Логическая структура жесткого диска

В статье расcматривается логическая структура жесткого диска, соответствующая стандарту Microsoft - "основной раздел - расширенный раздел - разделы не-DOS".

Пространство на жестком диске может быть организовано в виде одного или нескольких разделов, а разделы могут содержать один или несколько логических дисков.

На жестком диске по физическому адресу 0-0-1 располагается главная загрузочная запись (master boot record, MBR). В состав MBR входят:

* внесистемный загрузчик (non-system bootstrap - NSB);
* таблица описания разделов диска (таблица разделов, partition table, PT). Эта таблица расположена в MBR по смещению 0x1BE и занимает 64 байта;
* сигнатура MBR. Последние два байта MBR должны содержать число 0xAA55.

Таблица разделов описывает размещение и характеристики имеющихся на винчестере разделов. Разделы диска могут быть двух типов - primary (первичный, основной) и extended (расширенный). Максимальное число primary-разделов равно четырем. Наличие на диске хотя бы одного primary-раздела является обязательным. Extended-раздел может быть разделен на большое количество подразделов - логических дисков.Упрощенно структура MBR представлена в таблице 1. Таблица разделов располагается в конце MBR, для описания раздела в таблице отводится 16 байт.

Таблица 1.
Структура MBR
Смещение (offset) Размер (Size) Содержимое (contents)
-------------------------------------------------------------------------
0 446 Программа анализа таблицы разделов
и загрузки System Bootstrap
с активного раздела
-------------------------------------------------------------------------
0x1BE 16 Partition 1 entry ( элемент таблицы разделов)
-------------------------------------------------------------------------
0x1CE 16 Partition 2 entry
-------------------------------------------------------------------------
0x1DE 16 Partition 3 entry
-------------------------------------------------------------------------
0x1EE 16 Partition 4 entry
-------------------------------------------------------------------------
0x1FE 2 Сигнатура 0xAA55


Структура записи элемента таблицы разделов показана в таблице 2.

Таблица 2.
Структура записи элемента таблицы разделов

Смещение Размер поля, Содержание
байт
-------------------------------------------------------------------------
0x00 1 Признак активности (0 - раздел не активный,
0x80 - раздел активный)
--------------------------------------------------------------------------
0x01 1 Номер головки диска, с которой
начинается раздел
---------------------------------------------------------------------------
0x02 2 Номер цилиндра и номер сектора, с которых
начинается раздел
----------------------------------------------------------------------------
0x04 1 Код типа раздела System ID
----------------------------------------------------------------------------
0x05 1 Номер головки диска, на которой
заканчивается раздел
----------------------------------------------------------------------------
0x06 2 Номер цилиндра и номер сектора, которыми
заканчивается раздел
----------------------------------------------------------------------------
0x08 4 Абсолютный (логический) номер начального
сектора раздела
----------------------------------------------------------------------------
0x0C 4 Размер раздела (число секторов)

Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела (0 - неактивен, 0x80 - активен). Он служит для определения, является ли раздел системным загрузочным и есть ли необходимость производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. За флагом активности раздела следуют координаты начала раздела - три байта, означающие номер головки, номер сектора и номер цилиндра. Номера цилиндра и сектора задаются в формате прерывания Int 0x13, т.е. биты 0-5 содержат номер сектора, биты 6-7 - старшие два бита 10-разрядного номера цилиндра, биты 8-15 - младшие восемь битов номера цилиндра.

Затем следует кодовый идентификатор System ID, указывающий на принадлежность данного раздела к той или иной операционной системе. Идентификатор занимает один байт. За системным идентификатором расположены координаты конца раздела - три байта, содержащие номера головки, сектора и цилиндра, соответственно. Следующие четыре байта - это число секторов перед разделом, и последние четыре байта - размер раздела в секторах.

Таким образом, элемент таблицы раздела можно описать при помощи следующей структуры:

struct pt_struct {
u8 bootable; // флаг активности раздела
u8 start_part[3]; // координаты начала раздела
u8 type_part; // системный идентификатор
u8 end_part[3]; // координаты конца раздела
u32 sect_before; // число секторов перед разделом
u32 sect_total; // число секторов в разделе
};

Элемент первичного раздела указывает сразу на загрузочный сектор логического диска (в первичном разделе всегда имеется только один логический диск), а элемент расширенного раздела - на список логических дисков, составленный из структур, которые именуются вторичными MBR (Secondary MBR, SMBR).

Свой блок SMBR имеется у каждого диска расширенного раздела. SMBR имеет структуру, аналогичную MBR, но загрузочная запись у него отсутствует (заполнена нулями), а из четырех полей описателей разделов используются только два. Первый элемент раздела при этом указывает на логический диск, второй элемент указывает на следующую структуру SMBR в списке. Последний SMBR списка содержит во втором элементе нулевой код раздела.

Рассмотрим программу, отображающую информацию обо всех разделах (основных и логических), созданных на жестком диске. Программа функционирует под управлением ОС Linux.

Заголовочные файлы:

#include
#include
#include
#include
#include

Сигнатура MBR:

#define SIGNATURE 0xAA55

Файл устройства, с которого будет считываться информация о разделах:

#define DEVICE "/dev/hda"

Размер элемента таблицы разделов (0x10):

#define PT_SIZE 0x10

Следующий массив структур устанавоивает соответствие между кодом типа раздела и его символьным отображением:

struct systypes {
__u8 part_type;
__u8 *part_name;
};

/* Этот массив взят из исходных текстов программы fdisk */
struct systypes i386_sys_types[] = {
{0x00, "Empty"},
{0x01, "FAT12"},
{0x04, "FAT16 <32M"},
{0x05, "Extended"},
{0x06, "FAT16"},
{0x0b, "FAT32"},
{0x0c, "FAT32 (LBA)"},
{0x0e, "FAT16 (LBA)"},
{0x0f, "Win Ext'd (LBA)"},
{0x82, "Linux swap"},
{0x83, "Linux"},
{0x85, "Linux extended"},
{0x07, "HPFS/NTFS"}
};

Определим число элементов в массиве i386_sys_types при помощи макроса:

#define PART_NUM (sizeof(i386_sys_types) / sizeof(i386_sys_types[0]))

int hard; // дескриптор файла устройства
__u8 mbr[512]; // сюда считаем MBR

Установим ограничение на количество логических дисков:

#define MAX_PART 20

Следующий массив структура будет содержать информацию о логических дисках на устройстве (жестком диске):

struct pt_struct {
__u8 bootable;
__u8 start_part[3];
__u8 type_part;
__u8 end_part[3];
__u32 sect_before;
__u32 sect_total;
} pt_t[MAX_PART];

Рассмотрим главную функцию.

int main()
{
int i = 0;
__u64 seek;

/* Открываем файл устройства, считываем таблицу разделов и проверяем сигнатуру */

hard = open(DEVICE, O_RDONLY);
if(hard < 0) {
perror("open");
exit(-1);
}

read_main_ptable();

if(check_sign() < 0) {
printf("Not valid signature!\n");
exit(-1);
}

/* Ищем идентификатор расширенного раздела. Если таковой имеется - вычисляем
* смещение к расширенному разделу и считываем информацию о логических дисках
*/
for(; i < 4; i++) {
if((pt_t[i].type_part == 0xF) || \
(pt_t[i].type_part == 0x5) || \
(pt_t[i].type_part == 0x0C)) {
seek = (__u64)pt_t[i].sect_before * 512;
read_ext_ptable(seek);
break;
}
}

/* Отображаем информацию о логических дисках */
pt_info();
return 0;
}

Функция проверки сигнатуры 0xAA55 выглядит следующим образом:

int check_sign()
{
__u16 sign = 0;

memcpy((void *)&sign, (void *)(mbr + 0x1FE), 2);

printf("Сигнатура - 0x%X\n", sign);

if(sign != SIGNATURE) return -1;
return 0;
}

Функция чтения таблицы разделов:

void read_main_ptable()
{
if(read(hard, mbr, 512) < 0) {
perror("read");
close(hard);
exit(-1);
}

memset((void *)pt_t, 0, (PT_SIZE * 4));
memcpy((void *)pt_t, mbr + 0x1BE, (PT_SIZE * 4));

return;
}

Функция чтения расширенной таблицы разделов:

void read_ext_ptable(__u64 seek)
{
int num = 4; // начиная с этой позиции, массив структур pt_t будет
// заполняться информацией о логических дисках
__u8 smbr[512];

/* Функция принимает один параметр seek - смещение (в байтах) к расширеному разделу
* от начала диска. Для получения информации о логических дисках организуем цикл
*/
for(;;num++) {

/* Считываем SMBR, находящуюся по смещению seek от начала диска */
memset((void *)smbr, 0, 512);
pread64(hard, smbr, 512, seek);

/* Заполняем два элемента таблицы pt_t, начиная с num. Первый элемент будет
* указывать на логический диск, а второй - на следующую структуру SMBR
*/
memset((void *)&pt_t[num], 0, PT_SIZE * 2);
memcpy((void *)&pt_t[num], smbr + 0x1BE, PT_SIZE * 2);

/* Вносим поправку в поле "Номер начального сектора" -
* отсчет ведется от начала диска
*/
pt_t[num].sect_before += (seek / 512);

/* Если код типа раздела равен нулю, то больше логических дисков нет */
if(!(pt_t[num + 1].type_part)) break;

/* Вычисляем смещение к следующей SMBR */
seek = ((__u64)(pt_t[num].sect_before + pt_t[num].sect_total)) * 512;
}
return;
}

Функция pt_info() отображает информацию о найденых логических дисках на устройстве:

void pt_info()
{
int i, n;

/* Информация о разделах на устройстве ATA-0 */
printf("\nNum\tBootable\tStart\tTotal\t\tId\tType\n");

for(i = 0; i < MAX_PART; i++) {

if(!pt_t[i].type_part) {
if(i < 4) continue;
else break;
}

printf("%d\t", i + 1);

if(pt_t[i].bootable == 0x80) printf("*\t");
else printf("\t");

printf("%12u\t", pt_t[i].sect_before);
printf("%8u\t", pt_t[i].sect_total);
printf("0x%.2X\t", pt_t[i].type_part);

for(n = 0; n < PART_NUM; n++) {
if(pt_t[i].type_part == i386_sys_types[n].part_type) {
printf("%s\n", i386_sys_types[n].part_name);
break;
}
}
if(n == PART_NUM) printf("unknown type\n");
}
return;
}

Рассмотрим пример функционирования программы.

Имеется жесткий диск, подключеный как Primary Master. На диске созданы три основных раздела (FAT32 и два EXT2 раздела) и расширенный раздел в составе одного логического диска с файловой системой FAT32.

Результат работы программы:

# ./part_view

Сигнатура - 0xAA55

Num Bootable Start Total Id Type
1 * 63 4096512 0x0B FAT32
2 4096575 30732345 0x0F Win Ext'd (LBA)
3 34828920 12289725 0x83 Linux
4 47118645 31037580 0x83 Linux
5 4096638 30732282 0x0B FAT32

Для контроля получим информацию о логических дисках при помощи fdisk:

# fdisk -l -u

Disk /dev/hda: 40.0 GB, 40020664320 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 4865 cylinders, total 78165360 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes

Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/hda1 * 63 4096574 2048256 b Win95 FAT32
/dev/hda2 4096575 34828919 15366172+ f Win95 Ext'd (LBA)
/dev/hda3 34828920 47118644 6144862+ 83 Linux
/dev/hda4 47118645 78156224 15518790 83 Linux
/dev/hda5 4096638 34828919 15366141 b Win95 FAT32

Нарушение логической структуры, логическая структура диска, восстановление логической структуры, восстановление логической структуры диска, логическая структура диска нарушение логической структуры диска, восстановление при нарушении логической структуры диска, проблемы логической структуры, ошибки логической структуры диска, ошибки логической структурышаблоны для dleскачать фильмы