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主開機紀錄

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主開機紀錄Master Boot Record,縮寫:MBR),又叫做主啟動磁區,是電腦開機後存取硬碟時所必須要讀取的首個磁區,它在硬碟上的三維位址為(柱面,磁頭,磁區)=(0,0,1)。在深入討論主啟動磁區內部結構的時候,有時也將其開頭的446位元組內容特指為「主開機紀錄」(MBR),其後是4個16位元組的「磁碟分割表」(DPT),以及2位元組的結束標誌(55AA)。因此,在使用「主開機紀錄」(MBR)這個術語的時候,需要根據具體情況判斷其到底是指整個主啟動磁區,還是主啟動磁區的前446位元組。

標準MBR結構
位址 描述 長度
位元組
Hex Oct Dec
0000 0000 0 代碼區 440
(最大446)
01B8 0670 440 選用磁碟標誌 4
01BC 0674 444 一般為空值; 0x0000 2
01BE 0676 446 標準MBR分割表規劃
(四個16 byte的主分割表入口)
64
01FE 0776 510 55h MBR有效標誌:
0x55AA
2
01FF 0777 511 AAh
MBR,總大小:446 + 64 + 2 = 512

主啟動磁區記錄著硬碟本身的相關資訊以及硬碟各個分割的大小及位置資訊,是資料資訊的重要入口。如果它受到破壞,硬碟上的基本資料結構資訊將會遺失,需要用繁瑣的方式試探性的重建資料結構資訊後才可能重新存取原先的資料。主啟動磁區內的資訊可以通過任何一種基於某種作業系統的分割工具軟體寫入,但和某種作業系統沒有特定的關係,即只要建立了有效的主開機紀錄就可以啟動任意一種作業系統(作業系統是建立在高階格式化的硬碟分割之上,是和一定的檔案系統相聯繫的)。

對於硬碟而言,一個磁區可能的位元組數為128×2n(n=0,1,2,3)。大多情況下,取n=2,即一個磁區(sector)的大小為512位元組。

主開機紀錄的組成[編輯]

啟動代碼[編輯]

主開機紀錄最開頭是第一階段啟動代碼。其中的硬碟啟動程式的主要作用是檢查分割表是否正確並且在系統硬體完成自檢以後將控制權交給硬碟上的啟動程式(如GNU GRUB)。它不依賴任何作業系統,而且啟動代碼也是可以改變的,從而能夠實現多系統啟動

硬碟分割表[編輯]

硬碟分割結構資訊
偏移 長度(位元組) 意義
00H 1 分割狀態:00-->非活動分割;80-->活動分割;
其它數值沒有意義
01H 1 分割起始磁頭號(HEAD),用到全部8位元
02H 2 分割起始磁區號(SECTOR),占據02H的位0-5;
該分割的起始磁柱號(CYLINDER),占據
02H的位6-7和03H的全部8位元
04H 1 檔案系統標誌位
05H 1 分割結束磁頭號(HEAD),用到全部8位元
06H 2 分割結束磁區號(SECTOR),占據06H的位0-5;
該分割的結束磁柱號(CYLINDER),占據
06H的位6-7和07H的全部8位元
08H 4 分割起始相對磁區號
0CH 4 分割總的磁區數

硬碟分割表占據主啟動磁區的64個位元組(偏移01BEH--偏移01FDH),可以對四個分割的資訊進行描述,其中每個分割的資訊占據16個位元組。具體每個位元組的定義可以參見硬碟分割結構資訊。下面是一個例子:

如果某一分割在硬碟分割表的資訊如下

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

則我們可以看到,最前面的"80"是一個分割的啟用標誌,表示系統可啟動[1];"01 01 00"表示分割開始的磁頭號為1,開始的磁區號為1,開始的柱面號為0;"0B"表示分割的系統類型是FAT32,其他比較常用的有04(FAT16)、07(NTFS);"FE BF FC"表示分割結束的磁頭號為254,分割結束的磁區號為63、分割結束的柱面號為764;"3F 00 00 00"表示首磁區的相對磁區號為63(小端序);"7E 86 BB 00"表示總磁區數為12289662(小端序)。

對於大於8.4G的現代硬碟,CHS已經無法表示, BIOS使用LBA模式,對於超出的部分,CHS值通常設為0xFEFFFF,並加以忽略,直接使用Offset 0x08-0x0c的4位元組相對值,再進行內部轉換。

結束標誌字[編輯]

結束標誌字55,AA(偏移1FEH-偏移1FFH)最後兩個位元組,是檢驗主開機紀錄是否有效的標誌。

主啟動磁區的讀取流程[編輯]

  • 系統開機或者重新開機。
  1. BIOS加電(台灣用語:開機)自檢(Power On Self Test -- POST)。BIOS執行記憶體位址為FFFF:0000H處的跳轉指令,跳轉到固化在ROM中的自檢程式處,對系統硬體(包括記憶體)進行檢查。
  2. 讀取主開機紀錄(MBR)。當BIOS檢查到硬體正常並與CMOS中的設定相符後,按照CMOS中對啟動裝置的設定順序檢測可用的啟動裝置。BIOS將相應啟動裝置的第一個磁區(也就是MBR磁區)讀入記憶體位址為0000:7C00H處。
  3. 檢查0000:7CFEH-0000:7CFFH(MBR的結束標誌位)是否等於55AAH,若不等於則轉去嘗試其他啟動裝置,如果沒有啟動裝置滿足要求則顯示"NO ROM BASIC"然後當機。
  4. 當檢測到有啟動裝置滿足要求後,BIOS將控制權交給相應啟動裝置。啟動裝置的MBR將自己複製到0000:0600H處,然後繼續執行。
  5. 根據MBR中的啟動代碼啟動啟動程式
  • 事實上,BIOS不僅檢查0000:7DFEH-0000:7DFFH(MBR的結束標誌位)是否等於55AAH,往往還對磁碟是否有防寫、主啟動磁區中是否存在活動分割等進行檢查。如果發現磁碟有防寫,則顯示磁碟防寫出錯資訊;如果發現磁碟中不存在活動分割,則顯示類似如下的資訊「Remove disk or other media Press any key to restart」。

主開機紀錄與硬碟分割[編輯]

主開機紀錄的結構可以知道,它僅僅包含一個64個位元組的硬碟分割表。由於每個分割資訊需要16個位元組,所以對於採用MBR型分割結構的硬碟,最多只能識別4個主要分割(Primary partition)。所以對於一個採用此種分割結構的硬碟來說,想要得到4個以上的主要分割是不可能的。這裡就需要引出擴充功能分割了。擴充功能分割也是主要分割的一種,但它與主分割的不同在於理論上可以劃分為無數個邏輯分割。[2]

擴充功能分割中邏輯驅動器的啟動記錄是鏈式的。每一個邏輯分割都有一個和MBR結構類似的擴充功能啟動記錄(EBR),其分割表的第一項指向該邏輯分割本身的啟動磁區,第二項指向下一個邏輯驅動器的EBR,分割表第三、第四項沒有用到。

Windows系統預設情況下,一般都是只劃分一個主分割給系統,剩餘的部分全部劃入擴充功能分割。這裡有下面幾點需要注意:

  • 在MBR分割表中最多4個主分割或者3個主分割+1個擴充功能分割,也就是說擴充功能分割只能有一個,然後可以再細分為多個邏輯分割。
  • Linux系統中,硬碟分割命名為sda1-sda4或者hda1-hda4(其中a表示硬碟編號可能是a、b、c等等)。在MBR硬碟中,分割號1-4是主分割(或者擴充功能分割),邏輯分割號只能從5開始。
  • 在MBR分割表中,一個分割最大的容量為2T,且每個分割的起始柱面必須在這個disk的前2T內。你有一個3T的硬碟,根據要求你至少要把它劃分為2個分割,且最後一個分割的起始磁區要位於硬碟的前2T空間內。[3]如果硬碟太大則必須改用GPT

MBR分割表與GPT分割表的關係[編輯]

與支援最大卷為2 TB(Terabytes)並且每個磁碟最多有4個主分割(或3個主分割,1個擴充功能分割和無限制的邏輯驅動器)的MBR磁碟分割的樣式相比,GPT磁碟分割樣式支援最大卷為128 EB(Exabytes)並且每磁碟的分割數沒有上限,只受到作業系統限制(由於分割表本身需要占用一定空間,最初規劃硬碟分割時,留給分割表的空間決定了最多可以有多少個分割,IA-64版Windows限制最多有128個分割,這也是EFI標準規定的分割表的最小尺寸)。與MBR分割的磁碟不同,至關重要的平台運算元據位於分割,而不是位於非分割或隱藏磁區。另外,GPT分割磁碟有備份分割表來提高分割資料結構的完整性。在UEFI系統上,通常是通過ESP分區中的EFI應用程式檔案啟動GPT硬碟上的作業系統,而不是MBR代碼。

注釋[編輯]

  1. ^ 對於一個作業系統而言,系統分割設為活動分割並不是必須的,這主要視啟動程式而定,如果使用的啟動程式是Grub4Dos,MBR中的啟動代碼僅僅按照分割的順序依次探測第二階段啟動器grldr的位置,並執行第一個探測到的grldr檔案。
  2. ^ 一個硬碟的分割個數還要受到分割大小的限制,因為硬碟是按照柱面分割的:一個分割至少要占一個柱面。但有一點需要注意,由於現在的硬碟結構已經和老式硬碟有了很大區別,其尋址結構也不再是CHS尋址,所以這裡的柱面大小不同於相關軟體顯示的柱面大小。對於物理結構上有n個面的硬碟,其分割空間的最小值為:n ×磁區/磁軌× 512位元組。
  3. ^ 根據16位元組分割表的結構:當前分割的磁區數用4個位元組表示,前面各分割磁區數的總和也是4個位元組,而232×512 = 2 199 023 255 552 Byte

外部連結[編輯]