講講關(guān)于MBR與GPT的基礎(chǔ)知識(shí)

對(duì)很多PC的使用者來(lái)說(shuō)，UEFI就像是一顆深水炸彈，表面風(fēng)平浪靜，暗地里卻早已引發(fā)了巨大的震動(dòng)。多虧了Microsoft的強(qiáng)橫，預(yù)裝WIN8的電腦指定需要GPT分區(qū)這一舉措，讓人們不禁發(fā)出感慨：哦天哪，我的電腦里還有這東西？一些好學(xué)的人對(duì)GPT進(jìn)行了解以后，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了我們的幕后功臣：UEFI。本期文章我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)，硬盤(pán)和硬盤(pán)分區(qū)這點(diǎn)事。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，硬盤(pán)分區(qū)是就使用分區(qū)編輯器（partition editor）將一個(gè)硬盤(pán)上劃分幾個(gè)獨(dú)立的邏輯部分，盤(pán)片一旦劃分成數(shù)個(gè)分區(qū)，不同類(lèi)的目錄與文件可以存儲(chǔ)進(jìn)不同的分區(qū)。越多分區(qū)，也就有更多不同的地方，可以將文件的性質(zhì)區(qū)分得更細(xì)，按照更為細(xì)分的性質(zhì)，存儲(chǔ)在不同的地方以管理文件；但太多分區(qū)就成了麻煩。

硬盤(pán)分區(qū)就像給一間空蕩的房子劃分出臥室，廚房，客廳等相互隔離的空間一樣。主要是為了方面用戶(hù)的使用。另一方面，通過(guò)合理的硬盤(pán)分區(qū)，有效保護(hù)系統(tǒng)盤(pán)空間，確實(shí)能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，再者，硬盤(pán)分區(qū)也可以有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。你當(dāng)然可以不分區(qū)，只不過(guò)，當(dāng)你面對(duì)越來(lái)越多的子目錄，或者是越來(lái)越慢的Windows，不得不費(fèi)功夫去管理你的文件，或者重裝Windows的時(shí)候，恐怕會(huì)悔不當(dāng)初。 “不要把所有的雞蛋放在同一個(gè)籃子里”這句至理名言在經(jīng)濟(jì)學(xué)以外的其他領(lǐng)域也同樣是句警世恒言。

在講解MBR之前，有必要講講機(jī)械硬盤(pán)的一些相關(guān)概念，畢竟MBR作為20世紀(jì)最棒的磁盤(pán)管理方式，與機(jī)械硬盤(pán)可是聯(lián)系緊密的

（這樣可以更好地理解后面的內(nèi)容）。

機(jī)械硬盤(pán)原理

機(jī)械硬盤(pán)由堅(jiān)硬金屬材料制成的涂以磁性介質(zhì)的盤(pán)片，盤(pán)片兩面稱(chēng)為盤(pán)面或扇面，都可以記錄信息，由磁頭對(duì)盤(pán)面進(jìn)行操作（如果你有壞的硬盤(pán)，可以動(dòng)手拆開(kāi)看。嗯？為什么用壞的？用好的可能費(fèi)錢(qián)……）一般用磁頭號(hào)區(qū)分。結(jié)構(gòu)特性決定了機(jī)械硬盤(pán)如果受到劇烈沖擊（摔在地上或是勤奮的你想拆開(kāi)學(xué)習(xí)），磁頭與盤(pán)面可能產(chǎn)生的哪怕是輕微撞擊都有可能報(bào)廢。

繼續(xù)講原理：假設(shè)磁頭不動(dòng)，硬盤(pán)旋轉(zhuǎn)，那么磁頭就會(huì)在磁盤(pán)表面畫(huà)出一個(gè)圓形軌跡并將之磁化，數(shù)據(jù)就保存在這些磁化區(qū)中，稱(chēng)之為磁道，將每個(gè)磁道分段，一個(gè)弧段就是一個(gè)扇區(qū)。一個(gè)硬盤(pán)可以包含多個(gè)扇面，扇面同軸重疊放置，每個(gè)盤(pán)面磁道數(shù)相同，具有相同周長(zhǎng)的磁道所形成的圓柱稱(chēng)之為柱面，柱面數(shù)與磁道數(shù)相等。如下圖

了解了這些，我們就可以對(duì)最初的硬盤(pán)地址管理方式作一個(gè)原理層面的了解：

最初的尋址方式稱(chēng)為CHS，在LBA（Logical Block Address）概念誕生之前，由他負(fù)責(zé)管理磁盤(pán)地址。所謂CHS即柱面（cylinder），磁頭（header），扇區(qū)（sector），通過(guò)這三個(gè)變量描述磁盤(pán)地址，需要明白的是，這里表示的已不是物理地址而是邏輯地址了。這種方法也稱(chēng)作是LARGE尋址方式。該方法下：

硬盤(pán)容量=磁頭數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×扇區(qū)大?。ㄒ话銥?12byte）。

后來(lái)，人們通過(guò)為每個(gè)扇區(qū)分配邏輯地址，以扇區(qū)為單位進(jìn)行尋址，也就有了LBA尋址方式。但是為了保持與CHS模式的兼容，通過(guò)邏輯變換算法，可以轉(zhuǎn)換為磁頭/柱面/扇區(qū)三種參數(shù)來(lái)表示，和 LARGE尋址模式一樣，這里的地址也是邏輯地址了。（固態(tài)硬盤(pán)的存儲(chǔ)原理雖然與機(jī)械硬盤(pán)不同，采用的是flash存儲(chǔ)，但仍然使用LBA進(jìn)行管理，此處不再詳述。）

科普到這里，我們可以試圖去理解MBR分區(qū)了?，F(xiàn)在我們來(lái)看看MBR分區(qū)的技術(shù)原理。

MBR原理

MBR：Master Boot Record，主分區(qū)引導(dǎo)記錄。最早在1983年在IBM PC DOS 2.0中提出。前面說(shuō)過(guò)，每個(gè)扇區(qū)/區(qū)塊都被分配了一個(gè)邏輯塊地址，即LBA，而引導(dǎo)扇區(qū)則是每個(gè)分區(qū)的第一扇區(qū)，而主引導(dǎo)扇區(qū)則是整個(gè)硬盤(pán)的第一扇區(qū)（主分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)）。MBR就保存在主引導(dǎo)扇區(qū)中。另外，這個(gè)扇區(qū)里還包含了硬盤(pán)分區(qū)表DPT（Disk Partition Table），和結(jié)束標(biāo)志字（Magic number）。扇區(qū)總計(jì)512字節(jié)，MBR占446字節(jié)（0000H - 01BDH），DPT占據(jù)64個(gè)字節(jié)（01BEH - 01FDH），最后的magic number占2字節(jié)（01FEH – 01FFH）。

現(xiàn)在，我們來(lái)看一個(gè)MBR記錄的實(shí)例：

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

其中， “80”是一個(gè)分區(qū)的激活標(biāo)志，表示系統(tǒng)可引導(dǎo)；“01 01 00”表示分區(qū)開(kāi)始的磁頭號(hào)為01，開(kāi)始的扇區(qū)號(hào)為01，開(kāi)始的柱面號(hào)為00；“0B”表示該分區(qū)的系統(tǒng)類(lèi)型是FAT32，其他比較常用的有04(FAT16)、07(NTFS)；“FE BF FC”表示分區(qū)結(jié)束的磁頭號(hào)為254，分區(qū)結(jié)束的扇區(qū)號(hào)為63、分區(qū)結(jié)束的柱面號(hào)為764；“3F 00 00 00”表示首扇區(qū)的相對(duì)扇區(qū)號(hào)為63；“7E 86 BB 00”表示總扇區(qū)數(shù)為12289622。

可以看到，在只分配64字節(jié)給DPT的情況下，每個(gè)分區(qū)項(xiàng)分別占用16個(gè)字節(jié)，因此只能記錄四個(gè)分區(qū)信息，盡管后來(lái)為了支持更多的分區(qū)，引入了擴(kuò)展分區(qū)及邏輯分區(qū)的概念。但每個(gè)分區(qū)項(xiàng)仍然用16個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。能表示的最大扇區(qū)數(shù)為FF FF,FF FFH，因此可管理的最大空間=總扇區(qū)數(shù)*扇區(qū)大?。?12byte），也就是 2TB （由于硬盤(pán)制造商采用1:1000進(jìn)行單位換算，因此也有2.2TB一說(shuō)，別怪他們，他們不是程序員）。超過(guò)2TB以后的空間，不能分配地址，自然也就無(wú)法管理了。

MBR的諸多缺點(diǎn)使其應(yīng)用大大受限。硬盤(pán)技術(shù)日新月異，硬盤(pán)容量突飛猛進(jìn)（希捷將于今年開(kāi)賣(mài)60TB 固態(tài)硬盤(pán)），多出來(lái)的硬盤(pán)空間總不能晾著吧，于是，Intel和Microsoft聯(lián)合，在剛誕生的UEFI規(guī)范下一起研發(fā)了新技術(shù)

GPT原理

GPT分區(qū)：全稱(chēng)為Globally Unique Identifier Partition Table，也叫做GUID分區(qū)表，它是UEFI 規(guī)范的一部分。由于硬盤(pán)容量的急速增長(zhǎng)，MBR的2.2T容量難以滿(mǎn)足要求，而UEFI BIOS的推廣也為GPT的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，GPT應(yīng)運(yùn)而生，

我們來(lái)看看GPT的結(jié)構(gòu)圖：

等等，MBR是不是走錯(cuò)片場(chǎng)了？答案當(dāng)然是沒(méi)有。這里的P意為protective，PMBR存在的意義就是，當(dāng)不支持GPT的分區(qū)工具試圖對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行操作時(shí)（例如MS-DOS和Linux的fdisk程序），它可以根據(jù)這份PMBR以傳統(tǒng)方式啟動(dòng)，過(guò)程和MBR+BIOS完全一致，極大地提高了兼容性。而支持GPT的系統(tǒng)在檢測(cè)PMBR后會(huì)直接跳到GPT表頭讀取分區(qū)表。和MBR類(lèi)似，分區(qū)表中存儲(chǔ)了某個(gè)分區(qū)的起始和結(jié)束位置及其文件系統(tǒng)屬性信息，而分區(qū)才是實(shí)際存在的物理磁盤(pán)的一部分。

GPT HDR：GPT表頭，如下圖，主要定義了分區(qū)表中項(xiàng)目數(shù)及每項(xiàng)大小，還包含硬盤(pán)的容量信息。在64位的Windows Server 2003的機(jī)器上，最多可以創(chuàng)建128個(gè)分區(qū)，即分區(qū)表中保留了128個(gè)項(xiàng)，其中每個(gè)都是128字節(jié)。（也是EFI標(biāo)準(zhǔn)中的最低要求：分區(qū)表最小要有16,384字節(jié)）分區(qū)表頭還記錄了這塊硬盤(pán)的GUID，分區(qū)表頭位置（總是LBA1）和大小，也包含了備份分區(qū)表頭和分區(qū)表的位置和大小信息（LBA-1~LBA-34）。同時(shí)還儲(chǔ)存著它本身和分區(qū)表的CRC32校驗(yàn)。固件、引導(dǎo)程序和操作系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)可以根據(jù)這個(gè)校驗(yàn)值來(lái)判斷分區(qū)表是否出錯(cuò)，如果出錯(cuò)，可以使用軟件從硬盤(pán)最后的備份GPT中恢復(fù)整個(gè)分區(qū)表，如果備份GPT也校驗(yàn)錯(cuò)誤，硬盤(pán)將不可使用。具體內(nèi)容如下表：

Partition Table：分區(qū)表，包含分區(qū)的類(lèi)型GUID（如：EFI系統(tǒng)分區(qū)的GUID類(lèi)型是{C12A7328-F81F-11D2-BA4B-00A0C93EC93B}），名稱(chēng)，起始終止位置，該分區(qū)的GUID以及分區(qū)屬性。其內(nèi)容如下：

Microsoft對(duì)分區(qū)屬性做了更詳細(xì)的區(qū)分，目前有：

相較于MBR，GPT具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 得益于LBA提升至64位，以及分區(qū)表中每項(xiàng)128位設(shè)定，GPT可管理的空間近乎無(wú)限大，假設(shè)一個(gè)扇區(qū)大小仍為512字節(jié)，可表示扇區(qū)數(shù)為，算下來(lái)，可管理的硬盤(pán)容量=18EB(1EB=1024PB=1,048,576TB)，2T在它面前完全不在話(huà)下。按目前的硬盤(pán)技術(shù)來(lái)看，確實(shí)近乎無(wú)限，不過(guò)，以后的事誰(shuí)知道呢。

（2） 分區(qū)數(shù)量幾乎沒(méi)有限制，由于可在表頭中設(shè)置分區(qū)數(shù)量的大小，如果愿意，設(shè)置個(gè)分區(qū)也可以（有人愿意管理這么多分區(qū)嗎），不過(guò)，目前windows僅支持最大128個(gè)分區(qū)。

（3） 自帶保險(xiǎn)，由于在磁盤(pán)的首尾部分各帶一個(gè)GPT表頭，任何一個(gè)受到破壞后都可以通過(guò)另一份恢復(fù)，極大地提高了磁盤(pán)的抗性（兩個(gè)一起壞的請(qǐng)出門(mén)買(mǎi)彩票）。

（4） 循環(huán)冗余檢驗(yàn)值針對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而計(jì)算，提高了數(shù)據(jù)崩潰的檢測(cè)幾率。

（5） 盡管目前分區(qū)類(lèi)型不超過(guò)百數(shù)（十?dāng)?shù)也沒(méi)有吧。），GPT仍提供了16字節(jié)的GUID來(lái)標(biāo)識(shí)分區(qū)類(lèi)型，使其更不容易產(chǎn)生沖突。

（6） 每個(gè)分區(qū)都可以擁有一個(gè)特別的名字，最長(zhǎng)72字節(jié)，足夠?qū)懸皇灼呗闪?。滿(mǎn)足你的各種奇葩起名需求。

完美支持UEFI，畢竟它就是UEFI規(guī)范的衍生品。在將來(lái)全行業(yè)UEFI的情境下，GPT必將更快淘汰MBR。

其他

接下來(lái)進(jìn)入加料時(shí)間，更詳細(xì)的講述硬盤(pán)知識(shí)。

前面說(shuō)到過(guò)，磁化的弧段稱(chēng)作一個(gè)扇區(qū)，一個(gè)扇區(qū)大小512kb，但硬盤(pán)在進(jìn)行文件操作時(shí)并非以扇區(qū)為單位，而是——簇，“簇”是系統(tǒng)進(jìn)行分配的最小單位，一個(gè)簇可以包含多個(gè)扇區(qū)，假設(shè)目前一個(gè)簇包含4個(gè)扇區(qū)，簇大小為2kb，一個(gè)文件大小恰為2kb，則占用了簇的所有可用空間，即便你有一個(gè)1B大小的文件需要保存，那么你占用的空間也是一個(gè)簇，簇內(nèi)其他空間不可讀寫(xiě)。

而對(duì)簇的大小進(jìn)行管理的就是文件系統(tǒng)：

FAT16/FAT32: 早期的MS-DOS和WIN95操作系統(tǒng)中最常見(jiàn)的硬盤(pán)分區(qū)格式。一個(gè)簇最小為512個(gè)字節(jié)，其大小可以成倍增長(zhǎng)，最大為32K，系統(tǒng)為每個(gè)簇分配唯一的索引號(hào)——一個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)。因?yàn)?6位二進(jìn)制數(shù)最大為65536，所以FAT分區(qū)所擁有的簇的數(shù)量不可能超過(guò)65536個(gè)。這正是FAT分區(qū)大小不能超過(guò)2GB的原因。FAT16的繼任者——FAT32與其原理基本相同，相比前任優(yōu)勢(shì)僅在于分區(qū)可以大于2GB，但不能存儲(chǔ)大于4GB的單個(gè)文件，看看現(xiàn)在一部BD的電影都要3,4個(gè)G，顯然不能滿(mǎn)足時(shí)代的需求，被淘汰的很快。

NTFS文件系統(tǒng)相比FAT，最大優(yōu)點(diǎn)在于支持文件加密，通過(guò)采用日志式文件系統(tǒng)，詳細(xì)記錄磁盤(pán)的所有讀寫(xiě)操作，提高了數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的安全性，另一點(diǎn)則是突破了4GB大小限制。也是目前機(jī)械硬盤(pán)上的分區(qū)主流。不過(guò)對(duì)于目前越來(lái)越親民的的flash存儲(chǔ)，過(guò)多的操作記錄對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)造成了較大的負(fù)擔(dān)，同樣的存取操作，NTFS下的讀寫(xiě)次數(shù)就會(huì)比FAT32下來(lái)得多，造成了壽命較短的缺陷。因此針對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備和固態(tài)硬盤(pán)，推出了exFAT文件系統(tǒng)。

exFAT：分區(qū)大小和單文件大小最大可達(dá)16EB（16×1024×1024TB）；簇大小非 常靈活，最小512B，最高達(dá)32MB；采用了剩余空間分配表，空間利用率更高；同一目錄下最大文件數(shù)可達(dá)65536個(gè)。其特性未必強(qiáng)于NTFS，主要是針對(duì)flash存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化（SSD，U盤(pán)），傳統(tǒng)硬盤(pán)不能格式化為該格式。

要是到現(xiàn)在你對(duì)扇區(qū)，簇，文件系統(tǒng)，分區(qū)幾個(gè)名詞有點(diǎn)混淆，不妨看看下圖：

有人會(huì)問(wèn)，圖中的怎么突然出現(xiàn)了4k扇區(qū)，而且為什么下面又包含的是8個(gè)512b的扇區(qū)呢？邊上的偽裝是啥意思？恭喜你，你已經(jīng)抓住了近年來(lái)的硬盤(pán)發(fā)展潮流。

扇區(qū)的大小雖然約定俗成，但其實(shí)是可以更改的，開(kāi)始于 2009 年晚期，硬盤(pán)制造商正在從傳統(tǒng)的 512 字節(jié)扇區(qū)遷移到更大、更高效的 4096 字節(jié)扇區(qū)，國(guó)際硬盤(pán)設(shè)備與材料協(xié)會(huì)（International Disk Drive Equipment and

Materials Association，IDEMA）將之稱(chēng)為高級(jí)格式化，也就是現(xiàn)在常說(shuō)的“4K扇區(qū)”。

多年來(lái)，硬盤(pán)行業(yè)一直采用512字節(jié)扇區(qū)。然而，隨著硬盤(pán)容量的不斷增長(zhǎng)，扇區(qū)大小日漸成為提高硬盤(pán)容量和糾錯(cuò)效率方面的制約。扇區(qū)分辨率（扇區(qū)大小和總存儲(chǔ)大小的百分比）越來(lái)越低，盡管在管理小型離散數(shù)據(jù)時(shí)，分辨率越低越好。但現(xiàn)代的計(jì)算系統(tǒng)中多的是大型數(shù)據(jù)塊，一般遠(yuǎn)比傳統(tǒng) 512 字節(jié)扇區(qū)大小要大得多。另外，隨著區(qū)域密度的增加，小型 512 字節(jié)扇區(qū)在硬盤(pán)表面上占用的空間也將越來(lái)越小。硬盤(pán)扇區(qū)中的數(shù)據(jù)占據(jù)的空間越小，錯(cuò)誤糾正就會(huì)變得越困難，因?yàn)橥瑯哟笮〉慕橘|(zhì)缺陷對(duì)總體數(shù)據(jù)負(fù)載損害的百分比更高，所以就需要更大的糾錯(cuò)強(qiáng)度?，F(xiàn)在，硬盤(pán)開(kāi)始通過(guò)先進(jìn)的區(qū)域密度來(lái)提高錯(cuò)誤糾正的上限。因此，為了改善錯(cuò)誤糾正和實(shí)現(xiàn)格式化效率，提高扇區(qū)大小是硬盤(pán)行業(yè)內(nèi)的普遍訴求。

不過(guò)，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的緩慢發(fā)展，多數(shù)仍將扇區(qū)假定為512字節(jié)，因此就產(chǎn)生了4K對(duì)齊問(wèn)題。即使物理硬盤(pán)分區(qū)與計(jì)算機(jī)使用的邏輯分區(qū)對(duì)齊，保證硬盤(pán)讀寫(xiě)效率。

有4k對(duì)齊當(dāng)然就有4k對(duì)不齊。這個(gè)鍋，或許應(yīng)該甩給操作系統(tǒng)。硬盤(pán)廠商為了保證與操作系統(tǒng)的兼容性，將新標(biāo)準(zhǔn)的"4K扇區(qū)"的硬盤(pán)模擬成扇區(qū)為512B的硬盤(pán)，問(wèn)題出現(xiàn)在此時(shí)：當(dāng)在一些特殊情況下格式化的系統(tǒng)（比如用ghost11.5以下版本），會(huì)默認(rèn)定義為4096字節(jié)大小為一個(gè)簇，這沒(méi)毛病，但是，由于其引導(dǎo)區(qū)只占用了不多不少63個(gè)扇區(qū)，真正的文件系統(tǒng)在63號(hào)扇區(qū)之后，

我們可以算出前63個(gè)扇區(qū)大小為：63*512B = 32256B。

63個(gè)扇區(qū)占用簇個(gè)數(shù)：32256B/4096B=7.875簇。

從第64個(gè)扇區(qū)開(kāi)始，每個(gè)簇都會(huì)跨越兩個(gè)物理單元，占據(jù)前一個(gè)單元的一小部分和后一個(gè)單元的一大部分，前面說(shuō)過(guò)，系統(tǒng)文件操作以簇為單位，如果每個(gè)簇都要用到兩個(gè)扇區(qū)，勢(shì)必拖累讀寫(xiě)速度。也就產(chǎn)生了“4k對(duì)不齊”的概念，“4K對(duì)齊”要做的事就是將硬盤(pán)的模擬扇區(qū)(512B)對(duì)齊到的8整數(shù)倍個(gè)“實(shí)際”4K扇區(qū)，即8*4096 = 32768B，使其正好跨過(guò)63扇區(qū)的特性，從第64個(gè)扇區(qū)對(duì)齊。

其實(shí)不僅是操作系統(tǒng)，一些廣泛使用的軟件程序也可能引發(fā)4k對(duì)不齊現(xiàn)象。因此，對(duì)齊技術(shù)的存在確有其必要性。盡管4k必然取代512b，但冰凍三尺非一日之寒，全行業(yè)仍需要一個(gè)時(shí)間來(lái)進(jìn)行技術(shù)的全面推廣。

后記

一些經(jīng)常被問(wèn)到的關(guān)于GPT的問(wèn)題：

1. Q：怎么知道我的硬盤(pán)是MBR的還是GPT的？

A： windows自帶個(gè)非常好用的工具-diskpart，簡(jiǎn)單幾條命令即可，如圖：

2. Q：如何將GPT轉(zhuǎn)換為MBR?

A: 還是diskpart,( 警告 ：請(qǐng)先備份內(nèi)容）

不過(guò)我還是建議你不要這樣做，畢竟MBR是個(gè)被淘汰的技術(shù)。

3. Q：GPT真好，我想立刻使用，可是如何將MBR轉(zhuǎn)換為GPT而不丟失東西？

A：這是個(gè)好主意，你可以使用AOMEI Partition Assistant Standard，它是個(gè)免費(fèi)軟件。非常好用。不過(guò)還是建議提前備份內(nèi)容。