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 <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <linux/types.h>
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