硬盘数据存储结构与恢复分析

摘 要：本文主要分析硬盘数据存储结构及原理、造成数据破坏丢失原因，并用实例说明数据恢复操作方法，最后给出数据存储在使用过程中的一些建议。

关键词：硬盘；数据存储结构；存储原理；恢复

中图分类号：TP309.3

随着科技的快速发展，硬盘容量呈现了飞速扩容，从最初的单位M到G，到现在的T，容量越来越大，数据存储越来越多。无论技术多么发达，硬盘总归是有寿命的，硬盘数据的维护就越来越受大家的关注。硬盘的长时间使用，难免会出现问题，轻者数据丢失，重则硬盘报废，数据不能找回，势必造成更大的损失。那么硬盘为什么可以存储数据，又为什么会造成数据丢失呢，如果硬盘数据发生丢失或损坏，又该如何去处理呢？本文就这几个问题进行了一些简单的阐述。

1 硬盘数据存储结构与原理

1.1 硬盘数据存储结构。一块新的硬盘是不能直接使用的，必须对硬盘进行分区格式化处理后才能够使用。其作用是在物理硬盘上建立一定的数据逻辑结构。做过分区格式化的硬盘创建功能通常被划分为五个部分：主引导记录区（MBR：Main Boot Record）；操作系统引导记录区（OBR：OS Boot Record）；文件分配表（FAT：File Assign Table）；根目录区（DIR：Directory）；数据区；（DATA）。其中主引导记录区在硬盘中具有唯一性，而其他部分在硬盘的各个分区里都会存在。

主引导记录区MBR位于硬盘的0磁道0柱面1扇区，其主要作用是存放硬盘分区表，检查分区表是否正确以及确定哪一个分区为引导分区，并将该分区的启动程序（也就是操作系统引导扇区）调入内存加以执行。分区表，是以80H或00H为开始标志，以55AAH为结束标志，共64字节，位于扇区的最末端。主引导记录是由分区程序产生的，不同的操作系统这个扇区也不相同。

操作系统引导记录区OBR即操作系统引导扇区，对于DOS来说，该扇区位于磁盘的0磁头0柱面1扇区，对于多重引导方式启动的系统则位于相应的系统存在分区的第一个扇区，是操作系统可直接访问的第一个扇区，包括一个引导程序和一个称为BPB（BIOS Parameter Block）的当前分区参数记录表。引导程序的任务是判断当前分区根目录下是否存在两个操作系统引导文件（IO.SYS和MSDOS.SYS）。将第一个文件读入内存，并把控制权交予该文件。BPB记录着当前分区的起止扇区、文件格式、根目录大小、FAT个数、分配单元（簇）的大小等重要参数。

文件分配表FAT是DOS/Window系统中文件寻址系统，考虑到数据安全，系统一般生成两个FAT，第二个FAT为第一个FAT的备份，FAT区紧接在OBR之后，大小由当前分区的大小及文件分配单元的大小决定。FAT记录当前分区下所有可使用簇信息，并进行记录统计，形成文件分配表。文件分配表记录中，每一个记录对应一个簇信息，表示文件具体存放簇的位置，如果需要多个簇存储文件，在记录中会关联下一个簇进行存储，直到最后。形成一个单向存储链表。这个链表才能够完整的表示一个文件。

根目录区DIR记录了每个文件的起始单元，相关文件属性等，位于第二个FAT表之后，单独根据FAT还不能确定文件在磁盘中的具置及大小，FAT还必须要和DIR结合才能够准确定位并读出该文件。

数据区DATA区是存放文件的实际区域，占据硬盘绝大部分空间，但如果没有前面的定义的各部分做说明的话，那么DATA中的数据也只能是一些枯燥的二进制代码，没有任何意义。

1.2 数据存储原理。（1）数据写入。当用户向硬盘写入文件时，操作系统首先在DIR区中查找对应目录中空区记录文件名、文件类型、大小和创建时间等基本信息，并查找FAT表中空白数据单元，并将簇号记录在目录区中，然后在DATA区中找到对应簇位置并将数据进行保存，如果一个簇存储不够，操作系统继续在FAT表中查找空白簇信息，并将簇号保存到上一个FAT表簇单元中形成存储链表，直到文件存储完毕，将在FAT表中的最后一簇中记录文件结束标志；（2）数据读取。当用户想打开一个硬盘文件时，操作系统首先从DIR区中读取该文件的基本信息（文件名、扩展名、文件大小、修改日期）以及文件在数据区存储的第一个簇的簇号，然后找到对应于该号的DATA区的内容，如此重复，知道遇到文件的结束标志（FF），则表示文件读取结束；（3）数据删除。用户对文件的删除操作，包括从回收站的彻底删除，实际上并没有对DATA数据区进行操作，而只是在目录区中进行操作，就是将目录区的文件的第一个字符改成了E5就表示将该文件删除了。同样，用户对硬盘的格式化，也只是重写了文件分配表，而DATA区内的数据并没有发生改变。而在硬盘分区时，也只是重写了主引导记录，数据区也未发生改变。因此从理论上说，对文件的删除或对硬盘的分区、格式化，在写入新的数据之前，硬盘上的数据仍然是可以恢复的。

2 数据丢失损坏原因

一般来说造成硬盘数据丢失损坏的原因有很多，归纳起来主要有以下几种类型：（1）病毒感染。随着网络的飞速发展与普及，为病毒的传播提供了前所未有的良机，网络世界中时刻有成千上万的病毒在对计算机上的数据进行篡改、破坏，使文件不能访问，或者对文件进行隐藏。即使用户安装了防火墙，但新型的、破坏性更大的病毒仍然防不胜防，因此病毒成了主要的文件杀手；（2）人为误操作。很多数据丢失都是使用者的误操作造成的，比如，误删除、误格式化，误分区等。由于用户大意删除了有用的文件，且无法从回收站中还原，这是最常见、最简单的数据破坏；（3）硬盘失效。如果硬盘的盘体或盘片由于遭受到碰撞、挤压、燃烧、划伤等，出现了变形或错位，则数据的恢复可能性几乎为零了。硬盘失效是丢失数据的最大的原因之一，同时也是最严重的问题；（4）加密和权限。对磁盘文件进行加密可以对文件进行保护，但同时也带来一定的风险，文件加密一般都是通过加密软件进行，如果加密软件失效，则加密文件无法解密，造成数据丢失。此类问题，不同加密情况恢复情况不同；（5）突然断电。计算机突然断电的后果可能不仅仅是内存数据的丢失，有时也可能会造成磁盘数据的丢失或导致系统无法正常启动。

3 简单数据恢复操作

目前存在比较多的数据恢复软件，DiskGenius是一款硬盘分区及数据恢复软件，其主要功能包括对磁盘进行分区，格式化，分区备份、硬盘复制，已删除文件恢复、分区复制等。本文通过使用DiskGenius软件对C盘误删除的文件数据（test.docx）进行简单恢复操作说明。

首先，开启DiskGenius软件

图1

打开工具菜单，在工具菜单中相关数据恢复的操作有检查分区表错误，搜索丢失分区，重建分区表，搜索已删除文件或格式化后的文件恢复等。（在磁盘分区表存在错误的情况下，我们通过检查分区表错误功能对分区表进行修复，恢复数据；在磁盘分区丢失，或者误删除分区的情况下，我们可以通过搜索丢失分区功能对数据进行恢复；在误删除文件的情况下恢复文件，找回误删除的文件，我们可以通过已删除文件或格式化后的文件恢复的功能。）通过软件选择误删除文件或格式化的分区。在这选择C盘分区后，选择工具菜单中“已删除文件或格式化文件恢复”功能（或者在C分区上右键选择已删除文件或格式化文件恢复功能），此时，系统会弹出选择恢复方式图框，根据实际情况选择误删除文件恢复。

图2

图3

如果知道误删除文件的类型可以通过选择文件类型，进行精确匹配。

图4

进行选择确定，点击开始进行文件搜索，文件扫描完成后，点击确定，在浏览文件中会发现有一个test.docx文件，这个文件就是我们删除并清空回收站的文件。

图5

此时要恢复文件需要从该位置将文件恢复到不用的分区上，以便保存文件恢复文件，选中文件后右键选择恢复到指定位置，在此选择到D盘

图6

图7

确定后，开始恢复文件，完毕点击详情查看恢复情况。

图8

图9

文件就保存到了D盘下文件名为～$test.docx，此文件就是误删除找回的文件。

4 如何正确使用硬盘

通过上面对硬盘数据存储结构以及造成数据丢失原因的分析后，在使用硬盘时，应注意以下几个方面：（1）对文件及时进行备份处理，尤其是重要文件要做好备份处理，此处备份最后在不同的磁盘上进行备份；（2）对一些非机密性的文件，也可以放到云存储设备中存储备份；（3）计算机在使用关闭时，保证正常关机，不要非法关机，或断电。当硬盘开始工作时，一般都处于高速旋转之中，如果中途突然断电，可能会导致磁头与盘片猛烈摩擦而损坏硬盘，因此要避免突然断电；（4）经常对磁盘进行碎片整理，这样可以促使文件保持连续，在极端情况下，可以对文件进行恢复；（5）尽量不要将文件存放于系统盘，避免系统损坏，从做系统带来文件丢失。

5 结束语

越来越多的用户感觉到，当存储在硬盘上的数据丢失时，带来的损失远远超出一块硬盘的价值，甚至是无法用金钱来衡量的。因此对普通的广大计算机用户来说，掌握硬盘存储数据的原理，做到出现问题的时候能够保持从容不迫，采取合理的处理方式恢复丢失的数据，挽回损失是非常关键的。同时掌握一些如何正确使用硬盘的方法，对有效地保证数据的安全也具有很重要的作用。

参考文献：

[1]姜灵敏.微机硬盘管理技术[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[2]孙维连.硬盘维护与数据恢复[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[3]王恒青.计算机硬盘分区与维护实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

作者简介：李长福（1982.06-），男，河北唐山人，航天员科研训练中心助理工程师，本科，从事计算机和仪器设备维修及数据恢复研究。

作者单位：中国航天员科研训练中心，北京 100094；北京工业大学，北京 100124