在STM32上实现NTFS之4：GPT分区表的C语言实现（1）：主GPT表头的实现

题外话：在荒废了很久没有更新之后……某日突然收到读者的站内信！内容大体是询问GPT分区表信息的读取方式，笔者激动万分之下，决定继续解剖NTFS……其实GPT严格上不算是NTFS的内容， GPT和MBR类似，都属于像是“容器”的东西，容纳的都是一个个的分卷，可以是NTFS，可以是FAT32，等等。

上一节讲到了DPT与MBR的C实现，既然已经提到了GPT分区表，不妨这一节就解剖一下GPT分区表，MFT留待之后再述。好，继续……

GPT分区全名为Globally Unique Identifier Partition Table Format。关于GPT的优点，包括无限分区数量、更高的安全性、更大的分卷容量，等等这些都不详细叙述了，大部分电脑网站上一片GPT相关文章都有这些内容。我们主要讲如何用C实现它，在这个过程中，大家会详细的了解为什么会有这些优点。

开始的工作于之前相同，先用DiskGenius格式化一块硬盘，转换成GPT的分区表，并且建立5个分区，如图1。因为MBR只支持4个主分区-_-|||，所以为了显示GPT的优越性之一，我们建立5个分区。

图1 使用DiskGenius建立的5个分区，以及ESP和MSR分区

以GPT建立分区时，DiskGenius会询问是否建立ESP和MSR分区，在这里解释一下ESP和MSR。ESP分区是用于装系统时的UEFI引导分区，这也是GPT于MBR的区别之一，MS的系统启动方式分为老旧的BIOS和新的UEFI，BIOS启动方式只能用于MBR分区表的硬盘，UEFI则从原则上同时支持GPT和MBR，但MS限制只能用GPT启动UEFI。说到MS，顺便提一下各个版本的Windows对GPT的支持程度，从XP开始所有Windows都可以读写GPT分区，但32位XP不支持从GPT分区启动。而MSR，它是留给操作系统和别的东西用的，因为GPT不支持隐藏分区，操作系统一直使用的隐藏分区来保存关键数据的做法就没法用了，所以为了不在资源管理器里显示一个很小的磁盘并让用户误删除，直接标记一个MSR分区，并且使MSR不显示于资源管理器，是一个更好的做法。

值得注意的，MSP必须在第一次分区之前建立，也就是说我们要创建GPT分区，需要先创建MSR，然后在建立分区。磁盘逻辑上的顺序为：ESP，可选的OEM，MSR，分区1，分区2，……

更详细的有关操作系统的知识，网上文章超多，就不更多的介绍了。

GPT分区表结构如图2所示，在GPT分区中，每一个数据读写单元成为LBA（逻辑块地址），一个“逻辑块”相当于传统MBR分区中的一个“扇区”，之所以会有区别，是因为GPT除了要支持传统硬盘，还需要支持以NAND FLASH为材料的SSD硬盘，这些硬盘的一个读写单元是2KB或4KB，所以GPT分区中干脆用LBA来表示一个基础读写块，当GPT分区用在传统硬盘上时，通常，LBA就等于扇区号，有些物理硬盘支持2KB对齐，此时LBA所表示的一个逻辑块就是2KB的空间。

图2 GPT分区表结构

从图中可以看出，整个GPT分区表被分成了70个LBA，其中第0个LBA是“Protective MBR”，从字面意思是被保护的MBR信息，这个是为了和传统MBR分区表相兼容，以便一个识别程序可以顺利识别出一块硬盘是MBR分区结构还是GPT的。

如图3显示整个磁盘的物理0扇区数据，大部分是0，但这不影响我们看出他是一个MBR的分区表，这个分区表中只有一项主分区数据，可以看到0x1C2处记录的系统信息是0xEE，我们在GPT和MBR综合的程序中，将根据这个0xEE区分一块硬盘使用的是GPT还是MBR，函数如下：

 1 #define PDT_GPT 0
 2
 3 #define PDT_MBR 0
 4
 5 ...
 6
 7 bool PartitionTableDetermination(unsigned char* SectorData)
 8
 9 {
10
11     if (SectorData[0x1C2] == 0xEE)
12
13         return PDT_GPT;
14
15     else
16
17         return PDT_MBR;
18
19 }

调用方法如下：

 1     if (PartitionTableDetermination(SectorBuffer) == PDT_GPT)
 2
 3     {
 4
 5         printf("该硬盘是GPT分区表\n");
 6
 7     }
 8
 9     else if (PartitionTableDetermination(SectorBuffer) == PDT_MBR)
10
11     {
12
13         printf("该硬盘是MBR分区表\n");
14
15     }

运行结果如下：

图3 磁盘物理0扇区数据

LBA1，这是一个叫做Primary GPT Header的东西，中文大概叫“主GPT头”，它主要是给出了一些重要的信息，如下表所示：

根据这个表格我们可以写出两个结构体，分别来装主GPT头的数据和信息：

 1 #pragma pack(1)
 2
 3  typedef struct
 4
 5 {
 6
 7     uint8_t EFIPARTSign[8];            //固定字符串“EFI PART”
 8
 9     uint8_t GPTVersion[4];            //GPT版本号
10
11     uint8_t PrimaryGPTHeaderLength[4]; //主GPT头大小
12
13     uint8_t PrimaryGPTHeaderCRC32[4];  //主GPT头的CRC32校验数据
14
15     uint8_t Reserve[4];                //保留
16
17     uint8_t PrimaryGPTHeaderStart[8];  //主GPT头起始扇区号
18
19     uint8_t PrimaryGPTHeaderBackup[8]; //主GPT头备份位置扇区号
20
21     uint8_t GPTPartitionStart[8];      //GPT分区起始扇区号
22
23     uint8_t GPTPartitionEnd[8];        //GPT分区结束扇区号
24
25     uint8_t DiskGUID[16];              //磁盘的GUID
26
27     uint8_t PartitionStart[8];         //分区表起始扇区号
28
29     uint8_t PartitionTables[4];        //分区表项数目
30
31     uint8_t BytesPerPartitionTable[4]; //每个分区表占用字节数
32
33     uint8_t PartitionTableCRC32[4];    //分区表CRC校验数据
34
35     uint8_t Reverse2[4];                 //填充数据00
36
37 }GPT_Byte;
38
39 #pragma pack()
40
41 typedef struct
42
43 {
44
45     uint8_t  GPTVersion[4];          //GPT版本号
46
47     uint32_t PrimaryGPTHeaderLength; //主GPT头大小
48
49     uint32_t PrimaryGPTHeaderCRC32;  //主GPT头的CRC32校验数据
50
51     uint64_t PrimaryGPTHeaderStart;  //主GPT头起始扇区号
52
53     uint64_t PrimaryGPTHeaderBackup; //主GPT头备份位置扇区号
54
55     uint64_t GPTPartitionStart;      //GPT分区起始扇区号
56
57     uint64_t GPTPartitionEnd;        //GPT分区结束扇区号
58
59     uint8_t  DiskGUID[16];           //磁盘的GUID
60
61     uint64_t PartitionStart;         //分区表起始扇区号
62
63     uint32_t PartitionTables;        //分区表项数目
64
65     uint32_t BytesPerPartitionTable; //每个分区表占用字节数
66
67     uint32_t PartitionTableCRC32;    //分区表CRC校验数据
68
69 }GPT_Info;

并且写出获取GPT信息并完成大小端模式转换的函数：

 1 void GetGPTInfo(GPT_Info* GPTInfo)
 2
 3 {
 4
 5     GPT_Byte GPTbuffer;
 6
 7     HANDLE hdl = GetDiskHandle(PHYDRIVE);//获取一个指定物理驱动器句柄
 8
 9     ReadSectorData(hdl, 1, (char*)(void*)&GPTbuffer);
10
11     GPTInfoTransferLittleEnd(&GPTbuffer, GPTInfo);
12
13 }
14
15
16
17 void GPTInfoTransferLittleEnd(GPT_Byte* src, GPT_Info* dest)
18
19 {
20
21     memcpy(dest->GPTVersion, src->GPTVersion, 4);
22
23     dest->PrimaryGPTHeaderLength = ArrayToU32LittleEnd(src->PrimaryGPTHeaderLength);
24
25     dest->PrimaryGPTHeaderCRC32  = ArrayToU32LittleEnd(src->PrimaryGPTHeaderCRC32);
26
27     dest->PrimaryGPTHeaderStart  = ArrayToU64LittleEnd(src->PrimaryGPTHeaderStart);
28
29     dest->PrimaryGPTHeaderBackup = ArrayToU64LittleEnd(src->PrimaryGPTHeaderBackup);
30
31     dest->GPTPartitionStart      = ArrayToU64LittleEnd(src->GPTPartitionStart);
32
33     dest->GPTPartitionEnd        = ArrayToU64LittleEnd(src->GPTPartitionEnd);
34
35     memcpy(dest->DiskGUID, src->DiskGUID, 16);
36
37     dest->PartitionStart         = ArrayToU64LittleEnd(src->PartitionStart);
38
39     dest->PartitionTables        = ArrayToU32LittleEnd(src->PartitionTables);
40
41     dest->BytesPerPartitionTable = ArrayToU32LittleEnd(src->PartitionTables);
42
43     dest->PartitionTableCRC32    = ArrayToU32LittleEnd(src->PartitionTableCRC32);
44
45 }

调用方式如下：

 1     GPT_Info GPT;
 2
 3     GetGPTInfo(&GPT);
 4
 5     printf("GPT版本号：%.2X%.2X%.2X%.2X\n", GPT.GPTVersion[0],
 6
 7         GPT.GPTVersion[1],
 8
 9         GPT.GPTVersion[2],
10
11         GPT.GPTVersion[3]);
12
13     printf("主GPT头大小：%d\n", GPT.PrimaryGPTHeaderLength);
14
15     printf("主GPT头的CRC32校验数据：0x%.8X\n", GPT.PrimaryGPTHeaderCRC32);
16
17     printf("主GPT头起始扇区号：%d\n", GPT.PrimaryGPTHeaderStart);
18
19     printf("主GPT头备份位置扇区号：%d\n", GPT.PrimaryGPTHeaderBackup);
20
21     printf("GPT分区起始扇区号：%d\n", GPT.GPTPartitionStart);
22
23     printf("GPT分区结束扇区号：%d\n", GPT.GPTPartitionEnd);
24
25     printf("磁盘的GUID：%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X%.2X\n",
26
27         GPT.DiskGUID[0], GPT.DiskGUID[1],
28
29         GPT.DiskGUID[2], GPT.DiskGUID[3],
30
31         GPT.DiskGUID[4], GPT.DiskGUID[5],
32
33         GPT.DiskGUID[6], GPT.DiskGUID[7],
34
35         GPT.DiskGUID[8], GPT.DiskGUID[9],
36
37         GPT.DiskGUID[10], GPT.DiskGUID[11],
38
39         GPT.DiskGUID[12], GPT.DiskGUID[13],
40
41         GPT.DiskGUID[14], GPT.DiskGUID[15]);
42
43     printf("分区表起始扇区号：%d\n", GPT.PartitionStart);
44
45     printf("分区表项数目：%d\n", GPT.PartitionTables);
46
47     printf("每个分区表占用字节数：%d\n", GPT.BytesPerPartitionTable);
48
49     printf("分区表CRC校验数据：0x%.4X\n", GPT.PartitionTableCRC32);

运行，可以看到结果如图4，与图5的DiskGenius显示的数据吻合，唯一有区别的是磁盘的GUID，但因为我们将它处理成数组格式，而DiskGenius处理为5个不等长度的小端数据：

图4 获取主GPT头信息

图5 DiskGenius显示的磁盘信息

GPT分区表先讲到这，本节主要解析了主GPT头的信息，关于LBA2之后的东西，下一节继续。

这一节总体上非常混乱，因为时隔9个多月重新捡起来，加上这段时间的编码水平略微提高，感觉之前的代码就是一坨[高雅]，所以这一节也没有像第三节一样吧整个文件贴出来。准备抽时间把之前的代码重构一下，然后每一次直接发一个压缩包，也省的每次都对大段代码进行排版，大家都方便^_^。