做存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)架構(gòu)的研發(fā)人員需要深入理解數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上的分布，只有這樣當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候才能手動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)。目前，磁盤(pán)的容量越來(lái)越大，故障率越來(lái)越高，當(dāng)故障發(fā)生之后需要對(duì)磁盤(pán)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，磁盤(pán)數(shù)據(jù)的恢復(fù)不僅要了解分區(qū)等基本的磁盤(pán)數(shù)據(jù)布局，而且需要知道文件系統(tǒng)在磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)分布。這里首先討論分區(qū)等系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上的分布。
DOS分區(qū)是目前常用的一種分區(qū)方式，其磁盤(pán)數(shù)據(jù)分布描述如下：
第一個(gè)扇區(qū)是主引導(dǎo)分區(qū)MBR，MBR描述了磁盤(pán)分區(qū)的結(jié)構(gòu)，MBR的內(nèi)容包括引導(dǎo)代碼和分區(qū)表信息，最后以標(biāo)志0xaa55結(jié)尾。
MBR中的引導(dǎo)代碼是在BIOS啟動(dòng)之后首先得到運(yùn)行的代碼，通常引導(dǎo)代碼會(huì)檢查磁盤(pán)分區(qū)表，并且判斷哪個(gè)分區(qū)是啟動(dòng)分區(qū)，找到那個(gè)啟動(dòng)分區(qū)之后，然后從啟動(dòng)分區(qū)引導(dǎo)操作系統(tǒng)。
DOS分區(qū)規(guī)定了四個(gè)主分區(qū)，每個(gè)分區(qū)大可以描述2TB的磁盤(pán)空間。當(dāng)磁盤(pán)容量增大后，需要采用擴(kuò)展分區(qū)滿足應(yīng)用需求，擴(kuò)展分區(qū)就是在主分區(qū)描述的空間中再建分區(qū)信息表。在四個(gè)主分區(qū)中，只能存在一個(gè)active的分區(qū)，該分區(qū)即為啟動(dòng)分區(qū)。
由于巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，磁盤(pán)的容量日益增大，DOS分區(qū)存在2TB上限的問(wèn)題，不能滿足日益增長(zhǎng)的大分區(qū)需求，因此，微軟推出了GPT（GUID Partition Table），該分區(qū)表的磁盤(pán)結(jié)構(gòu)如下圖所示。
第一部分是保留MBR，占用一個(gè)扇區(qū)；第二部分是EFI信息，該部分占用一個(gè)扇區(qū)，該頭描述了分布區(qū)的位置信息；第三部分是 分區(qū)表，一共占用32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)分區(qū)表項(xiàng)占用128字節(jié)，因此，最多可以容納128個(gè)分區(qū)表項(xiàng)；第四部分是分區(qū)區(qū)域；為了提高可靠性，第五部分為分區(qū)表備份區(qū)域，占用整個(gè)磁盤(pán)的最后32個(gè)扇區(qū)。
知道磁盤(pán)的分區(qū)信息之后，我們通常會(huì)關(guān)注操作系統(tǒng)的bootloader具體在哪里？以Linux為例，bootloader通常為grub，嵌入式系統(tǒng)通常采用uboot，這里以grub為例，grub功能比較強(qiáng)大。在安裝操作系統(tǒng)的時(shí)候，grub就被安裝在了boot分區(qū)。在Linux中的/boot目錄就包含了grub文件和操作系統(tǒng)p_w_picpath文件。
Grub是支持文件系統(tǒng)的，在/boot/grub目錄中存在e2fs_stage1_5、xfs_stage1_5等文件，這些文件統(tǒng)稱(chēng)為stage1.5，其實(shí)就是各個(gè)不同文件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。這里簡(jiǎn)要介紹一下grub的構(gòu)成。Grub的啟動(dòng)文件分為stage1和stage2兩大部分，stage1是在grub安裝的時(shí)候由grub拷貝到MBR中的，由于MBR的大小是512字節(jié)，因此，stage1文件大小為512字節(jié)。Stage1的作用是引導(dǎo)stage2，由于stage2存儲(chǔ)在boot 上，其具有文件系統(tǒng)格式，而stage1程序不能很大，因此，無(wú)法識(shí)別boot分區(qū)文件系統(tǒng)，只能采用了程序表的方式在stage1中存儲(chǔ)stage2文件和stage1.5文件的位置。
對(duì)于grub而言，由于需要獲取stage2文件，所以，需要修改MBR中的引導(dǎo)程序，所以，在安裝操作系統(tǒng)的時(shí)候，grub被安裝在了boot分區(qū)和MBR中。
熟悉磁盤(pán)數(shù)據(jù)分布對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的了解有一定幫助，在此簡(jiǎn)要描述一下系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程。
1， 系統(tǒng)上電之后，直接將BIOS程序?qū)雰?nèi)存進(jìn)行運(yùn)行，BIOS程序會(huì)掃描硬件，并且實(shí)現(xiàn)一些基本硬件的驅(qū)動(dòng)（例如PCI掃描）和自檢操作。BIOS程序會(huì)掃描系統(tǒng)中的啟動(dòng)硬盤(pán)，一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)可以啟動(dòng)的硬盤(pán)，BIOS會(huì)將啟動(dòng)硬盤(pán)內(nèi)MBR中的引導(dǎo)程序裝載入內(nèi)存，并且將CPU交給引導(dǎo)程序。
2， MBR中的引導(dǎo)程序會(huì)進(jìn)行分區(qū)表檢查，由于該引導(dǎo)程序是grub安裝時(shí)更新過(guò)的，其實(shí)際就是grub的stage1程序。當(dāng)所有事情完成之后，引導(dǎo)程序會(huì)通過(guò)固定地址的方式將啟動(dòng)分區(qū)中的grub stage2程序裝載入內(nèi)存，并且將CPU交給stage2程序。
3， Stage2程序是grub的主體，其可以識(shí)別文件系統(tǒng)。boot分區(qū)上有文件系統(tǒng)，這是由用戶(hù)在安裝操作系統(tǒng)時(shí)候格式化的，grub會(huì)將boot分區(qū)mount，這樣可以很容易的找到Linux操作系統(tǒng)的鏡像文件，在grub運(yùn)行過(guò)程中，有些系統(tǒng)需要一些特殊的驅(qū)動(dòng)，例如，系統(tǒng)根文件系統(tǒng)建立在一個(gè)特殊的軟RAID之上，那么在啟動(dòng)Linux操作系統(tǒng)之前需要加載特殊的軟RAID驅(qū)動(dòng)。為了達(dá)到這個(gè)目的，可以采用ramdisk的方式為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)預(yù)加載驅(qū)動(dòng)，ramdisk文件可以在grub配置文件中指定。Grub 完成一些預(yù)加載操作，并且將Linux內(nèi)核加載入內(nèi)存，然后將CPU資源釋放給Linux內(nèi)核。
4， 此時(shí)Linux內(nèi)核開(kāi)始運(yùn)行，由于grub已經(jīng)預(yù)加載了一些驅(qū)動(dòng)，因此，Linux也能看到一些特殊的設(shè)備，然后Linux會(huì)做root switch操作，掛載真正的根文件系統(tǒng)。如果BIOS已經(jīng)為PCI等設(shè)備分配了資源，那么Linux可以直接采用，當(dāng)然也可以對(duì)PCI總線進(jìn)行重新掃描，并且加載驅(qū)動(dòng)程序。由于根文件系統(tǒng)已經(jīng)加載，因此，Linux可以根據(jù)/etc/inittab啟動(dòng)各種服務(wù)，至此Linux系統(tǒng)基本啟動(dòng)完畢。
本文概述了分區(qū)以及bootloader在磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)分布，對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)而言，這是最基本的。
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