До сегодняшнего дня мы достаточно подробно разбирали универсальные жесткие диски, такие как Barracuda 7200.14 и WD Caviar Blue/Black. При этом многие пользователи в прайс листах компьютерных магазинов могут заметить существование таких жестких дисков, как Western Digital AV-25, Western Digital Caviar Green, Seagate Barracuda Green, Seagate Barracuda ST1000DM003, Western Digital AV-GP. Стоимость данных винчестеров не сильно отличается от универсальных продуктов, но при этом все они обладают одной уникальной особенностью - поддержкой технологии Advanced Format.
Как можно понять из названия самой технологии, Advanced Format, предполагает расширенный режим форматирования жесткого диска. При этом если стандартные жесткие диски имеют физические сектора размерами по 512 байт, то жесткие диски с технологией Advanced Format имеют физический сектор размерами 4 килобайта, то есть содержат в себе четыре стандартных сектора. Данная технология была разработана IDEMA Long Data Sector Committee.

Ключевой необходимостью внедрения данной технологии является удешевление стоимости современных жестких дисков, которые при стандартных габаритах в 3,5 дюйма имеют объемы хранения данных до 4 Тб и уже через некоторое время обещают покорить заветные 8 ТБ. При этом жесткие диски переходят на работу с секторами по 4 килобайта и производят чтение/запись данных сразу по 4 Кб, а не по 512 байт, как в обычных решениях. При этом теоретически уменьшается количество механических движений головок и пластин жесткого диска с одновременным снижением энергопотребления, шумности и расширяются возможности использования более высокотехнологичных магнитных дисков с дорожками по 70 нанометров.

Картинка кликабельна --

Необходимость Advanced Format назрела давно
Необходимость перехода на 4 килобайтные сектора назрела достаточно давно, так как современные операционные системы даже в рамках популярной файловой системы NTFS используются кластера размерами по 4 килобайта, то есть фактически, операционная система все равно работает данными по 4 килобайта. В реальных же условиях файловая система с кластерами по 512-1024 байта использовалось лишь в операционных системах DOS, Windows 95/Windows 98 и в некоторых случаях Windows Vista. Поэтому необходимость создания секторов по 512 байт является обузой для производителей жестких дисков, так как производить разметку новых более технологичных жестких дисков на мелкие 512 байтные сектора в разы труднее, нежели их разметка на сектора размерами по 4 килобайта.

Картинка кликабельна --

Advanced Format - больше места на диске
Переход на новый формат Advanced Format подразумевает увеличение свободного пространства жесткого диска. При разметке жесткого диска на сектора по 512 байт, каждый сектор дополняется 50 байтами для кода коррекции ошибок, тем самым пользователь получает лишь 87% фактического места на магнитном диске жесткого диска. В случае использования технологии Advanced Format на каждый сектор размером в 4 килобайта используется 100 байт пространства для кода коррекции ошибок, тем самым экономится 50% пространства и пользователь получает возможность использования 96% физического пространства каждого магнитного диска.

Картинка кликабельна --

Совместимость жестких дисков Advanced Format
На сегодняшний день полноценная поддержка нового формата жестких дисков реализована начиная с Windows Vista, поэтому современные компьютеры на базе Windows 7 и Windows 8 готовы к работе с новинками. Как правило, пользователи вовсе не замечают какой-либо разницы от использования нового типа жестких дисков.

Реализована полноценная поддержка Advanced Format в последних дистрибутивах операционной системы Linux и решениях от Apple под управлением Mac OS X. А вот от использования Windows XP покупателям жестких дисков Advanced Format придется отказаться. Связано это с тем, что данная операционная система не готова к работе с секторами по 4 килобайта, поэтому контроллер жесткого диска совместно с драйверами будет вынужден эмулировать обычные 512 байтные сектора в рамках одного 4 килобайтного реального сектора. Это приводит к повышению нагрузки на вычислительную часть и тормозит процесс чтения/записи данных. Как правило, отмечается падение производительности вплоть до нескольких мегабайт в секунду и работа становится практически не выносимой.

Самое плохое от использования Windows XP на жестких дисках Advanced Format заключается в том, что жесткий диск из-за необходимости эмуляции оказывается вынужденным многократно считывать один и тот же сектор, что ведет к повышенному износу его механической части.

Определенные нюансы использования Windows XP на жестких дисках Advanced Format заключается также в том, что первый раздел данная операционная система начинает с 63 сектора, в то время как для жестких дисков Advanced Format критичным является начало раздела с 64 сектора, чтоб он был строго кратен восьми. Это позволяет жесткому диску перестать за один запрос кластера считывать два сектора по 4 килобайта и повысить производительность даже в условиях работы под управлением старой Windows XP.

Производители жестких дисков Advanced Format имеют утилиты и собственные технологии для решения данной проблемы. Компания Seagate предлагает технологию Seagate SmartAlign, которая самостоятельно решает проблему форматирования жестких дисков Advanced Format, а компания Western Digital своим покупателям предлагает пользоваться утилитой WD Align System или специальным джампером на жестком диске, которые реализован не на всех экземплярах.

Картинка кликабельна --

Насколько актуален Advanced Format
Естественно, в условиях старой размерности сектора по 512 байт не может продолжаться дальнейшее развитие жестких дисков, т.е. увеличения их объема. Рано или поздно жесткие диски со стандартными секторами в 512 байт полностью исчезнут с рынка. Внедрение технологии Advanced Format было начато в 2009 году, массовый пользователь увидел новые жесткие диски в 2010 году. Предполагалось, что стремительное внедрение нового формата будет закончено уже в 2011 году, а в 2012 году стандартные жесткие диски с секторами по 512 байт вовсе покинут прилавки магазинов. Объективно мы не наблюдаем массового вытеснения. Скорее можно отметить параллельное существование на рынке жестких дисков со стандартными 512 байтными секторами и жестких дисков с секторами по 4 килобайта в рамках технологии Advanced Format.

Производители жестких дисков переход на новый формат Advanced Format объясняют не сколько необходимостью увеличения вместимости самих жестких дисков, сколько необходимостью повышения надежности хранения данных за счет улучшения технологии коррекции ошибок. В частности, считается, что использование 512 байтных секторов в условиях пластин менее 80 нанометров достаточно проблематично, так как появление микрочастиц между головкой жесткого диска и пластиной приведет к появлению ошибок чтения или записи данных. Если же жесткий диск будет оперировать данными по 4 килобайта - этого удастся легко избежать.

Недостатком жестких дисков Advanced Format является то, что при необходимости записи мелких данных размер которых менее 4 килобайт жесткий диск оказывается вынужденным либо заполнить весь сектор в 4 килобайта данными менее этого размера, или дождаться появления новых данных у пользователя. Как правило, контроллер копит данные по 512 килобайт в своей кэш-памяти и как только набирает 4 килобайта данных для заполнения сектора - записывает их. Тем самым, если вы работаете с фалами менее 4 килобайт достаточно часто, имеет смысл позаботиться о резервном источнике питания для уменьшения вероятности потери данных. Для большинства пользователей, которые хранят на жестких дисках музыку, видеофайлы, компьютерные игры по 20 Гб - это не актуально.

Достоинства нового формата жестких дисков - возможность создания трехтерабайтных накопителей и высокая надежность, недостаток - снижение быстродействия в Windows XP.

На отметке 2 Тбайт рост емкости жестких дисков остановился: традиционная архитектура достигла предела своего развития. Новый стандарт, получивший название Advanced Format, позволит создавать более вместительные и надежные винчестеры благодаря использованию секторов большего размера. Все производители обещают перейти на него уже в текущем году.

Более крупные сектора: надежная защита данных

Увеличение емкости жестких дисков в последние десятилетия обеспечивается путем повышения плотности записи. Однако при достижении значения порядка 2 Тбайт этот метод становится нерезультативным. При более плотном расположении секторов увеличивается риск возникновения ошибок и потери данных.

Решением стало увеличение размера секторов. В настоящее время в большинстве дисков он равен 512 байтам. Теперь же производители начинают выпуск моделей с четырехкилобайтными (4096 байт) секторами. Каждый из них снабжается меткой входа (Sync/DAM) и кодом коррекции ошибок (Error Correcting Code, ECC). Как и прежде, после каждого сектора размещается пустая промежуточная область. Так как один сектор размером 4096 байт соответствуют восьми 512-байтным, удается исключить семь промежуточных областей. Это позволяет высвободить дополнительный объем драгоценного дискового пространства.

Другим достоинством формата является снятие ограничения емкости накопителей.

Операционная система использует для адресации и доступа к данным на жестком диске механизм LBA (Logical Block Addressing) с доступным адресным пространством в 48 бит, что соответствует максимальной емкости носителя, превышающей 130 000 Тбайт, при размере сектора в 512 байт. Однако на практике такую огромную емкость невозможно обеспечить, так как содержащаяся в главной загрузочной записи таблица разделов не позволяет адресовать более 32 бит. При 512-байтовых секторах это соответствует двум терабайтам - большего при использовании традиционной архитектуры добиться невозможно.

Для полноценного использования более емких накопителей с 512-байтными секторами необходим другой формат размещения таблиц разделов (GUID Partition Table, GPT).

Windows Vista и 7 поддерживают его, а XP - только в 64-битной версии. Однако большинство разновидностей BIOS не работает с таблицей разделов GPT. Решить проблему поможет переход на UEFI, однако этот программный интерфейс лишь недавно появился на новых материнских платах для процессоров с архитектурой Sandy Bridge. Поэтому Advanced Format необходим как промежуточное решение, позволяющее обойти связанные с BIOS препятствия и использовать диски емкостью до 16 Тбайт даже при 32-битной адресации в главной загрузочной записи.

Windows XP: слишком стара для новых HDD

Windows XP не способна работать с большими четырехкилобайтными секторами, поэтому в устройствах с Advanced Format пока используется эмуляция 512-байтовых. Это позволяет обмануть операционную систему, создав видимость использования совместимого варианта. Такой компромисс дает возможность устанавливать в Windows XP более емкие накопители. Однако при этом заметно снижается быстродействие. XP создает первый раздел с сектора LBA под номером 63, а в случае с четырехкилобайтными секторами он должен начинаться с LBA 64. В результате раздел начинается последним блоком сектора (см. рисунок).

Windows XP, в свою очередь, разделяет винчестер на кластеры, размер которых также составляет 4 кбайт. В результате контроллеру жесткого диска приходится выполнять чтение или запись двух четырехкилобайтных блоков для каждого четырехкилобайтного кластера, что приводит к снижению скорости работы накопителя.

Эту проблему удается решить двумя способами. Во-первых, перед подключением HDD можно установить перемычку, позволяющую обеспечить правильное расположение блоков. Недостаток этого метода заключается в возможной потере данных при отключении перемычки.

Другим решением является использование специального программного обеспечения. Так, с сайта компании Western Digital (http://wdc.com) можно скачать утилиту WD Align System Utility, способную выполнить выравнивание разделов. Аналогичные программы предлагают и сторонние разработчики - например, компания Paragon с ее Alignment Tool. Но, несмотря на это, пользователям Windows XP стоит задуматься о том, что данная операционная система уже устарела для новых технологий.

Advanced Format - это новый формат разметки жестких дисков, необходимый для адресации больших объемов дисковой памяти. Все производители современных жестких дисков, в том числе HGST, переходят на этот формат.
Одна из основных особенностей Advanced Format - увеличение размера сектора с 512 до 4096 байт. Для сохранения совместимости с программами, рассчитанными на прежний формат, новые диски имеют режим эмуляции, который называется «512e».
Большая часть современных операционных систем поддерживает Advanced Format. Для достижения оптимального быстродействия ввода-вывода необходимо, чтобы разбивка диска была осуществлена корректно, и чтобы данные записывались 4-килобайтными блоками как операционной системой, так и прикладными программами. Новейшие операционные системы по умолчанию выполняют все условия, необходимые для эффективной работы с Advanced Format. При использовании же более старого программного обеспечения для настройки дисковой подсистемы на оптимальное быстродействие могут потребоваться специальные утилиты.

Устройство Advanced Format
В средней части рисунка 1 изображены восемь идущие подряд 512-байтных секторов. Помимо пользовательских данных, каждый сектор содержит служебную информацию: данные разметки и код коррекции ошибок. При замене восьми 512-байтных секторов одним 4-килобайтным количество необходимой служебной информации сокращается (см. нижнюю часть рисунка). Таким образом, при работе с большими файлами (а средний размер файлов по сравнению со временами, когда использовался 512-байтный формат, вырос) дисковое пространство используется эффективнее. Кроме того, под код коррекции ошибок выделено больше места, благодаря чему лучше обеспечивается целостность данных.

Рис. 1. Сравнение 512-байтного и 4-килобайтного форматов(1).

Обеспечение совместимости
Значительная часть находящихся в эксплуатации технических и программных средств рассчитаны на размер сектора 512 байт и ожидают, что данные будут пересылаться 512-байтными блоками. Эмуляция такого обмена реализована в новых дисках на уровне интерфейса. При запросе на чтение блока диск считывает сектор целиком (на что не уходит много времени) и передает программе только необходимый блок. Если же от программы поступает запрос на запись блока, то диск считывает целый сектор, помещает в него полученный блок и перезаписывает сектор целиком (см. рис. 2). Между считыванием и записью проходит время, диск может за это время совершить несколько оборотов.

Рис. 2. В режиме эмуляции при записи 512-байтного блока диск вначале считывает сектор, помещает в него блок и затем записывает сектор

Обеспечение быстродействия
Для достижения наивысшего быстродействия необходимо, чтобы формат записи на диск соответствовал формату диска. В идеальном случае запись должна выполняться 4-килобайтными блоками и каждый блок должен записываться в один сектор. Это условие выполняется в том случае, если и операционная система, и прикладные программы настроены на работу с 4-килобайтными блоками, а разбиение диска выполнено корректно.
Большинство современных операционных систем используют файловые системы, в которых дисковое пространство выделяется 4-килобайтными блоками, или кластерами. 4-килобайтный блок соответствует восьми 512-байтным секторам (см. рис. 3).

Рис. 3. Соответствие кластера сектору в режиме эмуляции.

Выравнивание границ разделов
При использовании операционных систем, записывающих данные 4-килобайтными кластерами (большинство современных ОС), важно, чтобы их границы были выровнены по границам секторов диска. В режиме эмуляции 512e диск не может предотвратить размещение раздела с блока, номер которого не кратен восьми. Если такое произойдет, один кластер будет размещаться в двух секторах (см. рис. 4). Таким образом, при чтении или записи 4-килобайтного кластера потребуется соответственно считать или записать 8 килобайт - вдвое больше. И если при чтении разница в скорости будет не большая, то при записи она окажется заметной.

Рис. 4. Размещение кластера не с начала сектора.

Операционные системы, поддерживающие Advanced Format
В следующих операционных системах размер кластера составляет 4 Кбайт, а при установке разбиение диска выполняется корректно:
Microsoft Windows Vista SP1 и новее;
Microsoft Windows 7;
Microsoft Server 2008;
Mac OS X 10.4 и новее;
Linux Ubuntu 8.04+, SUSE, Linux kernel 2.6.34+ (необходимо использовать Linux Partitioning Utility).

Операционные системы, не обеспечивающие автоматическое соответствие кластеров секторам:
Microsoft Windows XP;
Microsoft Server 2003;
Microsoft Windows Home Server V1.

HGST Align Tool
Для исправления логической разметки дисков, разделы на которых не выровнены по границам секторов, можно использовать выпускаемую HGST утилиту для Windows. Ее можно загрузить по адресу www.hgst.com/support/downloads .
Кроме того, Advanced Format поддерживается рядом утилит работы с дисками, выпускаемых сторонними производителями:

Средства разбиения дисков
Для Linux:
GPARTED 2.1+ (с опциями -a optimal или -a minimal).
www.gnu.org/software/parted/manual/parted.html

Для Windows:
Acronis Disk Director Home 11 или Paragon Partition Manager 11.

Для Mac:
Disk Utility (в комплекте с Mac OS X 10.4+), создает раздел GPT (GUID Partition Table).

Дополнительные сведения:
www.idema.org (документы по Advanced Format, в том числе спецификации)
en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Format
www.t13.org , документ: ATA8-ACS (ATA Command Set)
www.t10.org , документ: SBC-3 (SCSI Block Commands)
Microsoft Windows 7 and Advanced Format Hotfix (KB981208):
support.microsoft.com/kb/982018
Intel Rapid Storage Technology (RST): www.intel.com/support/chipsets/imsm/sb/CS-031502.htm

Жесткие диски

Переход к жестким дискам с секторами размером 4 КБ (Advanced Format)

Преимущества и возможные риски при переходе от секторов размером 512 байт к секторам размером 4096 байт

Обзор

В отрасли жестких дисков происходят серьезные перемены. В то время как в прошедшие годы наблюдался стремительный рост плотности хранения данных, один из базовых параметров конструкции жестких дисков — размер логического блока, называемого сектором — оставался неизменным.

Примерно с 2010 года производители жестких дисков начали переход от традиционного размера сектора (512 байт) к новому, более эффективному размеру 4096 байт. Его обычно называют размером 4 КБ, а теперь он получил название Advanced Format (расширенный формат), присвоенное Международной ассоциацией производителей жестких дисков IDEMA.

В этой статье рассказывается о причинах такого перехода и перспективных преимуществах для потребителей, а также о возможных «подводных камнях», которых следует избегать при переходе от секторов размером 512 байт к секторам размером 4 КБ.

Вместо предисловия

Уже более 30 лет данные на жестких дисках форматируются в виде небольших логических блоков по 512 байт, называемых секторами. Этот стандартный формат до сих пор принимается за основу при проектировании современных компьютеров.

Такой сектор содержит раздел интервала, раздел синхронизации, раздел метки адреса, область данных и область кода обнаружения и исправления ошибок (рис. 1).

Рис. 1. Расположение традиционных секторов на носителе жесткого диска

Сектор диска имеет следующую структуру

• Интервал: промежуток между секторами.
• Код синхронизации: метка синхронизации, обозначающая начало сектора и позволяющая синхронизировать работу диска.
• Метка адреса: метка, содержащая данные для идентификации номера и расположения сектора. В ней также хранится информация о состоянии сектора.
• Область данных: в этой области хранятся данные пользователя.
• Область исправления ошибок: в этой области хранятся коды исправления ошибок, с помощью которых исправляются и восстанавливаются данные, которые могли быть повреждены во время чтения или записи.

Этот низкоуровневый формат используется в нашей отрасли уже многие годы. Однако в связи с ростом емкости жестких дисков размер сектора неизбежно становится конструктивным ограничением для дальнейшего повышения емкости дисков и эффективности исправления ошибок. К примеру, если соотнести размер сектора с емкостью устаревших и современных дисков, то можно увидеть, что разрешение сектора многократно уменьшилось. Разрешение сектора (отношение размера сектора к общей емкости диска, выраженное в процентах) в значительной мере сократилось и, как следствие, стало неэффективным (таблица 1).

Низкое разрешение подходит для управления небольшими разрозненными последовательностями данных. Однако современные приложения, как правило, оперируют блоками данных, которые намного больше размера сектора 512 байт.

И что еще более важно, небольшие сектора размером 512 байт занимают все меньшую площадь поверхности диска по мере повышения плотности записи. Это становится проблемой в контексте исправления ошибок и вследствие дефектов покрытия. На рис. 2, например, данные в секторе жесткого диска занимают меньшую площадь, что делает исправление ошибок сложнее, так как дефекты покрытия, имеющие прежний размер, повреждают больший процент данных и для их восстановления требуются более совершенные средства.

Рис. 2. Дефекты носителя и плотность записи

В секторе размером 512 байт, как правило, можно исправить дефект длиной до 50 байт. Современные жесткие диски с наибольшей плотностью записи практически достигли предела в области исправления ошибок. Поэтому основной потребностью отрасли для дальнейшего развития средств исправления ошибок и повышения эффективности жестких дисков стал переход к секторам большего размера.

Переход к секторам размером 4 КБ (расширенный формат)

В индустрии хранения данных уже несколько лет ведутся совместные работы над переходом к секторам большего размера. Компания Seagate вместе с партнерами проводит масштабные работы в этом направлении с 2005 года (рис. 3). В декабре 2009 года в результате совместных усилий IDEMA был создан и утвержден новый формат Advanced Format. Это название стало официальным для стандарта секторов размером 4 КБ. Кроме того, все производители жестких дисков договорились начать поставки новых моделей накопителей этого формата для настольных и переносных ПК к январю 2011 года. Однако накопители расширенного формата появились на рынке даже раньше. Компания Seagate первой начала поставлять такие накопители производителям вычислительной техники и включать их в свои продукты.

Рис. 3. Основные вехи разработки стандарта Advanced Format

Перспективные преимущества секторов размером 4 КБ

Поскольку производители жестких дисков договорились перейти к новому формату секторов к январю 2011 года, остальным участникам отрасли ИТ нужно было подготовиться к этому переходу, чтобы избежать возможных негативных последствий. В краткосрочной перспективе преимущества таких дисков были не слишком заметны конечным пользователям, потому что новый формат не привел к моментальному увеличению емкости, однако в долгосрочной перспективе переход на секторы размером 4 КБ позволил увеличивать плотность записи данных и емкость жестких дисков, а также повышать надежность исправления ошибок.

Повышение эффективности формата за счет сокращения пространства, занимаемого кодом исправления ошибок

На рис. 4 показана структура традиционного сектора размером 512 байт, из которой видно, что для каждого 512-байтного сектора на диск дополнительно записываются 50 байт, содержащие код исправления ошибок, и еще 15 байт с интервалом, кодом синхронизации и меткой адреса. В результате эффективность секторного 1 формата составляет примерно 88% (512/(512 65)).

Рис. 4. Структура традиционного сектора размером 512 байт

В новом стандарте Advanced Format размер сектора составляет 4 КБ, то есть восемь традиционных секторов размером 512 байт каждый объединяются в один сектор размером 4 КБ (рис. 5).

Рис. 5. Новый формат: структура сектора размером 4 КБ

В новом формате под интервал, код синхронизации и метку адреса отводится столько же места, сколько и раньше, а код исправления ошибок увеличен до 100 байт. В результате эффективность секторного 1 формата увеличивается до 97% (4096/(4096 115)), то есть почти на 10%.

Со временем такое повышение эффективности формата окупится и поможет добиться большей емкости и повышения целостности данных.

Надежность и исправление ошибок

Физический размер секторов на дисках уменьшается, и каждый сектор занимает все меньше места, в то время как размеры дефектов поверхности остаются прежними. На рис. 6 показаны предметы, которые мы считаем очень мелкими. Однако по сравнению с величиной зазора между головкой чтения-записи и поверхностью жесткого диска эти предметы оказываются большими. Дефекты на поверхности жесткого диска могут появиться от микроскопических частиц, которые значительно меньше показанных на рисунке.

Рис. 6. Величина зазора между головкой и жестким диском в масштабе

В секторе размером 4 КБ нового формата Advanced Format размеры блока ECC увеличены почти вдвое 2 , с 50 до 100 байт, что обеспечило давно ожидаемое повышение эффективности исправления ошибок и устойчивости к мелким частицам и дефектам поверхности.

Таким образом, совместный выигрыш от возросшей эффективности нового формата и повышения надежности исправления ошибок делает переход на сектора размером 4 КБ вполне оправданным. Главная задача производителей жестких дисков — правильно организовать этот переход, чтобы в перспективе достичь наибольшей отдачи с минимальными побочными эффектами.

Последствия перехода на сектора размером 4 КБ

Как уже отмечалось, во многих случаях современные компьютерные системы по-прежнему исходят из того, что размер сектора всегда равен 512 байтам. При переводе целой отрасли на новый стандарт 4 КБ нельзя ожидать, что все эти устаревшие предположения тут же изменятся. Конечно, со временем произойдет переход к использованию секторов размером 4 КБ, когда и компьютер и жесткий диск будут при обмене данными использовать блоки именно такого размера. Но до этого момента производителям жестких дисков придется организовывать переход на сектора размером 4 КБ с использованием приема, называемого эмуляцией секторов размером 512 байт.

Эмуляция секторов размером 512 байт

Внедрение секторов размером 4 КБ во многом зависит от технологии эмуляции секторов размером 512 байт. Этим термином называют процесс преобразования данных из нового формата с размером сектора 4 КБ, используемого новыми дисками, в традиционный формат с размером сектора 512 байт, используемый компьютерами.

Эмуляция секторов размером 512 байт допустима, поскольку не требует серьезных изменений в существующих компьютерных системах. Однако она может привести к снижению производительности, особенно при записи данных, размер которых не кратен восьми традиционным секторам. Чтобы пояснить это, рассмотрим подробнее процессы чтения и записи, которые будут применяться при эмуляции секторов размером 512 байт.

Процессы чтения и записи при эмуляции

Процесс чтения данных из секторов размером 4 КБ в режиме эмуляции секторов размером 512 байт оказывается достаточно простым, как это видно на рис. 7.

Рис. 7. Возможная последовательность чтения данных в режиме эмуляции секторов размером 512 байт

Чтение блока данных размером 4 КБ и переформатирование конкретного сектора размером 512 байт, запрошенного компьютером, выполняется в динамической памяти диска и не оказывает заметного влияния на производительность.

Процесс записи может оказаться несколько сложнее, особенно когда данные, которые компьютер пытается записать на диск, являются подмножеством физического сектора размером 4 КБ. В этом случае жесткий диск сначала вынужден считать нужный сектор размером 4 КБ целиком, объединить считанные данные с новыми и затем записать весь сектор размером 4 КБ (рис. 8).

Рис. 8. Возможная последовательность записи данных в режиме эмуляции секторов размером 512 байт

Жесткому диску приходится выполнять дополнительные механические действия — чтение сектора размером 4 КБ, изменение его содержимого и запись данных. Этот процесс называется циклом «чтение-изменение-запись» и является нежелательным из-за негативного влияния на производительность диска. Для того чтобы переход на сектора размером 4 КБ прошел безболезненно и с наименьшим количеством затруднений, важнее всего снизить до минимума вероятность и частоту возникновения циклов «чтение-изменение-запись».

Предотвращение циклов «чтение-изменение-запись»

1. Запросы на запись не выровнены по границам секторов из-за несоответствия логической структуры раздела диска его физической структуре
2. Запросы на запись с объемом данных меньше 4 КБ.

Соответствие и несоответствие логической и физической структуры разделов

До текущего момента мы не обсуждали, как согласуется положение сектора на носителе между компьютером и жестким диском. Пора поговорить о логических адресах блоков (Logical Block Address, LBA).

Каждому сектору размером 512 байт назначается уникальный логический адрес с номером от 0 до максимального значения, которое зависит от емкости диска. Компьютер обращается к нужному блоку данных по его логическому адресу. Когда компьютер передает запрос на запись данных, логический адрес блока возвращается после записи как информация о том, куда записаны данные. Это становится важным при переходе на сектора размером 4 КБ, поскольку появляются восемь различных вариантов того, где начинается логический блок.

Если логический адрес блока 0 соответствует первому виртуальному блоку размером 512 байт в физическом секторе размером 4 КБ, такое состояние сопоставления физической и логической структуры в режиме эмуляции секторов размером 512 байт называется «Выравнивание 0». Возможен вариант, когда логический адрес блока 0 назначен второму виртуальному блоку размером 512 байт в физическом секторе размером 4 КБ. Такое состояние сопоставления называется «Выравнивание 1». Сравнение этих состояний приведено на рис. 9. Есть еще шесть возможностей в случаях, когда логическая структура раздела не соответствует его физической структуре, что приводит к возникновению циклов «чтение-изменение-запись». Эти случаи аналогичны случаю «Выравнивание 1».

Рис. 9. Состояния выравнивания

Состояние «Выравнивание 0» очень хорошо работает с новыми секторами размером 4 КБ в расширенном формате. Жесткий диск может легко сопоставить восемь последовательных секторов размером 512 байт с одним сектором размером 4 КБ. Это достигается за счет хранения запросов на запись секторов размером 512 байт в кэш-памяти жесткого диска до тех пор, пока не получено достаточное количество последовательных блоков размером 512 байт для записи сектора размером 4 КБ. Поскольку современные приложения, как правило, работают с последовательностями данных, размер которых превышает 4 КБ, «карликовые» блоки возникают очень редко. В то же время состояние «Выравнивание 1» вызывает определенные трудности.

Если разделы жесткого диска созданы так, что логическая структура не соответствует физической, как это показано на рис. 9, начинают возникать циклы «чтение-изменение-запись», что ведет к снижению производительности жесткого диска. При внедрении жестких дисков нового формата этого состояния следует избегать прежде всего, как рекомендуется ниже.

Запись небольших объемов данных

В современных приложениях данные, такие как документы, изображения и потоковое видео, имеют размер гораздо больше 512 байт. Поэтому жесткий диск легко может хранить запросы на запись этих блоков в кэш-памяти до тех пор, пока не будет накоплено достаточное количество блоков размером 512 байт для записи сектора размером 4 КБ. Если логическая структура разделов диска соответствует его физической структуре, то жесткий диск может легко сопоставить сектора размером 512 байт сектору размером 4 КБ без ущерба для производительности. Однако существуют низкоуровневые процессы, которые могут заставить жесткий диск работать с «карликовыми» блоками, независимо от соответствия логической и физической структуры. Это происходит в редких случаях, когда компьютер отправляет жесткому диску отдельные запросы, размер которых меньше 4 КБ. Как правило, такие запросы отправляет операционная система при работе с файловой системой, журналировании и выполнении других подобных низкоуровневых задач. В общем случае такие запросы встречаются нечасто и не оказывают существенного влияния на производительность. Однако проектировщикам ПО рекомендуется пересмотреть подобные процессы, чтобы добиться оптимальной производительности после перехода к секторам размером 4 КБ.

Подготовка и организация перехода к секторам размером 4 КБ

Теперь, когда преимущества перехода к секторам размером 4 КБ, а также возможное влияние такого перехода на производительность понятны, настало время определить наилучший способ организации перехода. Правильнее всего обсуждать эту тему в контексте двух самых популярных современных операционных систем: Windows и Linux.

Организация перехода к секторам размером 4 КБ в ОС Windows

Самый главный вопрос организации перехода к секторам размером 4 КБ — это вопрос соответствия физической и логической структуры, уже рассмотренный выше. Диски нового формата хорошо работают в состоянии «Выравнивание 0», в котором физическая и логическая начальные точки совпадают. Состояние выравнивания возникает в тот момент, когда создаются разделы жесткого диска. Разделы создаются программным обеспечением, которое можно разделить на две категории:

1. Версии ОС Windows.
2. Специальные средства разбиения жесткого диска на разделы.

Когда разделы созданы ОС Windows, следует рассмотреть три версии этой ОС: Windows XP, Windows Vista и Windows 7. Компания Microsoft участвовала в обсуждении и планировании перехода к большему размеру сектора. В результате начиная с Windows Vista с пакетом обновления Service Pack 1 в ее продуктах появилась поддержка секторов размером 4 КБ. Программные продукты, создающие разделы с «Выравниванием 0» (разделы, хорошо работающие с новым форматом), называются продуктами с поддержкой секторов размером 4 КБ. В таблице 2 отражена ситуация для текущих поколений ОС Microsoft Windows.

Версия операционной системы	Поддержка секторов размером 4 КБ	Результаты
Windows XP	Нет	Создается первичный раздел в состоянии «Выравнивание 1» (без выравнивания)
Windows Vista — без пакета обновления Service Pack 1	Нет	Поддерживаются сектора большого размера, но разделы создаются неправильно (без выравнивания)
Windows Vista — с пакетом обновления Service Pack 1 или более поздней версии	Да
Windows 7	Да	Создаются разделы в состоянии «Выравнивание 0» (с выравниванием)
Windows 10	Да	Создаются разделы в состоянии «Выравнивание 0» (с выравниванием)

Очевидно, что новые компьютеры с последними версиями Windows лучше всего подготовлены к использованию жестких дисков нового формата. Однако на компьютерах с Windows XP или Windows Vista без пакета обновления Service Pack 1 существует значительный риск снижения производительности при использовании разделов, созданных операционной системой.

Помимо риска несоответствия логической и физической структуры диска при использовании старых версий ОС Windows, существует несколько средств, которыми активно пользуются сборщики систем, производители вычислительной техники, реселлеры и ИТ-менеджеры. Использование этих средств также может стать причиной несоответствия между логической и физической структурой диска. Фактически чаще можно встретить разделы, созданные с помощью этих средств, чем с помощью ОС Windows. Поэтому велик риск создания разделов, в которых логическая структура не соответствует физической, что приводит к потере производительности при использовании дисков с размером сектора 4 КБ. Еще больше эта проблема осложняется тем, что сегодня поставляемые вместе с компьютерами жесткие диски обычно содержат несколько разделов. Это означает, что каждый из разделов такого диска должен быть создан с помощью программы с поддержкой секторов размером 4 КБ, чтобы обеспечить соответствие между логической и физической структурой, а значит, и высокую производительность. На рис. 10 показаны возможные результаты создания нескольких разделов на жестком диске с использованием программы, не поддерживающей секторы размером 4 КБ.

Рис. 10. Несколько разделов и условия выравнивания

Разделы с несоответствием между логической и физической структурой

Есть три способа избежать несоответствия между логической и физической структурой диска или исправить это несоответствие, чтобы предупредить потери производительности.

1. Использовать новую версию ОС Windows или приобрести средство разбиения на разделы с поддержкой секторов размером 4 КБ.
2. Выровнять разделы жесткого диска с помощью специального средства.
3. Положиться на поставщика жесткого диска в части производительности, независимо от состояния структуры диска.

Использование версии Windows с поддержкой секторов размером 4 КБ — это самый простой и короткий путь обеспечить соответствие между логической и физической структурой диска. Поставщики других средств разбиения на разделы могут сообщить вам, существуют ли версии их средств с поддержкой секторов размером 4 КБ. Если такие версии есть, переходите на них, чтобы предупредить возникновение проблем.

Некоторые производители жестких дисков предлагают специальные средства, позволяющие проверить структуру разделов на жестком диске и изменить выравнивание разделов при необходимости. Для этого нужно потратить дополнительное время и выполнить дополнительные действия при сборке или обновлении компьютера.

Наконец, производители жестких дисков будут разрабатывать все более совершенные способы работы с разделами, в которых есть несоответствие между логической и физической структурой. Эти способы помогут избежать потерь производительности.

По мере роста популярности расширенного формата применяются все три способа, и каждый из них помогает потребителям добиться наибольшего полезного эффекта и избежать потерь производительности.

Организация перехода к секторам размером 4 КБ в ОС Linux

Основная стратегия перехода к секторам размером 4 КБ в Windows применима и в ОС Linux. У большинства пользователей Linux есть доступ к исходным кодам операционной системы, что дает им возможность подстраивать ее поведение под свои потребности. Это дает возможность заранее обновить ОС Linux для правильной работы с жесткими дисками нового формата.

Если внести нужные изменения в ОС Linux, то можно предупредить большинство проблем, связанных с выравниванием разделов в соответствии с новым форматом дисков и возникновением «карликовых» запросов на запись, которые создает операционная система.

Как в ядре, так и в дополнительных средствах Linux сделаны необходимые изменения для поддержки дисков нового формата. Эти изменения обеспечивают точное выравнивание всех разделов на дисках нового формата по границам секторов размером 4 КБ. Поддержка дисков нового формата в ядре ОС реализована начиная с версии 2.6.31. Поддержка разбиения на разделы и форматирования дисков нового формата реализована в следующих дополнительных средствах Linux.

Fdisk: GNU Fdisk — это инструмент командной строки для разбиения жестких дисков на разделы. Начиная с версии 1.2.3 поддерживаются диски нового формата.

Parted: GNU Parted — это графическое средство для разбиения жестких дисков на разделы. Начиная с версии 2.1 поддерживаются диски нового формата.

Заключение

Индустрия ИТ неизбежно отказывается от традиционного размера секторов 512 байт. Производители жестких дисков договорились внедрить расширенный формат не позднее января 2011 года для новых моделей жестких дисков для портативных и настольных компьютеров.

Разработчики жестких дисков продолжают увеличивать плотность записи данных и повышать надежность исправления ошибок. Потребители получают преимущества, поскольку жесткие диски, как и прежде, обладают самой большой емкостью и лучшей удельной стоимостью, а также традиционно ожидаемой от них надежностью.

Залогом безболезненного перехода стало обучение пользователей систем хранения данных, чтобы те смогли избежать «подводных камней». Самым главным условием успешного перехода к секторам размером 4 КБ является распространение средств разбиения жестких дисков на разделы, поддерживающих секторы размером 4 КБ. Всем сборщикам систем, производителям вычислительной техники, интеграторам, специалистам в области ИТ и даже конечным пользователям, собирающим компьютеры или определяющим их конфигурацию, рекомендуется принимать следующие меры.

• Создавать разделы жесткого диска с помощью Windows Vista (с пакетом обновления Service Pack 1 или новее) или Windows 7.
• При использовании стороннего ПО и средств для создания разделов на жестком диске удостовериться у производителя этих средств, что используемая версия поддерживает сектора размером 4 КБ.
• Если какой-либо заказчик регулярно создает и использует образы жестких дисков, убедиться, что используемое ПО для создания образов поддерживает сектора размером 4 КБ.
• При использовании Linux удостовериться у поставщика версии Linux или в обслуживающей организации, что в ОС сделаны необходимые изменения для поддержки секторов размером 4 КБ.
• Обратиться к своему поставщику жестких дисков за рекомендациями и советами по применению жестких дисков нового формата.

Вместе с нашими коллегами по отрасли и заказчиками мы можем обеспечить безболезненный и эффективный переход к новому формату жестких дисков с размером сектора 4 КБ и воспользоваться перспективными преимуществами для всей отрасли систем хранения данных.

Сноски

1 Секторный формат относится только к секторам данных и не рассматривает дополнительное пространство, занимаемое служебными данными, и другое неэффективно используемое дисковое пространство.

2 Не в каждой реализации секторов размером 4 КБ при переходе от секторов размером 512 байт область исправления ошибок увеличивается ровно в два раза.

: «Мне кажется, любому пользователю всегда будет достаточно объёма оперативной памяти в 640 …», – а сегодня нам и 4 не кажется много!..

Кажется, ещё совсем недавно нам вполне хватало 500- винчестера, – а сегодня покупаем 3- , – и это не кажется нам много (не зря же народная мудрость гласит, что памяти – и дисковой, и оперативной – никогда не бывает много!..).

Спрос на всевозможные цифровые носители неуклонно растёт, – при этом требуется, чтобы они вмещали всё больше информации. А посему производителям приходится ломать голову над тем, как повысить (и продолжать повышать!) ёмкость носителей.

Существует 3 основных способа повышения ёмкости носителя:

– повысить продольную плотность записи;

– увеличить плотность дорожек (количество дорожек на дюйм);

– увеличить количество используемых поверхностей (увеличить площадь пластин и/или их количество ).

Наилучшие результаты даёт повышение плотности записи данных. Преимущество повышенной плотности записи состоит в том, что она используется на каждой дорожке каждой из сторон носителя.

В 2009 г. компания Western Digital Technologies – один из пионеров и лидеров индустрии накопителей на магнитных дисках – представила технологию Advanced Format .

***

Что такое Advanced Format

Классическая архитектура накопителей

Каждая дорожка винчестера представляет собой последовательность секторов (сектор – это минимальная единица хранения данных на носителе).

В настоящее время данные, хранимые на носителе, располагаются в 512-байтовых секторах (здесь необходимо различать физические и логические секторы). Между секторами есть промежутки – пустые промежуточные области, разделяющие секторы и не содержащие данных. Каждый сектор начинается с поля Sync/DAM (вводная запись). Кроме того, каждый сектор имеет поле ECC (Error Correcting Code ), содержащее информацию для исправления ошибок:

Western Digital увеличила размер сектора в 8 раз – с 512 до 4096 байт. При этом используется 1 межсекторный промежуток вместо 8. Таким образом удается увеличить ёмкость носителя на 7 – 11%. Кроме того, использование увеличенного ECC повышает эффективность коррекции ошибок на 50%, что обеспечивает более высокий уровень целостности данных:

Преимущества Advanced Format :

– увеличение ёмкости носителя;

– повышение плотности записи;

– более высокий уровень целостности данных;

– увеличение скорости поиска и чтения данных;

– уменьшение количества ошибок при чтении;

– повышение производительности накопителя;

– уменьшение износа механических частей носителя;

– увеличение срока службы;

– …

***

Практическое применение Advanced Format

Интерфейсы дисковых накопителей, позволяющие использовать секторы увеличенного размера (Long Data Sector , LDS ), разработаны уже давно. Однако, размер сектора в 512 байт был стандартом на протяжении более 30 лет. Поэтому многие компоненты вычислительных систем (например, , DVR , PSP , мобильные телефоны) неспособны работать ни с какими другими секторами, кроме 512-байтовых. Для обеспечения совместимости с этими устройствами в изделиях с технологией Advanced Format используется эмуляция 512-байтовых секторов, – то есть эти устройства будут «видеть» диски AFDs , как диски со стандартными секторами, а накопитель сам будет преобразовывать 8 логических секторов в 1 физический и работать с ним на аппаратном уровне:

В дисках с технологией Advanced Format используются соответствующие пластины, они разбиты на физические секторы размером 4096 байт, состоящие из 8 логических секторов по 512 байт:

***

Как использовать диски Advanced Format

Технология Advanced Format предназначена для работы с большинством современных операционных систем, таких как , + , Mac OS . В этих заложена поддержка Advanced Format на программном уровне.

Для тех, кто пользуется :

– если винчестер содержит один раздел (single partition ), нужно установить перемычку на контакты 7 и 8 (jumper pins 7 – 8):