4K扇区高级格式 西数新绿盘中的奥秘

来源地址： http://www.beareyes.com.cn/2/lib/201001/25/20100125261_1.htm
英文原文地址： http://www.anandtech.com/show/2888

近日，我们有机会了解到西部数据的一种全新的硬盘驱动器技术。在未来这项新技术会造福于每一款西数硬盘，他们亲切的称之为——高级格式。目前西数已经发布了第一款支持高级格式的驱动器产品。它就是1TB容量的西数绿色硬盘，具备7200RPM的主轴转速和64MB的高速缓存。

首先，让我们从简单的介绍开始，让大家了解什么是所谓的“高级格式”。简要来说，目前在硬盘驱动器行业中，传统的硬盘在格式化，每一个扇区的大小都是512B字节，而西数的高级格式就是将其扇区划分为4KB。更为高级的磁盘格式就此诞生。

在现代硬盘的设计制造中，有许多开发人员需要克服的问题。往往硬盘厂商都会在硬盘的容量与速度上，寻找一些平衡点。磁盘密度，这个很好理解，就是硬盘碟片所能存储数据的最大容量与碟片面积之比。磁介质密度越大，那么就意味着磁盘的容量越大。

SNR信号杂讯比，从硬盘驱动器中读取的数据，肯定会有一些错误。通常我们都使用ECC奇偶校验来查找和纠正任何偶发的错误。不过由于磁盘存储密度的增加，扇区变得越来越小，其信号杂讯比也越来越低。为了弥补这个问题，硬盘存储数据的结构必须发生革新，ECC奇偶校验位的长度被拓宽。使用更多的奇偶校验位，可以保证硬盘在读取时，有更多的数据被校验，保证数据的可靠性。因此对于硬盘制造而言，他们想要提高硬盘的纠错能力，就需要更多的ECC数据存放空间。

随着存储密度的提高信号杂讯也多了起来

在这一过程当中，驱动器制造商必须尽可能的获得更多的地址空间。也就是说他们必须添加足够多的ECC数据才能获得以前存储密度时的杂讯比率。不过沿用这种方法和思想也就限制了大容量驱动器的发展。对于硬盘厂商来说，ECC是一把双刃剑。一方面他们可以简单的通过增加ECC位的方式来推出新的硬盘。另一方面，这样做就像是毒药一样，让整个硬盘存储行业难有飞跃。这对于普通消费者来说也不划算。硬盘中实际能存储数据的空间变少了，而多出了许多无用的ECC奇偶校验位。由此，驱动器制造商要想构建更大容量的硬盘，他们就要尽可能的减小这些额外空间的花销。

问题就出在这里，通常情况下ECC纠正错误会在512B的扇区中进行，而在更大的扇区中校验数据才能让ECC更有效的工作。就拿NTFS系统文件格式来说，一般一个簇是由8个扇区组成，一个簇的容量应该是4096B，即4KB。但是在硬盘中存储一个簇的数据，需要使用更多的ECC位来纠错。

西部数据将一个扇区的容量从以前的512B扩展到4KB。这样会带来什么好处呢？根据西数介绍采用4K技术后一个扇区的ECC校验位，需要100B，而传统采用512B容量扇区，在一个簇中，需要320B的ECC。（40*8）

很多人会问，为什么以前的硬盘不采用4K扇区技术呢？其实那属于一个历史遗留问题。如上文所述，4K的扇区容量要远远大于512B扇区，这也就意味着需要更长且连续的ECC位。处理这些较长的ECC讯息会对性能造成不小影响。所以传统硬盘厂商会将扇区的容量控制在1KB以下。但是现在随着半导体技术的革新，硬件的ECC纠错性能已经今非昔比。

另一方面，4K也是一个非常神奇的数字，它在计算机系统中有很多独到的应用。例如，x86处理器处理数据时，一个内存页的容量为4K。这是x86架构根深蒂固的数据格式。反过来x86页的容量大小，也决定了文件系统中簇的大小，是最小的系统文件存储单位。由此内存的页与硬盘的簇会一一对应。这可以有效的保证硬盘空间的利用效率，同时也能兼顾系统的处理速度。当系统要存放小于4k容量的文件时，一部分空间就会被浪费。如果当簇的容量被分的再小时，系统的性能就会有较大的下降。在现代各种文件系统中，NTFS、EXT3和HFS+这些系统文件格式默认的簇大小都是4KB。因此4KB物理扇区会非常完美的对应一个簇的容量大小，也会非常完美的对应4KB的内存页。

上面说了这么多理论知识，那么4K的扇区对于消费者来说，都能带来哪些直观的好处？目前……不是很多。以前的512B扇区格式根深蒂固，要想一夜之间让4K扇区风靡起来并不容易。不过这些就是西部数据目前工作的重点，说服大家使用新的4K扇区，同时要让旧的操作系统支持4K扇区格式。可以预见的最大好处是，在未来西部数据和其他硬盘驱动器厂商可以更容易的设计出超过2TB容量的硬盘。

从理论上来说，西部数据估计，4K扇区技术会在未来带来7%-11%的效率增加。ECC突发纠错性能会有50%的增长，而总体的纠错能力会有2位数增长。理论上来说，这会显著增加系统的可靠性，应该说目前所有的驱动器都适应4K扇区格式，这也会使得采用西数的“高级格式”所格式化的硬盘，可靠性更高。

更有效率的格式

下面我们来谈谈最为实际的问题，磁盘系统文件格式如何革新？一个过度时期是非常有必要的。在从512B到4K扇区的过度时期，将采用一种名曰：512B仿真技术。具备“高级格式”技术的硬盘控制器，可以在操作系统下模拟出512B的分区容量，但是实际硬盘内部却还是使用的4K扇区。不幸的是，这种模拟方法有些缺点，西数正在大力呼吁，希望得到操作系统级的支持，使用真正的4K扇区。

传统意义上的两个簇内的扇区分布

假如对512B扇区进行仿真，就牵扯到一个数据对齐的问题。仿真读取写入时有可能造成跨扇区操作。将两个相邻的4K扇区内的数据，看做是一个传统扇区的位置。这有可能造成数据错误。

4K扇区在模拟512B扇区时，也会会发生跨区操作的问题

在XP下，仅有8个LBA逻辑区块地址可以对齐

现在，我们已经理解了4K到底是什么东西，为什么其他驱动器厂商要转向这个技术，512B仿真器也存在的潜在缺陷，你可能会问一句那些操作系统会受到影响？

最大的问题是，虽然4K扇区的一款硬盘雏形早在1998年就已经出现了，但是直到Window XP发布之后，它才慢慢被业界所关注。因此，Windows 5.x版本的操作系统都不支持4KB扇区的概念，这也就包含了2K、XP、2K3等诸多视窗系统。西部目前在硬盘的控制器中已经集成了512B扇区模拟器，对于Windows 6.x系统和以后的系统（vista和Win7），都会有一个较好的支持。特别是目前流行的Windows 5.x系统，第一个分区将出现在LBA63此后的一个512B扇区，后面的扇区将不会重合。本质上将所有的Windows 5.x系统都将创建在第一个分区点后面的分区中。这会使得硬盘在默认情况下有许多性能损失。

虽然Windows 5.x是主要的受害者，其他版本的Windows也会受到波及和影响。随着4K系统文件慢慢开始流行起来的时候，应用软件的作者也要对4K扇区有足够的重视。否则，软件可能不小心错位读取了硬盘的扇区。具体请详见下表：

值得注意的是，Linux和Max OS X并不受此问题影响。西数已经测试过着两种操作系统了，并已经宣称他们不受影响。你也不必使用西数的磁盘工具对自己的硬盘进行格式化转换工作。

为了解决数据错位问题，西数提供了2种解决方案。第一个解决方案是专门为Windows 5.x操作系统准备的。硬盘有一个跳线可以自动矫正Windows 5.x系统的扇区。将硬盘跳到7和8针脚的位置，高级格式就会启用。硬盘驱动器将使用x + 1的工作模式，硬盘的各种读写和分区工作都会在LBA 63之后的，第LBA 64开始。但是这样做还有一个弊端，你只能将硬盘划分为一个磁盘分区。如果你需要将硬盘分成多个分区的话，那么分区起始的一部分空间也不能被使用。偏移错位的区域只能在硬盘分区表中被标记为坏分区将其屏蔽。这也就是说你分的区越多，你的硬盘空间浪费的越多。

第二种方法是利用西部数据提供的对齐实用工具。将错位的分区移动归位。这样错位和偏移的扇区就会对齐到一起。这个方案更适合在Windows 5.5下要建立多个分区的供用户使用。这些分区都是由Windows系统支持的默认格式所建立，所以你也就不必担心数据发生错位和偏移，破坏分区表之类的事情了。

这款工具可以从西部数据的官方网站上下载，虽然它的界面相当简单，仅仅是一个脚本CLI程序，但是它能很好的完成任务。运行工具所需的时间，需要根据实际的数据迁移量来估算，而不是你分区的大小。基本上来说，它会无视剩余空间的大小。因此我建议你在新装操作系统前，就立即运行这个工具，尽量减小所要迁移的数据。

不幸的是，这个工具仅仅可以用来识别西数的“高级格式”驱动器，并不支持其他厂商和系列的驱动器。从技术角度讲上它可以让你的电脑更好的使用模拟的512B扇区，但事实上，在硬盘的内部已经发生了根本性的变化。硬盘已经是4K分区。

那么我们要等到什么时候才能用上西数的第一只支持高级格式的4K驱动器呢？事实上，在新一代的西数绿盘中已经在使用这种技术了。它被用在了1TB、1.5TB和2TB的西数绿盘中。区分这些驱动器非常简单。第一是具备64MB容量高速缓存的西数绿盘。第二，他们的驱动器型号都会冠以如WD10 EARS的字样。

虽然我们之前所说的，关于4K扇区的种种好处，西部数据并不会作为一项重大的产品进行宣传和发布这些硬盘驱动器。相反，他们在软件层和操作系统层慢慢的推动整个存储行业接受4K。西部数据非常低调的推出了支持4K技术的绿色硬盘产品。

小编认为，西数如此低调的在市场中供应4K硬盘有几点原因。第一，怕吓走用户，4K扇区的硬盘从理论上来说存在一定数据风险。同时对于操作系统的支持也存在一定兼容性问题。第二，西数希望4K硬盘能慢慢形成规模，凭借自己在消费硬盘市场占有率，到2011年的时候，支持高级格式的4K硬盘会在市场中占有相当大的比重。另外在Windows 5.x操作系统中，每个人还都在使用模拟512B扇区模式。西数还要慢慢等待Windows7用户不断的壮大起来。而微软也很难在短时间内，专门为西数推出XP的新补丁。

西数声称现有的Linux和Windows 6.x以上操作系统可以很好支持高级格式，由此看来升级到Windows7又多了一个很好的理由。