从零写OS内核 | MBR 分区：磁盘是怎么被切成块的，以及多系统怎么共存

你有没有过这种经历：买了一块新硬盘，插进电脑，打开磁盘管理工具，看到的是一片黑屏，上面写着”未分配”——然后你右键”新建简单卷”，选了大小，点下去，硬盘就被切成了几块——C盘、D盘、E盘。

这个”切硬盘”的操作，就是分区。它是怎么工作的？为什么一块物理硬盘可以同时装 Windows 和 Linux？MBR 是什么？为什么分区表要放在磁盘最前面那个扇区里？为什么超过 2TB 的硬盘不能用在 MBR 模式？

今天，我们来拆解 MBR 分区的完整原理——从数据结构的每一个字节，到多系统共存的实战操作。

MBR 的物理结构：512 字节里装了什么

MBR（Master Boot Record）不是一个分区，是一个启动记录。它固定在磁盘的第一个扇区（LBA 0），占 512 字节。这 512 字节里，只有前 446 字节是代码，后面 64 字节是分区表，最后 2 字节是启动标志。

Bash
MBR 512 字节布局（LBA 0）：
┌─────────────────────────────────────────┐
│ 0x0000 - 0x01BD（446 字节）：Bootloader 代码区    │
│   （GRUB Stage 1 就放在这里，或者 Windows 的 BOOTMGR）│
├─────────────────────────────────────────┤
│ 0x01BE - 0x01FD（64 字节）：分区表（4 条×16 字节）  │
│   第 1 条：0x01BE - 0x01CD                 │
│   第 2 条：0x01CE - 0x01DD                 │
│   第 3 条：0x01DE - 0x01ED                 │
│   第 4 条：0x01EE - 0x01FD                 │
├─────────────────────────────────────────┤
│ 0x01FE - 0x01FF（2 字节）：0x55 0xAA（启动标志）   │
└─────────────────────────────────────────┘

用 hexdump 实际看一下你的磁盘 MBR：

Bash
# 读取第一块硬盘的 MBR（不需要 root，只要能读 /dev/sda）
dd if=/dev/sda bs=1 count=512 2>/dev/null | hexdump -C | head -30

# 输出示例（部分）：
# 00000000  eb 63 90 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |.c..............|
# ... boot code ...
# 000001b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
# 000001c0  01 00 07 fe ff ff 3f 00  00 00 d8 63 19 00 00 00  |.......?...c....|
# 000001d0  80 01 05 0f fe ff ff 57  d8 63 19 00 f8 7f 19 00  |......W.c.......|
# 000001e0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
# 000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
#                                                      ^^^^
#                                                      启动标志 0x55AA

如果你用的是 Linux，MBR 的 bootloader 代码区可能被 GRUB 占用；如果是 Windows 原装系统，这里通常是 BOOTMGR（Windows Boot Manager）。

分区表结构：64 字节怎么描述一个分区

分区表的每条记录是 16 字节，描述一个分区的基本信息：

Bash
分区表条目结构（16 字节）：
┌────────┬──────┬──────────────────────────────────────────────────┐
│ 偏移   │ 大小  │ 含义                                            │
├────────┼──────┼──────────────────────────────────────────────────┤
│ 0x00   │ 1B   │ 分区状态（0x80=可启动，0x00=不可启动）           │
│ 0x01   │ 1B   │ 起始磁头号（CHS 寻址，已过时，但字段保留）        │
│ 0x02   │ 2B   │ 起始扇区/柱面（CHS，低 6 位是扇区，高 2 位+下一字节是柱面）│
│ 0x04   │ 1B   │ 分区类型（0x07=NTFS，0x0B=FAT32，0x83=Linux，0xEE=EFI）│
│ 0x05   │ 1B   │ 结束磁头号（CHS）                                │
│ 0x06   │ 2B   │ 结束扇区/柱面（CHS）                             │
│ 0x08   │ 4B   │ 起始扇区号（LBA，32 位，**MBR 最大只支持 2TB**）  │
│ 0x0C   │ 4B   │ 分区总扇区数（32 位）                            │
└────────┴──────┴──────────────────────────────────────────────────┘

关键字段解释：

  • 可启动标志（0x80）：4 条分区里只能有 1 条是 0x80，告诉 BIOS”这个分区有启动代码”。这就是为什么 C 盘通常是可启动的，而 D、E 盘不是。

  • 分区类型（0x04-0x05）：不是给操作系统看的，是给工具软件看的。常见类型码：

    • 0x07：NTFS（Windows）
    • 0x0B / 0x0C：FAT32（U 盘、ESP 分区）
    • 0x83：Linux Native（ext4/XFS）
    • 0x82：Linux Swap
    • 0xEE：GPT Protective（表示”这个磁盘是 GPT 格式，别用 MBR 解释”）
    • 0xEF：EFI System Partition

  • 起始扇区 + 总扇区数：用 LBA（Logical Block Addressing）记录，不依赖 CHS 几何结构。现代磁盘都用 LBA 寻址。

CHS 寻址的局限

早期的磁盘用 CHS（Cylinder/Head/Sector）寻址——柱面号、磁头号、扇区号三个参数定位一个扇区。这种方式有天花板：最多 8GB（1024 柱面 × 255 磁头 × 63 扇区 × 512 字节）。超过 8GB 的硬盘，用 CHS 根本找不到后面的扇区。

MBR 分区表保留了 CHS 字段（兼容老系统），但实际使用的是 LBA 字段（偏移 0x08 和 0x0C 的 4 字节值）。这就是为什么同一个分区，工具有时显示 CHS，有时显示 LBA——它们用的是同一个数据的不同解释。

MBR 的 2TB 上限

MBR 用 32 位记录扇区号，每个扇区 512 字节，所以最大支持：

Bash
2^32 × 512 = 2.199 TB（实际可寻址 2.00 TB，因为 2^32 = 4294967296）

超过 2TB 的磁盘，必须用 GPT 格式——MBR 无法描述那么大的空间。这也是为什么大硬盘、安装 Windows 10/11 的机器，99% 都用了 UEFI + GPT，不是因为 GPT 更先进，是因为 MBR 物理上限就在这里。

分区类型：逻辑上怎么理解”扩展分区”

MBR 分区表只有 4 条记录——这是 MBR 的最大限制：最多 4 个主分区。

但 4 个不够用怎么办？答案是：扩展分区。

原理是这样的：把第 4 条分区记录标记为”扩展分区”（类型 0x0F，或老式的 0x05），它不是一个真正的数据分区，而是一个”容器”——指向另一个结构（EBR，Extended Boot Record），里面又可以切出多个”逻辑分区”。

Bash
MBR 分区布局（典型 4 主分区 + 逻辑分区）：
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ MBR（4 条分区表）                                │
│  条目 1：/dev/sda1（主分区，Windows C:）         │
│  条目 2：/dev/sda2（主分区，Linux root）         │
│  条目 3：/dev/sda3（扩展分区，指向 EBR 链）      │
│  条目 4：空                                      │
└─────────────────────────────────────────────────┘
       ↓（扩展分区起始扇区放 EBR）
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ EBR 1（描述逻辑分区 D:）  →  指向 EBR 2         │
│ EBR 2（描述逻辑分区 E:）  →  指向（无，结束）    │
└─────────────────────────────────────────────────┘

EBR 的结构和 MBR 几乎一样，但含义不同：

  • EBR 里的第一个分区条目：描述当前的逻辑分区（起始扇区相对于扩展分区的起始位置）
  • EBR 里的第二个分区条目：指向下一个 EBR 的位置（下一个逻辑分区的 EBR 扇区号）
  • 第三个、第四个条目：永远是 0（EBR 不支持嵌套）

这样，逻辑上就可以有无限多个逻辑分区（实际上受磁盘总大小限制）。Linux 的 fdisk 默认帮你做这件事，你不需要手动管理 EBR。

MBR 工具：Linux 上的分区工具链

fdisk：最经典，交互友好

Bash
# 查看磁盘分区表（不修改任何数据）
sudo fdisk -l /dev/sda

# 输出示例：
# Disk /dev/sda: 238.47 GiB, 256000000000 bytes, 500000000 sectors
# Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
# Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
# I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
#
# Device     Boot   Start      End      Sectors   Size   Id   Type
# /dev/sda1  *      2048    1230847    1228800   600M   83   Linux
# /dev/sda2        1230848  62504959  61274112  29.2G  83   Linux
# /dev/sda3        62504960 500117503 437612544 208.7G   5   Extended
# /dev/sda5        62505088 500117503 437612416 208.7G   83  Linux

注意 /dev/sda5 开始是 5——这是因为 /dev/sda3 是扩展分区（容器），逻辑分区从 5 开始编号。主分区 1-4，逻辑分区 5+。

cfdisk：更友好的交互式工具

Bash
sudo cfdisk /dev/sda
# 用方向键操作，界面比 fdisk 更直观
# 新建 / 删除 / 调整大小 分区，直接操作，不用记命令

parted：支持超过 2TB 的磁盘，支持 GPT

Bash
# parted 默认是交互式的
sudo parted /dev/sda

# 或者一行命令完成（创建 GPT 分区）
sudo parted /dev/sdb mklabel gpt
sudo parted /dev/sdb mkpart primary ext4 0% 100%

用 dd 备份和恢复 MBR

备份（整个 MBR，包括分区表）：

Bash
# 备份 MBR（446 字节 bootloader + 64 字节分区表 + 2 字节标志 = 512 字节）
sudo dd if=/dev/sda of=/mnt/backup/mbr-backup.img bs=512 count=1

# 只备份分区表（不含 bootloader）
sudo dd if=/dev/sda of=/mnt/backup/partition-table.img bs=1 count=64 skip=446

恢复（注意：恢复分区表不会删除数据，但如果 bootloader 被覆盖会导致无法启动）：

Bash
# 恢复整个 MBR
sudo dd if=/mnt/backup/mbr-backup.img of=/dev/sda bs=512 count=1

# 恢复分区表（谨慎操作）
sudo dd if=/mnt/backup/partition-table.img of=/dev/sda bs=1 count=64 seek=446

多系统共存：Windows + Linux 在同一块盘上

核心原理：bootloader 不是操作系统的专利

多系统共存的核心是：每个操作系统都认为自己”拥有”整块磁盘——但实际上，每个 OS 只能读写自己的分区。Bootloader（GRUB 或 Windows BOOTMGR）才是多系统共存的粘合剂。

Bash
磁盘分区结构（典型 Windows + Linux 双系统）：
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│ /dev/sda1：Windows（C:，NTFS，0x07，启动标志=0x80）   │
│ /dev/sda2：Linux root（ext4，0x83）                   │
│ /dev/sda3：Linux swap（0x82）                        │
│ /dev/sda4：扩展分区（0x0F），包含逻辑分区             │
│   /dev/sda5：/home（ext4，逻辑分区）                  │
└──────────────────────────────────────────────────────┘

MBR bootloader 代码区：GRUB Stage 1（446 字节）
GRUB Stage 2：/dev/sda2 的 /boot/grub/（在 Linux 分区里）

启动流程：
BIOS → MBR(GRUB Stage 1) → 读 /dev/sda2 的 /boot/grub/ → grub.cfg
→ 显示菜单（Windows 在第一条，Linux 在第二条）→ 用户选谁跳谁

安装顺序：谁先谁后有讲究

先装 Windows，后装 Linux（推荐）：

  1. Windows 先装，占用 C 盘
  2. 安装 Linux 时，GRUB 会自动检测到 Windows，在 grub.cfg 里生成”Windows Boot Manager”条目
  3. GRUB 写到 MBR，覆盖 Windows 的 BOOTMGR
  4. 启动时 GRUB 菜单会显示两个选项

先装 Linux，后装 Windows（麻烦）：

  1. Linux 先装，GRUB 写到 MBR
  2. Windows 安装时会把 MBR 覆盖成自己的 BOOTMGR——GRUB 消失
  3. 恢复方法：Linux Live USB 启动，运行 grub-install /dev/sda

用 GRUB 手动添加 Windows 启动条目

如果 Windows 没有被 GRUB 检测到，手动添加：

Bash
# 进入 GRUB 命令行（在菜单按 c）
grub> insmod ntfs
grub> set root='hd0,msdos1'    # 第一块硬盘第一个主分区（Windows）
grub> chainloader +1            # 加载这个分区的第一个扇区（BOOTMGR）
grub> boot                      # 启动 Windows

或者修改 /boot/grub/grub.cfg（永久有效）：

Bash
menuentry 'Windows 10' {
    insmod ntfs
    set root='hd0,msdos1'
    chainloader +1
}

修复 GRUB（最常见的双系统问题）

症状：重装 Windows 后，GRUB 消失，开机直接进 Windows（或黑屏）。

原因：Windows 安装程序会覆盖 MBR，不认其他 OS 的 bootloader。

修复步骤：

Bash
# 1. 用 Linux Live USB 启动（Arch/ Ubuntu 安装盘都可以）
# 2. 找到 Linux 分区
sudo fdisk -l /dev/sda
# 假设 Linux 在 /dev/sda2

# 3. 挂载 Linux 分区
sudo mount /dev/sda2 /mnt
sudo mount --bind /dev /mnt/dev
sudo chroot /mnt

# 4. 重新安装 GRUB 到 MBR
grub-install /dev/sda
update-grub    # 生成 grub.cfg（自动检测 Windows）

# 5. 重启
exit
sudo reboot

wandos 的分区支持：现状

wandos 是一个教育用内核，暂时没有文件系统层面的分区支持——它假设 bootloader（GRUB）已经完成了分区解析，直接从某个分区加载内核镜像。

wandos 的 boot 代码里，如果要支持从特定分区读取数据，需要：

  1. 通过 GRUB 传入的 boot_info 结构体，读取内存映射（mmap_* 字段）找到分区位置
  2. 实现一个简化的 ATA/PATA 或 NVMe 驱动来访问磁盘
  3. 实现 FAT32/ ext2 解析器来读文件

目前 wandos 的 drivers/ 下没有磁盘驱动，这也是为什么 wandos 演示用的是 QEMU 的 -kernel 选项（绕过磁盘，直接加载 ELF），而不是真实从磁盘启动。

差距说明：wandos 没有自己的分区表解析和磁盘驱动。如果要做完整的”从磁盘启动”支持，需要先实现 drivers/storage/（ATA/SATA/NVMe 驱动）+ fs/（FAT32 解析）+ boot/（MBR 解析）。这是一整个子系统的工作量。

Linux 实践：亲手操作 MBR

查看 MBR 十六进制内容

Bash
# 查看 /dev/sda 的 MBR（512 字节 = 32 行 × 16 字节）
sudo dd if=/dev/sda bs=1 count=512 2>/dev/null | hexdump -C | head -35

# 重点看分区表部分（从 0x01BE 开始）
sudo dd if=/dev/sda bs=1 skip=446 count=64 2>/dev/null | hexdump -C

# 每条分区 16 字节，分隔清晰
# 条目 1：0x01BE - 0x01CD
# 条目 2：0x01CE - 0x01DD
# 条目 3：0x01DE - 0x01ED
# 条目 4：0x01EE - 0x01FD

查看每个分区的类型

Bash
# 用 fdisk 列出分区类型
sudo fdisk -l /dev/sda | grep -E "Device|/dev"

# 或者用 parted（更详细）
sudo parted /dev/sda print

# 查看文件系统类型
lsblk -f
# NAME   FSTYPE LABEL UUID
# sda1   ntfs   Windows C:...
# sda2   ext4   root
# sda5   ext4   home

创建一个新分区（实验用）

Bash
# 强烈警告：只在测试盘上操作，不要动你的系统盘！

# 用 fdisk 创建新分区
sudo fdisk /dev/sdb

# 交互式命令：
#   n → 新建分区
#   p → 主分区（e → 扩展分区）
#   分区号 → 默认
#   起始扇区 → 默认
#   结束扇区 → +10G（创建 10GB 分区）
#   w → 写入保存

# 写入后，创建文件系统
sudo mkfs.ext4 /dev/sdb1

# 挂载测试
sudo mount /dev/sdb1 /mnt/test
df -h /mnt/test

踩坑与注意事项

坑 1：MBR 损坏导致”无启动设备”错误

现象：开机显示 “No bootable device”，BIOS 可以识别磁盘但找不到启动代码。

原因：MBR 的 0x55AA 标志被破坏（可能是工具操作失误），或者 MBR 的 boot code 区被意外清空。

解决：用 boot-repair 工具修复，或手动 dd 恢复备份的 MBR：

Bash
# 用 Arch Linux Live USB
sudo dd if=/path/to/mbr-backup.img of=/dev/sda bs=512 count=1

坑 2：MBR 分区容量计算错误（超过 2TB 部分不可见）

现象：4TB 硬盘，在 Windows 的磁盘管理里只能看到 2TB，剩余 2TB 显示”未分配”但无法使用。

原因：Windows 用 MBR 模式安装，分区表是 32 位的，只能寻址 2TB。

解决：转换为 GPT 模式（会丢失所有数据）：

Bash
# Linux 下（不会丢数据，但需要备份）
sudo parted /dev/sda mklabel gpt
# 然后重建分区

坑 3：修复 Windows 后 GRUB 消失（最常见）

现象：重装 Windows 后，GRUB 菜单没了，Linux 无法启动。

原因：Windows 安装程序会覆盖 MBR（446 字节的 BOOTMGR 代码）。

解决：上面已描述，用 Linux Live USB + grub-install 修复。

坑 4：扩展分区和逻辑分区混淆

现象：用 fdisk 删除扩展分区后，逻辑分区全部消失，但数据实际还在（只是分区表损坏）。

原因：扩展分区是逻辑分区的”容器”，删除容器，里面的东西从分区表视角消失，但磁盘上的数据还在。用 testdisk 可以恢复。

Bash
# 用 testdisk 恢复丢失的分区
sudo apt install testdisk
sudo testdisk
# 选"分析"→ 选磁盘 → 搜索丢失的分区 → 写入

写在最后

MBR 是磁盘第一个扇区里的 512 字节——446 字节是 bootloader，64 字节是分区表（4 条记录），2 字节是启动标志。分区表描述的是”这块磁盘被切成哪几块，每块从哪开始、有多大、是什么类型”。

MBR 的局限：最多 4 个主分区、最大 2TB 容量——这两个限制都是因为 16 字节的分区记录 + 32 位的扇区号，不是设计失误，是 1983 年制定标准时的权衡。

多系统共存的关键，不是”每个 OS 各管各的”，而是 GRUB 作为 bootloader 统一管理启动顺序——它读取每个分区的启动扇区，依次把控制权交给各个 OS。

wandos 没有磁盘驱动，所以暂时依赖 GRUB 的 Multiboot 传递磁盘信息。要实现完整的 MBR 解析能力，需要从 drivers/storage/ 做起。

下篇预告（362）：候选方向——/proc 和 /sys 虚拟文件系统（内核信息的窗口，进程信息、硬件状态是怎么暴露给用户态的），或者 系统调用：软中断到内核的完整路径（从 0x80 陷阱到 syscall_table 的寻址）。你选哪个？

仓库：https://github.com/golang12306/os-kernel-from-scratch

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动手环节

想深入理解本文内容？动手实践是最好的方式：

今天的目标：用 dd + hexdump 自己读 MBR，理解分区表的二进制结构，然后练习多系统修复。

  1. 查看你电脑的 MBR：

    Bash
    sudo dd if=/dev/sda bs=1 count=512 2>/dev/null | hexdump -C | head -35
# 数一数分区表从哪个字节开始（0x01BE）
# 读出前 4 条分区记录，看看你的系统是怎么分区的

  2. 备份 MBR（重要）：

    Bash
    sudo dd if=/dev/sda of=/home/$USER/mbr-backup.img bs=512 count=1
ls -la /home/$USER/mbr-backup.img  # 应该显示 512 字节

  3. 在测试盘上实验（不要动系统盘）：

    Bash
    # 找一个测试用的 U 盘或移动硬盘（/dev/sdb）
sudo fdisk /dev/sdb
# 创建两个主分区：一个 FAT32，一个 ext4
# 用 hexdump 读 MBR，对照分区表结构理解

  4. 修复 GRUB 练习：
    在虚拟机里安装 Windows + Linux（或者反过来），模拟”Windows 重装后 GRUB 消失”，然后用 Live USB 修复。

提示：操作真实磁盘前，务必备份 MBR。MBR 损坏比分区丢失更难恢复——前者影响整个磁盘的启动能力，后者只是丢失分区表（数据还在）。

仓库：https://github.com/golang12306/os-kernel-from-scratch

最后修改： 2024年1月2日

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