硬盘寻址的变换–硬盘大小在突破中前进

因为硬件、软件设计上的缺陷，大容量硬盘曾在历史上多次造成麻烦，最近一次硬盘容量问题出现在2.2TB身上，因此在开发Windows 8的时候，微软就充分考虑了大容量硬盘的完整支持问题，以及新的4KB扇区格式。

1, 8G限制-硬盘寻址的限制 硬盘最初使用的寻址方法是柱面/磁头/扇区CHS（Cylinder/Head/Sector），也称为3D模式，是硬盘最早采用的寻址模式。通过分别指定柱面、磁头、扇区来确定某个数据块的确切位置，它是在硬盘容量较小的前提下产生的。硬盘的C/H/S 3D参数既可以计算出硬盘的容量，也可以确定数据所在的具体位置。这是因为扇区的三维物理地址与硬盘上的物理扇区一一对应，即三维物理地址可完全确定硬盘上的物理扇区。三维物理地址通常以C/H/S的次序来书写，如C/H/S为0/1/1，则第一个数字0指0柱面，第二个数字1指1磁头（盘面），第三个数字1指1扇区，表示该数据位于硬盘1盘面上的0磁道1扇区。现在定位已完成，硬盘内部的参数和主板BIOS之间进行协议，正确发出寻址信号，从而正确定位数据位置。 早期硬盘一个磁道上分 63个扇区，物理磁头最多 16个（ 8个盘片，盘片多了硬盘那就真要加厚了）。采用 8位寻址方式， 8位二进制位的最大值是 256（ 0-255），可以表示磁头数，而扇区只有 63个（ 1-63），只需要其中 6个二进制位即可表示，剩下 2位拿去表示柱面，柱面数用 10(8+2)位来表达，达到 1024个柱面（ 0-1023），因此总扇区数（ 1024×16×63）。前面说一个扇区大小为 512byte，这也就是说，如果以 C/H/S寻址模式寻址，则 IDE硬盘的最大容量只能为 1024×16×63×512B= 500MB左右。 可以思考下，在8位寻址模式下，其实可以寻址的硬盘最大容量为1024×256×63×512B =8G,那为啥CHS模式硬盘只支持到500MB呢因很简单，我们的硬盘盘片不可能让128片盘片重叠起来吧，那会是多厚
2,  137G限制-主板的限制
   经常去买硬盘的人都知道，目前硬盘经常都说单碟、双碟，其实意思就是说硬盘盘片只有 1个或者 2个，而且都只是用一面，单碟一个磁头而已，但是硬盘容量确是几百 G，而且硬盘柱面往往都大于 1024个柱面， CHS是无法寻址利用完这些硬盘容量的。   另外由于老硬盘的扇区划分方式对硬盘利用率不高，因此出现了现在的等密度盘，外圈的扇区数要比内圈多，原来的 3D寻址方式也就不能适应这种方式，因此也就出现了新的寻址方式 LBA，这是以扇区为单位进行的线性寻址方式，即从最外圈柱面 0开始，依次将扇区号编为 0、 1….等等，举个例子，假设硬盘有 1024个柱面，由于是等密度硬盘，柱面 0(最外圈 )假设有 128个扇区，依次编号为 0-127，柱面 1有 120个扇区，则依次编号为 127-246， …..依次最内圈柱面 127只有扇区 64个，则编号到最后。因此要定位到硬盘某个位置，只需要给出 LBA数即可，这个就是逻辑数。   在 LBA   模式下，为了保留原来 CHS 时的概念，也可以设置柱面、磁头、扇区等参数，但是他们并不是实际硬盘的物理参数，只是为了计算方便而出的一个概念， 1023 之前的柱面号都一一物理对应，而 1023 以后的所有柱面号都记录成 1023 磁头最大数可以设置为 255 ，而扇区数一般是每磁道 63 个， 硬盘 控制器会把由柱面、磁头、扇区等参数确定的地址转换为 LBA 数。      LBA寻址方式的出现解决了CHS寻址对硬盘大小的限制。利用 LBA 方案，每个扇区都拥有一个预定义的大小（直到最近，每个扇区的大小一直为 512 字节），而且计算机将以单调递增的顺序对各扇区进行寻址，即从“扇区 0”开始，一直到“扇区 n”，其中：

n =（以字节为单位的总容量）/（以字节为单位的扇区大小）

尽管 LBA 寻址方式在理论上可实现对无穷大容量的访问，但在实践中，“n”的最大值会受到相关“磁盘分区方案”的限制。

但是新的问题又出现了，早些时候出产的主板大多使用28bit LBA硬盘寻址方式，而LBA方式是指以逻辑块方式使用硬盘的，其中每个逻辑块的大小是512字节。于是在28位LBA硬盘寻址方式下，逻辑块数目的理论 极限是2的28次方即268435456块，每块乘以512字节，则硬盘的理论容量极限就是：268435456（块）*512（字 节）=137,438,953,472字节=137GB。当然，这也是由于以前人们使用的硬盘的大小通常都较小，主板的发展脚步要落后于硬盘的发展，后来 到了硬盘已经超过137GB大小的时候，主板生产规则还停留在采用28bit LBA硬盘寻址的时代，于是137GB容量限制的就来了！但这种方法在137GB以上容量硬盘面前就失效了。
3, 2.2T的限制-磁盘分区机制
超过了137GB的容量以后，需要48位寻址的支持来突破137GB的容量。 2001 年底，按照Big Drives规范（世界T13组织的48 bit寻址解决方案），主板芯片组南桥必须支持137G以上的硬盘容量，很多芯片组厂商都推出了符合Big Drives规范的南桥芯片。48位寻址模式可以寻址的扇区数为2的48次方即281,474,976,710,655，这样可支持的硬盘容量就达到了 281,474,976,710,655×512=144,115,188,075,855,872字节，大致相当于 144PB（1PB=1000,000,000,000,000字节），对普通用户接近于无穷大，在一定时间内应该是足够使用了        LBA寻址方法理论上支持超大硬盘容量，但实际上扇区的数量还受制于磁盘分区机制。

磁盘分区的概念可以追溯到二十世纪八十年代初，是系统管理员们为了方便使用不同文件系统存储数据而发明的。主引导记录(MBR)分区表支持最多32-bit信息，换算成字节数就是2的32次方，也就是大约2.2TB。

你也许会蔑视他们的“短视”，但在三十年前的人们看来，2.2TB几乎就是个遥不可及的天文数字，要知道当时最大的民用硬盘也不过5MB，而价格超过1500美元。

其实刚刚进入九十年代的时候，人们就已经意识到了2.2TB容量限制问题，为此多家公司联合制定了一种弹性的分区机制，这就是GUID分区表，简称 GPT，并将其做为UEFI(统一可扩展固件界面)规范的一部分。GPT支持最多64-bit信息，理论最大容量为9.4ZB，相当于 9400000000TB。又是一个“天文数字”，不过说不定哪天就会成为第二个“2.2TB”。

4, 4K大小的扇区

  UEFI从设计之初就考虑了对GUID分区表合超大容量硬盘的支持，所有硬盘都内建了某种形式的错误纠正信息和逻辑，以便在读取磁盘碟片的时候自动处理信噪比(SNR)。随着硬盘容量的增大，数据存储位越靠越 近，SNR随之降低，硬盘的每个扇区就都不得不存储更多的ECC(错误校验码)，以弥补读取错误，512字节的狭窄扇区空间慢慢就不够用了。

于是，硬盘厂商将扇区容量扩大到了4KB，称之为“高级格式”(AF)，并使用了新的ECC编码机制，可以更高效地纠正错误，所占存储空间也更少，等同于扩大了可用容量。目前，西数、希捷等硬盘厂商都逐渐普及了4KB扇区格式。

扇区容量增大到4KB，数据的更新也必须按照这个尺寸来，所以为了实现更小数据块的逻辑寻址，硬盘必须做一些额外的工作。 

如上图，一个4KB物理扇区仍然可以划分成512字节逻辑扇区进行逻辑寻址。为了写入单独一个512字节的逻辑扇区，硬盘不能简单地把磁头挪到 4KB物理扇区上就写入，而是需要先把整个物理扇区中的数据读取到缓存中，在那里修改相应的512字节逻辑扇区，然后再整体写回去，覆盖旧扇区。这叫做 “读取-修改-写入”(Read-Modify-Write)。 

有这种中间转换层的硬盘叫做“4K with 512-byte emulation”，缩写为512e，而没有的叫做“4K Native”，即一个是模拟的，一个是原生的。

读取-修改-写入可能会在面临大容量非一致性数据的时候影响实际性能，因为Windows必须确保应用程序能够提取整个4KB物理扇区，应用程序则需要确保I/O的一致性以报告物理扇区尺寸。
 附录：MBR介绍

来源：卫见见