大容量硬盘的读写操作

摘要：本文主要是讨论系统级C语言程序设计的又一话题：大容量硬盘的读写操作。文章首先介绍了硬盘的物理结构，然后简要地说明了存在容量限制的原因，最后给出了解决问题的方法，并用C语言实现对大容量硬盘的读写和测试操作。文章会涉及部分有关计算机数据存储和中断调用的内容，想要更深一步了解这些内容的读者可以参阅笔者所写的《系统级C语言程序设计（中断服务程序的编写）》或相关资料。

关键词：柱面、磁头、扇区、硬盘寻址模式、CHS、LBA、ATA界面、INT 13界面、扩展INT 13中断、硬盘容量、标准格式化

在对硬盘分区表进行跟踪时，可以发现一个问题：对于一个4.3GB的硬盘，可以正确地找到它的所有逻辑分区，而对于一个10.3GB的硬盘，我们只能够找到近8GB范围内的逻辑分区。同样，在采用传统方式编程来获取硬盘参数时，如果硬盘是4.3GB的，能够得到正确结果，但如果硬盘是10.3GB或更大的，程序就好象成了“近视眼”，只能“看到”8.4GB的容量。这是为什么呢？

为了解决这个问题，首先应该了解硬盘的物理结构。我们可以把硬盘看成一个圆柱体，然后将圆柱体沿垂直于中心轴的方向切成多块薄圆片，对于一个圆片，它有上下两面，每面上都有多个同心圆，每个同心圆又可以分成数量相等的扇形区域，数据就存放在这些扇形区域中。我们把一个圆片不同的上下两面叫做“磁头”（磁面），标号从0开始，把这些同心圆叫做“柱面”（磁道），标号从0开始，把扇形区域叫“扇区”，标号从1开始。对于标准格式化的磁盘，每个扇区一共是512个字节，所以硬盘的容量可以这样计算：

容量=柱面数 * 磁头数 *（扇区数/柱面）* 512（字节/扇区）

其实对于所有标准格式化的磁盘，上面的公式都成立。例如对于软盘，共有2个磁头（磁面），每磁头80条磁道，每磁道18个扇区，所以容量就是：

2 * 80 * 18 * 512 = 1.44MB

了解了硬盘的物理结构后，再来简要谈谈有关ATA界面和INT 13界面。ATA界面是寄存器驱动式并行总线，传输数据时，BIOS先向ATA中特定寄存器写入数据的开始地址和长度，再把相应的读写等命令写入特定寄存器，完成相应操作；INT 13界面其实也是靠寄存器来驱动的，它先将所有的参数包括数据地址等设置好（赋值给寄存器），再调用INT 13中断完成操作。

对于ATA界面，寄存器定义如下：

柱面低位寄存器 8bit

柱面高位寄存器 8bit

扇区寄存器 8bit

设备磁头寄存器 4bit

如果采用传统的CHS（Cylinder Head Sector）寻址，其最大寻址容量是：

2（8+8）*（28-1）* 24 * 512 = 65536*255*16*512=136.9GB

如果采用LBA（Logic Block Addressing）寻址，其最大寻址容量是：

2(8+8) * 28 * 24 * 512 = 65536*256*16*512=137.4GB

对于INT 13界面，寄存器定义如下：

柱面地位寄存器 8bit

柱面高位/扇区寄存器 2bit/6bit

磁头寄存器 8bit

如果采用传统的CHS（Cylinder Head Sector）寻址，最大寻址容量是：

210 * (26-1) * 28 * 512 = 8.456GB

如果采用LBA（Logic Block Addressing）寻址，最大寻址容量是：

210 * 26 * 28 * 512 = 8.590GB

注意：两种寻址方式的计算公式之所以有差别，是因为CHS寻址方式的扇区首地址是从1开始的，而LBA寻址方式的扇区首地址是从0开始的。

至此，为何存在8.4GB容量限制的原因已经清楚了。概括起来，原因有两个方面：一方面，主板的BIOS程序太旧，无法支持大容量的硬盘，报告给操作系统的参数也就不具备可靠性，解决这一问题的方法就是通过刷新BIOS的方法升级BIOS；另一方面是因为INT 13的局限。为了解决这个软问题，以超越容量限制，人们又定义了新的扩展INT 13，它不再使用操作系统的寄存器传递硬盘参数，而是使用存储在操作系统内存中保存着64位LBA地址的地址包。如果硬盘支持ATA，就把地址包低28位传给ATA界面，否则就先转换成CHS参数，再传给ATA界面。由此一来，采用扩展INT 13可以使最大寻址容量达到137GB左右。

现在开始研究如何在C语言中使用扩展INT 13来操作大容量硬盘。为了使说明更加简单，这里只例举读、写、获取硬盘参数三种操作的实现方法，其它操作如“测试硬盘扇区”等，请读者自己查阅有关资料。

对于扩展INT 13中断，参数如下：

中断号

功能

调用寄存器

返回寄存器

备注

INT 13

AH=41H

检测扩展中断功能是否安装

AH = 41h

BX = 55AAh

DL = 驱动器号

(80H到FFH)

失败：AH=1

CF置位

成功：AH=版本号

CF=0 BX=AA55H

INT 13

AH=42H

磁盘扩展读操作

AH = 42H

DL = 驱动器号

DS:SI=指向LBA地址包的指针

失败：AH=错误号

CF置位

成功：AH=0

CF=0

地址包定义：

偏移大小描述

00H 字节地址包大小

01H 字节保留（为0）

02H 字传输包个数

04H 双字指向数据指针

08H 4字起始地址

其中LBA=((柱面*磁头/柱面+磁头)*扇区/柱面)+扇区-1

INT 13

AH=43H

磁盘扩展写操作

AH=43H

AL=写标志

DL = 驱动器号

DS:SI=指向LBA地址包的指针

失败：AH=错误号

CF置位

成功：AH=0

CF=0

同上

INT 13

AH=48H

获取磁盘参数

AH=48H

DL=驱动器号

DS:SI=指向保存参数缓冲区的指针

失败：AH=错误号

CF置位

成功：AH=0

CF=0

参数缓冲区定义：

偏移大小描述

00H 字缓冲区大小

02H 字信息标志位

04H 双字物理柱面数

08H 双字物理磁头数

0CH 双字物理每柱扇区数

10H 4字扇区总数

18H 字每扇区字节数

有了上面的参数，我们就可以方便地编写程序，来操作大容量硬盘。这里举了几个例子来说明如何在C语言中编写程序实现操作。笔者用的C语言是Borland C++ 3.1的编译器。

[程序一] 检测扩展INT 13是否安装

#include <dos.h>

#include <stdio.h>

void main()

{

REGS regs;

SREGS sregs;

regs.h.ah=0x41;regs.x.bx=0x55aa; /*设置寄存器*/

regs.h.dl=0x80;

int86x(0x13,&regs,&regs,&sregs); /*调用中断*/

if (regs.x.bx= =0xaa55) /*对结果作判断*/

printf ("Int 13 Extensions Installed!\n");

else

printf ("Int 13 Extensions Not Installed!\n");

}

在使用扩展INT 13中断之前，最好用上面的程序判断一下，看BIOS是否支持扩展INT13，这样就可以保证你的程序正确无误。一般现在新的支持LBA模式的主板和Win98自带的DOS7操作系统是支持扩展INT 13的。

[程序二] 获得硬盘物理参数

#include <dos.h>

#include <math.h>

#include <stdio.h>

typedef unsigned char BYTE; /*定义字节数据类型名*/

typedef unsigned short WORD; /*定义字数据类型名*/

typedef unsigned long DWORD; /*定义双字数据类型名*/

void main ()

{

union REGS regs;

struct SREGS sregs;

struct {

WORD size; /*地址包大小*/

WORD inforflags; /*信息标志*/

DWORD cylns; /*物理柱面数*/

DWORD heads; /*物理磁头数*/

DWORD sects; /*物理每柱扇区数*/

DWORD tslow; /*扇区总数低八位*/

DWORD tshi; /*扇区总数高八位*/

WORD bps; /*每扇区字节数*/

} package; /*LBA地址包定义*/

regs.h.ah=0x48;

regs.h.dl=0x80;

sregs.ds=FP_SEG(&package);/*获得package的段地址*/

regs.x.si=FP_OFF(&package);/*获得package的偏移量*/

int86x(0x13,&regs,&regs,&sregs);/*调用中断*/

printf ("Total Cylinders in this disk is : %ld\n",package.cylns);/*输出信息*/

printf ("Total Heads in this disk is : %ld\n",package.heads);

printf ("Total Sect/Cyln in this disk is : %ld\n",package.sects);

printf ("Low bit of Total Sectors is : %ld\n",package.tslow);

printf ("High bit of Total Sectors is : %ld\n",package.tshi);

printf ("Bytes per Sector of the disk is : %d\n",package.bps);

printf ("Total Space amount by l-bit is : %.1f GB\n",(double)(package.tslow*512.0/pow(10,9)));

}

对于上面的程序，读者可以把它和上表的参数比较，这样可以更加深刻地了解表一的各个参数的含义，也可以更好地读懂这段程序。读者也可以自己把上面的程序转化成函数，在必要的时候直接调用就可以了。

[程序三磁盘扩展读写操作]

#include <dos.h>

#include <stdio.h>

#define EXT_READ 0x42

#define EXT_WRITE 0x43

#define HDD 0x80

unsigned long CYLINDERS, HEADS, SECTORS;

typedef unsigned char BYTE;

typedef unsigned short WORD;

typedef unsigned long DWORD;

int get_parameter (int drive) /*读取硬盘参数以便于LBA数据的计算*/

{

union REGS regs;

struct SREGS sregs;

struct {

WORD size;

WORD inforflags;

DWORD cylns;

DWORD heads;

DWORD sects;

DWORD tslow;

DWORD tshi;

WORD bps;

} package;

regs.h.ah=0x48;

regs.h.dl=drive;

sregs.ds=FP_SEG(&package);

regs.x.si=FP_OFF(&package);

int86x(0x13,&regs,&regs,&sregs);

CYLINDERS = package.cylns;/*将得到的数据赋值给全局变量*/

HEADS = package.heads;

SECTORS = package.sects;

if (regs.h.ah) return (regs.h.ah);

else return 0;

}

int iodisk(unsigned char drv, unsigned char cmd, unsigned char *buffer,

unsigned long startlow, unsigned long starthi, unsigned short copyblk)

{

union REGS regs;

struct SREGS sregs;

struct {

unsigned char len; /*package的大小*/

unsigned char res; /*保留字节*/

unsigned short nob; /*package的个数*/

unsigned short bufoff; /*数据缓冲区偏移量*/

unsigned short bufseg;/*数据缓冲区段地址*/

unsigned long slow; /*扇区起始地址低位*/

unsigned long shi; /*扇区起始地址高位*/

} package;

package.len=sizeof(package);

package.res=0;

package.nob=copyblk;

package.bufoff=FP_OFF(buffer);

package.bufseg=FP_SEG(buffer);

package.slow=startlow;

package.shi=starthi;

regs.h.ah=cmd;

regs.h.dl=drv;

regs.h.al=0;

sregs.ds=FP_SEG(&package);

regs.x.si=FP_OFF(&package);

int86x(0x13,&regs,&regs,&sregs);

if (regs.h.ah) return (regs.h.ah);

else return (0);

}

int IoSectorEx (unsigned char drv, unsigned char cmd, unsigned long cylinder,unsigned long head, unsigned long sector, unsigned long copys, unsigned char *buffer)

{

int err;

unsigned long lba;

lba = ((cylinder * HEADS + head) * SECTORS ) + sector - 1; /*将CHS地址转化成LBA的扇区地址*/

err = iodisk (drv, cmd, buffer, lba, 0 , copys);/*调用函数读写扇区*/

return err;

}

void main ()

{

unsigned char buffer[512]; /*定义扇区数据区*/

get_parameter(HDD);/*调用函数获得硬盘参数*/

IoSectorEx (HDD, EXT_READ, 0, 0, 1, 1, buffer); /*调用函数读取0柱面0磁头1扇区的内容*/

printf ("%X\n",buffer[511]);/*输出所读扇区的最后一个字节*/

}

上面的[程序三]中定义了三个被调用函数，get_parameter()函数是通过扩展INT 13来读取硬盘物理参数的函数，设置这个函数主要是为了更加方便地计算LBA扇区地址的值；iodisk()是最通用的扇区读写操作函数，它可以利用LBA扇区的地址直接操作扇区；而IoSectorEx()函数则是利用提供CHS参数的方式来操作扇区的，中间是一个转化过程。

如果你需要的话，你完全可以在你的程序中使用上面的函数。对于扩展INT 13的其它磁盘操作功能，在此就不一一叙述了，其实你只要认真查阅有关资料，你完全可以写一个功能更强大的函数来实现你所需要的磁盘操作。

参考文献

《细说IDE硬盘的容量限制》（http://www.pchome.net/）,dwell