在了更低的层次，因此上层什么都不用改。 这与 5.3.4 中固态硬盘的闪存翻译层是同一种思路——在硬件内部做一层映射，向上呈现一个理想化的设备。

对照速查

三道工序产物谁做关键内容
① 低级格式化（物理格式化）扇区通常厂商头 + 数据区(512B) + 尾；扇区校验码 ECC
② 分区分区表用户把磁盘切成若干柱面组
③ 逻辑格式化（高级格式化）文件系统用户/安装程序根目录、空闲空间数据结构、引导块
一件事归哪道工序
确定扇区校验码位数① 低级格式化
对磁盘进行分区② 分区
建立文件系统的根目录③ 逻辑格式化
初始化空闲磁盘块数据结构③ 逻辑格式化
产生操作系统引导扇区③ 逻辑格式化
自举程序位置理由
自举装入程序（很小）ROM开机时必须已经存在
完整的自举程序磁盘的启动块更新时不必更换 ROM
坏块处理做法对操作系统
FAT 标记 BAD逻辑格式化时扫描并标记可见
扇区备用 / 扇区滑动控制器用备用扇区顶替完全透明

考点

  • 三道工序的顺序与边界：扇区 → 分区表 → 文件系统
  • 引导扇区产生于逻辑格式化（高级格式化）
  • 2017 真题：根目录与空闲空间数据结构属逻辑格式化；分区在其之前，校验码属低级格式化
  • 自举程序分两段：ROM 里的装入程序 + 磁盘启动块上的完整程序
  • 拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘 / 系统磁盘
  • 两种坏块处理的可见性不同：FAT 标记可见，扇区备用透明

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