緯育 2026-0407

本系列講座旨在介紹磁碟的基礎知識，從傳統機械硬碟（HDD）的物理架構、歷史演進、運作原理談起，深入剖析了影響其效能的各種因素，如磁頭同步移動的瓶頸、資料儲存方式（PMR/SMR）的演進等。講座涵蓋了一顆新硬碟從購買到可以儲存檔案的完整流程，包含磁碟分割、格式化至掛載的三大步驟，並比較了MBR與GBT兩種分割表。

此外，內容還深入探討了記憶體與硬碟在電腦系統中的不同角色、巨大的速度差異及其對系統效能的影響，並解釋了資料從CPU、記憶體到硬碟的流動過程。最後，講師分享了硬碟的選購考量、品牌保固經驗、資料救援概念與實務技巧，並建議使用者遵循標準關機程序以避免資料遺失。

磁碟管理流程與概念

• 磁碟管理三步驟
  • 一個全新的磁碟從購買到可以儲存第一個檔案，需要經過三個主要步驟：分割、格式化、掛載。
  • 在Linux中，這三個步驟是明確分開的；而在微軟Windows或蘋果macOS中，許多步驟已自動化，例如插入隨身碟時，系統會自動分配磁碟機代號或在桌面顯示圖示，這背後其實就是自動化的掛載過程。
• 磁碟分割與分割表
  • 磁碟分割是使用特定指令（如磁碟分割工具）來規劃硬碟空間，將其劃分為一個或多個稱為「分割區」（Partition）的獨立區域。
  • 分割資訊儲存在磁碟分割表中，目前主要有兩種：MBR (Master Boot Record) 和 GBT (GUID Partition Table)。
  • MBR是較早且較簡單的格式。GBT是更新、可支援更大容量的格式，現今Windows系統預設使用GBT。
  • 如果購買的內接硬碟插入電腦後，Windows 系統立即就分配了磁碟機代號（如 D 槽），這代表硬碟可能已經被使用過（二手品），因為原廠新碟不會預先分割。
• 磁碟格式化與檔案系統
  • 僅分割完的磁碟還無法使用，必須進行格式化。
  • 格式化時需要選擇一種檔案系統，例如NTFS或FAT32，這個選擇決定了檔案在硬碟上的儲存方式，並為分割區建立檔案系統結構。
  • 了解檔案系統的運作原理，是進行磁碟資料救援的基礎。
• 掛載 (Mount)
  • 格式化完成後，需要進行「掛載」，才能讓作業系統存取該磁碟區。
  • 在微軟系統中，這個過程對應的是分配一個磁碟機代號（如D槽）。雖然有「卸載」概念，但通常不使用「掛載」一詞。
  • 在Linux和macOS中，掛載是將一個分割區連結到指定的目錄（進入點），使用者進入該目錄即是存取該分割區。

硬體架構與效能

• 傳統硬碟 (HDD) 架構與歷史
  • 講座主要介紹包含旋轉盤片、磁頭的傳統硬碟架構。儘管SSD普及，但HDD因其每TB成本最低，仍被廣泛使用。
  • 硬碟內部所有磁頭是連動的，會一起移動，無法分開行動，這是硬碟存取速度最慢的瓶頸。
  • 硬碟製造商經歷多次併購，現今市場上所剩無幾，如WD併購Quantum、Seagate也併購多家公司。
• 記憶體 (RAM) 與硬碟 (Disk) 的比較
  • 記憶體：暫存資料，斷電後資料會消失，但存取速度極快。增加記憶體可提升系統效率，但受CPU等其他元件影響。
  • 硬碟：永久存放資料，關機後資料依然存在，但存取速度是電腦中最慢的元件之一，常是系統效能瓶頸。
• 速度比較
  • 傳統硬碟讀寫速度約140-180MB/s。
  • SATA SSD可達約500MB/s。
  • PCIe 5.0 M.2 SSD可達10G/s上下。
  • DDR5記憶體速度可達每秒六七十GB (60-70 G/s)，遠快於最快的硬碟。
• 提升舊電腦效能
  • 若舊電腦開機緩慢且仍在使用傳統硬碟，將其更換為SSD會帶來顯著的速度提升。若提升未達預期，則瓶頸可能在於CPU。

硬碟技術的發展與演進

• 失敗的技術嘗試
  • 雙磁頭硬碟：Seagate曾推出有兩組獨立磁頭的硬碟，雖理論速度翻倍，但因故障率過高而被淘汰。
  • 混合碟 (Hybrid Drive)：結合HDD與少量SSD，由韌體自動將常用資料快取至SSD。但因常「猜錯」資料導致SSD過度寫入而損壞，最終失敗。
• 定址模式的演進
  • CHS (磁柱-磁頭-磁區)：非常早期的定址方式，上限僅8GB，已被淘汰。
  • LBA (Logical Block Addressing)：目前所有硬碟使用的定址機制，將所有磁區從0開始編號，作業系統只需提供一個邏輯位址即可。LBA的版本（如LBA32、LBA48）決定了電腦能支援的最大硬碟容量。
• 容量增加技術
  • 垂直磁記錄 (PMR)：將磁性顆粒從水平改為垂直排列，增加儲存密度。
  • 疊瓦式磁記錄 (SMR)：將磁軌部分重疊以進一步提升容量。寫入時因「寫入頭」比「讀取頭」寬，會覆蓋相鄰磁軌。這使得修改資料時，需將整個大區塊讀入快取，修改後再整個寫回，導致寫入效能較差且更易損壞。

提升傳統硬碟效能與選購技巧

• 效能優化技巧
  • 資料連續存放：應盡量讓資料連續存放，最好在同一個磁軌或磁柱上，以減少磁頭移動。
  • 磁碟重組：將分散的檔案片段整理成連續區塊，對傳統硬碟效率有顯著幫助，但對SSD則不建議。
  • 利用外圈高速特性：硬碟外圈的線性速度快於內圈。可將系統分割區（C槽）設定得較小並置於硬碟起始位置，確保作業系統檔案存放在最快的外圈。
• 硬碟轉速的影響
  • 過去認為轉速越快越好，但對於現代高密度大容量硬碟，為確保磁頭能準確讀寫，轉速反而可能偏低。
• SMR 硬碟的辨識與選購建議
  • SMR 硬碟為彌補寫入缺陷，通常會配備比同容量CMR硬碟大得多的快取記憶體（如256MB vs 32MB）。檢查快取大小是分辨方法之一。
  • 講師建議，若可選擇，應購買快取較小（如16MB、32MB）的硬碟，這類硬碟通常採用傳統PMR/CMR技術，寫入效能較穩定。
• 硬碟品牌與保固經驗 (WD vs. Seagate)
  • 講師個人經驗認為WD硬碟相對不易損壞，但其保固內的資料救援需額外付費。
  • Seagate在特定時期曾提供免費資料救援服務，顯示廠商誠意。
  • WD的綠標硬碟因頻繁休眠導致口碑不佳後停產，現今部分藍標實為過去的綠標產品。黑標提供五年保固但價格昂貴。

資料處理與救援

• 電腦資料處理流程
  • CPU需要資料時，作業系統會指揮硬碟將資料讀取到高速的記憶體中，CPU直接與記憶體互動。
  • 存檔時，資料先寫入記憶體，作業系統會等待閒置時機再將資料寫回硬碟以提高效率。
• 不正常關機的風險
  • 由於無法確認記憶體中的資料是否已全部寫入硬碟，突然斷電可能導致這些暫存資料遺失，造成檔案損毀。
  • 為確保資料完整性，務必遵循標準的關機程序。

本次系列講座深入探討了個人電腦（PC）硬碟分割的歷史淵源、技術細節與實務操作。講師從IBM設計PC的歷史背景講起，解釋了IBM如何透過BIOS控制周邊硬體，以及鳳凰科技如何透過逆向工程開發相容BIOS，促成「相容IBM PC」時代的來臨。接著，講座詳細闡述了硬碟分割的演進，從最初的四個主要分割區限制，到為了解決不足而提出的「延伸分割區」與「邏輯分割區」概念。

講座的核心聚焦於主開機紀錄（MBR）的結構與運作原理，涵蓋其三個主要部分：開機管理程式（Bootloader）、分割區分配表（Partition Table）及結束標記（55AA）。講師深入探討了每個部分的位元組大小、功能、限制，以及CHS與LBA兩種定址方式的差異，並特別強調了MBR在LBA模式下存在2.2TB的容量限制，這也解釋了為何舊版作業系統（如Windows XP）無法支援大容量硬碟。

此外，課程介紹了Linux系統中硬碟和分割區的識別與編號規則（如sda、nvme0n1p1），並實際演示了如何使用ls和fdisk -l指令在Ubuntu和CentOS系統中查看硬碟及分割區的詳細資訊，比較了MBR與GPT分割表的差異。最後，透過實作練習，指導學員使用fdisk指令工具進行磁碟分割，包括建立複雜的MBR結構（主要、延伸、邏輯分割區）、刪除分割區、以及變更分割區類型（如設為NTFS），為後續的檔案系統格式化與掛載教學做好準備。

PC的歷史與硬體生態

• IBM PC的誕生與硬體策略
  • IBM在設計PC時，因資源有限，採用了組合外部廠商零件的策略，如Intel的CPU和Microsoft的作業系統。
  • 為了控制這個開放的硬體生態系，IBM透過在主機板的BIOS中加入特定編碼來綁定周邊廠商，要求廠商支付費用以獲得認證。
• 相容IBM PC的崛起
  • 美國的鳳凰科技（Phoenix Technologies）透過逆向工程開發出相容的BIOS，使主機板廠商無需向IBM購買昂貴的晶片，即可組裝電腦。
  • 此舉催生了「相容IBM PC」的概念，促進了PC市場的蓬勃發展。
• 蘋果的封閉生態策略
  • 蘋果吸取IBM的教訓，採取嚴格的封閉策略，從開機程序、CPU到晶片組都進行硬體綁定，其作業系統只識別特定合作的硬體型號。
  • 這導致了在普通PC上安裝蘋果作業系統的「黑蘋果」現象，常因硬體不被識別而失敗。

硬碟分割區的演進

• 早期的四分割區限制
  • IBM最初設計規定一顆硬碟最多只能有四個分割區（partition）。
  • 微軟的DOS系統使用字母作為磁碟機代號，A/B保留給軟碟機，硬碟從C槽開始，四個分割區很快就不敷使用。
• 延伸分割區與邏輯分割區的誕生
  • 為解決分割區數量不足的問題，IBM與微軟提出解決方案，維持最多四個「頂層」分割區的限制。
  • 允許將其中一個設為「延伸分割區」（Extended Partition），其餘最多三個為「主要分割區」（Primary Partition）。
  • 延伸分割區內部可再劃分出數量不限的「邏輯分割區」（Logical Partition），從而解決了磁碟機代號不足的問題。

主開機紀錄 (MBR) 的結構與功能

• MBR的定義與位置
  • MBR (Master Boot Record) 是用來辨別四個主要/延伸分割區的機制，固定位於整個磁碟的第一個磁區，大小為512位元組。
  • 現代所有儲存設備（包括GPT磁碟）都保留此結構以確保相容性。
• MBR 總體結構
  • MBR 結構可劃分為三個主要段落：

   1. 開機管理程式 (Bootloader)：佔用446位元組（實際程式碼空間440位元組），負責載入作業系統核心或顯示開機選單。
   2. 分割區分配表 (Partition Table)：佔用64位元組，用來記錄最多四個分割區的資訊。
   3. 結束標記 (End of MBR Signature)：佔用2個位元組，其值固定為 55AA，用來標示MBR內容的有效性。若此標記被修改，硬碟會被視為全新未格式化。

• 開機管理程式的種類
  • Lilo: 早期Linux的Bootloader。
  • GRUB (GRand Unified Bootloader): 目前主流Linux系統使用的Bootloader。
  • NTLDR / Windows Boot Manager: 微軟Windows系統使用的Bootloader。
  • SPFDisk: 由臺灣人開發的功能強大的圖形化開機管理程式。
• 分割區表 (Partition Table) 的詳細解析 (16位元組/分割區)
  • 開機旗標 (Boot Flag)：1位元組，80表示可開機。
  • CHS 起始/結束位置：共6位元組，記錄舊式CHS定址位置。
  • 檔案系統類型 (Partition Type)：1位元組，標示檔案系統，如07為NTFS，83為Linux。此為參考標記，可與實際格式不符。
  • LBA 起始位置：4位元組，記錄新式LBA定址的起始磁區編號。
  • LBA 總磁區數：4位元組，記錄此分割區的總磁區數。
• 定址方式與容量限制
  • CHS (Cylinder-Head-Sector)：舊式定址，最大支援約8.4 GB。
  • LBA (Logical Block Addressing)：新式定址。MBR使用32位元記錄LBA，最大可定址容量為 2³² 512 bytes = 2.2 TB。
  • MBR 的 2.2 TB 容量限制與 GPT
  • 由於LBA的32位元限制，MBR分割表無法支援超過2.2 TB的硬碟。
  • 為此，發展出了新的GPT（GUID Partition Table）格式，它沒有2.2TB的限制，可支援極大的硬碟容量。
  • 舊版作業系統（如Windows XP）不支援GPT，因此無法完整使用超過2.2TB的硬碟。

Linux 中的硬碟管理與 fdisk 操作

• 硬碟編號規則
  • 設備檔案位於 /dev 目錄下。
  • SATA/SCSI/USB 硬碟 (SD): 以 sd 開頭，sda為第一顆，sdb為第二顆。分割區編號1-4為主要/延伸分割區，從5開始為邏輯分割區。
  • NVMe 硬碟: 格式為 nvme<X>n<Y>p<Z>，如 nvme0n1p1 代表第一顆NVMe硬碟的第一個分割區。
• 查看硬碟資訊指令
  • ls -l /dev/sd: 快速列出所有sd開頭的硬碟與分割區。
  • fdisk -l /dev/sda: 詳細列出指定硬碟的分割表類型（MBR/GPT）、磁區大小、分割區詳細資料等。
• fdisk 指令工具基礎操作
  • fdisk /dev/sdb 進入對話式分割模式。
  • 常用指令:
  • m: 顯示說明。
  • p: 印出目前的分割區表。
  • n: 新增分割區。
  • d: 刪除分割區。
  • t: 變更分割區的系統ID類型。
  • a: 設定或取消啟動磁碟標記 (僅適用MBR)。
  • o / g: 建立新的MBR / GPT分割表。
  • w: 將變更寫入磁碟並離開（此為實際生效指令）。
  • q: 不儲存變更並離開。
• 安全操作與4K對齊
  • 在執行 w 前，所有操作僅在記憶體中，可隨時用 q 安全退出。
  • fdisk 建議的起始磁區 2048 是為了「4K對齊」，可優化現代硬碟的讀寫效能。