磁盘分区方式对比（MBR与GPT）

在磁盘中曾经提到，磁盘出厂都会进行一次低层格式化，从而确定磁盘的磁道分区划分，在磁盘的低层格式化之后，磁盘的扇区建立起来，扇区就是磁盘进行数据存储管理的一个基本单位。

而分区则是对扇区进行组织管理的一种方式，它将扇区分成不同的组，每个组包含一定的扇区，每个称为一个分区。目前比较令人熟知的分区方式有两种：MBR分区和GPT分区。

MBR（Master Boot Record）分区

MBR分区是随着IBM PC DOS时代而来的，与他同时诞生的还有传统BIOS，它所诞生的那个时代硬盘容量都很小，所以MBR分区是根据当时的硬盘容量来进行设计的，正是因为如此，随着硬盘容量越来越大，它的劣势逐渐显现出来：只能创建4个主分区，通过4个主分区只能管理2TiB的硬盘空间。

1、MBR分区格式

上图说明：上图中的partition3 与 Extened之间采用括号表示的意思：这一块要不就是Partition3，包含黄色区域开始到下一个黄色区域之间的部分；这一块要不就是Extened Partition，包含蓝色区域开始到下一个黄色区域之间的部分。

另外，上图中的黄色是Partition Boot Record（又叫partition boot sector，或者volume boot record,VBR，或者volume partition sector）因为文件系统或者操作系统不同而有所不同，这个区域是在IBM的个人计算机的操作系统中引入的，也就是DOS时代。后来微软出的操作系统都兼容了这个VBR，不管是FAT12，FAT16，FAT32还是NTFS，这些文件系统都是兼容VBR这个区域的，并且保留了这个区域，这个区域存放着文件系统的一些信息。现在大容量硬盘都采用GPT分区格式，这些文件系统依然保留了VBR这个区域。

对于linux来说，不论是MBR还是GPT分区，ext4文件系统都有一个引导块的区域，这个区域就是类似于VBR的一个区域，称为引导块，group 0 padding。

（关于ext4文件系统概述 - 知乎）

（https://blog.csdn.net/lengye7/article/details/122904639 ext4备份地址）

主引导记录（Master Boot Record，缩写：MBR），又叫做主引导扇区，是计算机开机后访问硬盘时所必须要读取的首个扇区，它在硬盘上的三维地址为（0柱面，0磁头，1扇区）或者LBA寻址的0号扇区。在深入讨论主引导扇区内部结构的时候，有时也将其开头的446字节内容特指为“主引导记录”（MBR），其后是4个16字节的“磁盘分区表”（DPT），以及2字节的结束标志（55AA）。因此，在使用“主引导记录”（MBR）这个术语的时候，需要根据具体情况判断其到底是指整个主引导扇区，还是主引导扇区的前446字节。

标准的MBR扇区结构如下：

code area：代码区，引导代码存放的区域，BIOS加电自检完成之后，读入MBR，然后执行这个区域的代码。

Disk signature：硬盘标志用来区分硬盘，当有多块硬盘的时候，方便BIOS通过匹配这个字段来确定自己加载的是否是正确的MBR。

Table of primary patitions：分区表，16字节一个表项，BIOS或者操作系统从这里找到分区的入口。总共可以有4个分区，可以是4个主分区，或者3个主分区+1个扩展分区。

分区表项格式：

Patition Flag：1字节，0x80：bootable，活动分区，启动分区，0x00：not bootable，非活动分区，非启动分区。这个标志用来指导Boot Loader用来加载具体分区的Partition Boot Sector，当一个分区的标志位0x80的时候，Boot Loader后续就会加载该分区的Partition Boot Sector。4个分区中，最好只有一个0x80标志，即引导分区，或者叫启动分区。

Start CHS：3字节，早期用来标记分区起始扇区的位置。

Partition Type：1字节，分区类型，具体是什么分区需另外查看资料。

End CHS：3字节，早期用来标记结束扇区的位置。

Start LBA：4字节，分区开始的第一个LBA扇区号，现在所使用的扇区起始位置的标记方式。

Size：4字节，分区所占有的扇区数量。

CHS方式是早期硬盘所使用的标记方式，其所能支持的硬盘不能超过7.875GiB。

为了能够支持更大的硬盘，于是采用一种过渡方式，即开始使用LBA和Size方式来标记分区的起始和结束。

但是即使采用了LBA与Size方式，MBR方式所支持的硬盘也不能超过2TiB。

下面来解释原因：

1、由于size为4字节，则一个分区最多可以有2的32次方个扇区，假设一个扇区是512字节，则一个分区最多不能超过2TiB。

那么一个分区最多可以2TiB，4个分区岂不是可以达到支持8TiB？

2、Start LBA的限制，由于Start LBA采用4字节，其所能寻址的扇区空间为2的32次方，假设第一个分区为2TiB，那么第二个分区的Start LBA地址就必然超出4字节的表示范围，于是第二个分区的Start LBA就无法表示了，就自然而然不存在第二个分区了。同理，也就不存在第三个和第四个分区了。

因此，MBR无法支持超过2TiB的硬盘。

但是如果想使用BIOS引导操作系统又要使用2TiB以上的硬盘那该怎么办呢？

最优方案：

假设该操作系统支持GPT分区方案，那么就可以使用两块硬盘，操作系统所在的硬盘采用MBR分区，然后另外一块容量超过2TiB的硬盘采用GPT方式。

其他方案：

当然，也有整骚操作的，把MBR分区和GPT分区整合在一块容量超过2TiB的硬盘上的，这个最好不要做，万一哪个软件不支持GPT分区的，操作磁盘的时候把GPT分区给破坏了就好玩了。

MBR分区只能支持4个主分区，那如果想要更多的分区怎么办？

MBR也能够创建一个扩展分区，在扩展分区中可以创建很多的逻辑分区，与主分区相比，逻辑分区不能作为引导分区或者说启动分区或者说活动分区。

扩展分区示意图：

扩展分区的引导记录（Extended Boot Record，EBR）

每个逻辑分区前面都是EBR，用来描述当前逻辑分许的起始位置以及大小，同时标记当前分区为一个逻辑分区，也给出下一个逻辑分区的起始位置。

EBR的格式与MBR没有太大的区别，区别在于各个字段的用途上。

对于EBR来说，一般不使用前面446字节，同时只使用分区表的第一和第二表项，以及后面的标志0xAA，0x55。

其中第一表项用来记录当前逻辑分区的信息（分区起始位置，逻辑分区大小），第二表项用来记录下一个逻辑分区的信息（分区起始位置，逻辑分区大小）。

Boot indicator：1字节，永远都是0x00。

Partition type：有特定的字段，0x05（CHS寻址模式），0x0F（LBA寻址模式），但是不同的操作系统可能有所不同。

Start LBA：这与MBR的分区表项有所不同，这里的值是相对于逻辑分区开始的扇区号的。

其他的值没有说明与MBR一致。

逻辑分区的典型示意图：

上图中特意在每个逻辑分区之前隔开19个扇区，目的是为了更好的说明，逻辑分区的起始扇区号的值是相对于分区的EBR的开始扇区号的，例如第一个EBR中，给出的值为20，于是第一个逻辑分区的开始位置就是相对于5000的第20个扇区开始的，逻辑扇区号为5020。

2、MBR分区的硬盘的BIOS的简单引导过程

GPT分区

由于MBR分区不能支持2TiB以上的硬盘，于是GPT被开发出来了，并作为了UEFI标准的一部分，它能够支持的分区数最少是128个（虽然最少这么多，实际上windows就只支持128个，具体支持多少个，取决于具体实现。），所能支持的硬盘容量最高可以达到8388608 PiB。

因此，GPT可以被认为支持无限分区，无限容量。

GPT：GUID partition table，全局唯一标识符分区表。

GUID：global unique identifier，全局唯一标识符。

1、GPT分区格式

#分区的整体格式

上图只是一个示意图，为了说明GPT的基本格式，这里的128个分区是一种说明。

LBA0：这里仍然是MBR，只不过在GPT中，MBR（主引导记录）中只存在一个分区，那就是标识类型为EE分区，即保护性分区，这个是为了告诉一些底层操作软件，如果这些软件无法识别GPT，就不要去操作，从而保护GPT分区不被破坏。

LBA1：这里存放GPT的主分区头（Primary GPT Header）。

LBA2-LBA33：一共32个扇区，我们称之为“主分区节点”。

LBA34-LBA-34：正常的GPT分区区域，文件系统（如FAT，NTFS，EXT4等）就是构建在这里面。

LBA-1：这里是GPT分区头的备份。

LBA-2-LBA-33：这里是备份的主分区节点。

#LBA1的GPT主分区头格式：

上图中，我们可以看到：

硬盘GUID：这个用于区分硬盘设备，唯一标识。

分区表项的数量：这个是4字节，32bit，这说明GPT分区的数量可以高达2的32次方个。

分区表项的大小：一般就是128字节了。

CRC32校验：用于整个分区头的数据校验，如果出错，就读入备份的分区表头来恢复，如果备份的分区表头也出错了，则报错。

其他的字段就如图中所说的那样。

#分区表项的格式

分区类型GUID：这个是非常重要的一个字段，通过这个字段区分不同的分区类型，例如EFI分区就有一个特定的GUID。

分区GUID：这个要和分区类型GUID进行区分，这个是用来分区的唯一标识，不同分区即使类型相同，分区GUID也不相同。

分区名：这是与MBR的重要区别，MBR没有分区名，72个字节，可以具备72个ASCII字符。

属性标签：这是一个很有意思的字段，可以直接在这里指定分区的属性，例如，只读，隐藏等属性。一般EFI分区（ESP分区），都会设置其属性为隐藏属性。

更多内容可参考EFI标准文档。

2、UEFI在GPT分区下的启动过程

传统BIOS不支持GPT分区启动，如果使用GPT分区，则只能使用UEFI启动。

UEFI启动后，进入了DXE阶段，就开始加载设备驱动，然后UEFI就会有设备列表了。

对于其中的磁盘，UEFI会加载对应的驱动解析其中的分区表（GPT和MBR，没错UEFI可以认识MBR分区）。然后UEFI就会有所有分区的列表了。然后UEFI就会用内置的文件系统驱动，解析每个分区。然后UEFI就会认识分区里的文件。

进入了BDS阶段，然后根据启动项的顺序转到相应的设备，启动项是BDS阶段从NVRAM中读入了，可以通过工具设置NVRAM中的内容，比如启动项的顺序就可以改变。

在启动操作系统的阶段，根据设置的启动项顺序，转到相应设备（仅限GPT设备，如果启动传统MBR设备，则需要打开CSM支持）的引导项，引导并进入操作系统。

启动项分为两种：

文件启动项：大约记录的是某个磁盘的某个分区的某个路径下的某个文件。对于文件启动项，固件会直接加载这个EFI文件，并执行。类似于DOS下你敲了个win.com就执行了Windows 3.2/95/98的启动。文件不存在则失败。

设备启动项：大约记录的就是“某个U盘”、“某个硬盘”。（此处只讨论U盘、硬盘）对于设备启动项，UEFI标准规定了默认的路径\EFI\Boot\bootX64.efi。UEFI会加载磁盘上的这个文件。文件不存在则失败。

作为UEFI标准里，钦定的文件系统，FAT32.efi是每个主板都会带的。所有UEFI的主板都认识FAT32分区。

对于windows来说：

通常情况：主板UEFI初始化，然后找到了默认启动项Windows Boot Manager（windows会直接更改默认的启动项，改为EFI\microsoft路劲下的启动文件）。里面写了bootmgfw.efi的位置。固件加载bootmgfw.efi。bootmgfw.efi根据BCD启动项（注意：这里是指操作系统启动项，不是UEFI的设备或文件启动项，注意区别。）存储，找到装Windows的磁盘的具体分区，加载其中的WinLoad.efi。由WinLoad.efi完成剩下的启动工作。

其中的虚线，跟上面的一样，意思是，Windows启动盘和EFI启动盘，可以是一个硬盘，也可以是不同的硬盘。所以对于UEFI来说，启动盘是bootmgfw.efi所在的那个盘。

同一个硬盘上， ESP分区可以具备两个吗？

ESP分区当然可具备两个或者多个，但是UEFI启动阶段，只会从一个启动项加载，也就是说，即使有多个ESP，也只有一个ESP被UEFI所加载。

如果有多个系统需要引导，比较好的做法是在一块硬盘上分配一个大一点的ESP，然后将各个操作系统的引导文件都写入到这个ESP分区中。

然后启动时候：

1、从UEFI的启动项中，自己手动选择需要加载的系统启动项。这是方法一。

2、选择一个能够从自己切换到其他系统启动项的引导程序作为UEFI的默认启动项。例如，Grub就是这样一个引导程序。这是方法二，方法二显然更好。

已经在虚拟机中测试过了。