До сьогоднішнього дня ми досить детально розбирали універсальні жорсткі диски, такі як Barracuda 7200.14 і WD Caviar Blue / Black. При цьому багато користувачів в прайс аркушах комп'ютерних магазинів можуть помітити існування таких жорстких дисків, як Western Digital AV-25, Western Digital Caviar Green, Seagate Barracuda Green, Seagate Barracuda ST1000DM003, Western Digital AV-GP. Вартість даних вінчестерів не сильно відрізняється від універсальних продуктів, але при цьому всі вони мають одну унікальну особливість - підтримкою технології Advanced Format.
Як можна зрозуміти з назви самої технології, Advanced Format, передбачає розширений режим форматування жорсткого диска. При цьому якщо стандартні жорсткі диски мають фізичні сектора розмірами по 512 байт, то жорсткі диски з технологією Advanced Format мають фізичний сектор розмірами 4 кілобайти, тобто містять в собі чотири стандартних сектора. Дана технологія була розроблена IDEMA Long Data Sector Committee.

Ключовий необхідністю впровадження даної технології є здешевлення вартості сучасних жорстких дисків, які при стандартних габаритах в 3,5 дюйма мають обсяги зберігання даних до 4 Тб і вже через деякий час обіцяють підкорити заповітні 8 ТБ. При цьому жорсткі диски переходять на роботу з секторами по 4 кілобайти і виробляють читання / запис даних відразу по 4 КБ, а не по 512 байт, як в звичайних рішеннях. При цьому теоретично зменшується кількість механічних рухів головок і пластин жорсткого диска з одночасним зниженням енергоспоживання, шумності і розширюються можливості використання більш високотехнологічних магнітних дисків з доріжками по 70 нанометрів.

Картинка клікабельні -

Необхідність Advanced Format назріла давно
Необхідність переходу на 4 кілобайтні сектора назріла досить давно, так як сучасні операційні системи навіть в рамках популярної файлової системи NTFS використовуються кластера розмірами по 4 кілобайти, тобто фактично, операційна система все одно працює даними по 4 кілобайти. У реальних же умовах файлову систему з кластерами по 512-1024 байта використовувалося лише в операційних системах DOS, Windows 95 / Windows 98 і в деяких випадках Windows Vista. Тому необхідність створення секторів по 512 байт є тягарем для виробників жорстких дисків, так як виробляти розмітку нових більш технологічних жорстких дисків на дрібні 512 байтниє сектора в рази важче, ніж їх розмітка на сектора розмірами по 4 кілобайти.

Картинка клікабельні -

Advanced Format - більше місця на диску
Перехід на новий формат Advanced Format має на увазі збільшення вільного простору жорсткого диска. При розмітці жорсткого диска на сектори по 512 байт, кожен сектор доповнюється 50 байтами для коду корекції помилок, тим самим користувач отримує лише 87% фактичного місця на магнітному диску жорсткого диска. У разі використання технології Advanced Format на кожен сектор розміром в 4 кілобайти використовується 100 байт простору для коду корекції помилок, тим самим економиться 50% простору і користувач отримує можливість використання 96% фізичного простору кожного магнітного диска.

Картинка клікабельні -

Сумісність жорстких дисків Advanced Format
На сьогоднішній день повноцінна підтримка нового формату жорстких дисків реалізована починаючи з Windows Vista, тому сучасні комп'ютери на базі Windows 7 і Windows 8 готові до роботи з новинками. Як правило, користувачі зовсім не помічають будь-якої різниці від використання нового типу жорстких дисків.

Реалізована повноцінна підтримка Advanced Format в останніх дистрибутивах операційної системи Linux і рішеннях від Apple під управлінням Mac OS X. А ось від використання Windows XP покупцям жорстких дисків Advanced Format доведеться відмовитися. Пов'язано це з тим, що дана операційна система не готова до роботи з секторами по 4 кілобайти, тому контролер жорсткого диска спільно з драйверами буде змушений емулювати звичайні 512 байтниє сектора в рамках одного 4 кілобайтний реального сектора. Це призводить до підвищення навантаження на обчислювальну частину і гальмує процес читання / запису даних. Як правило, відзначається падіння продуктивності аж до декількох мегабайт в секунду і робота стає практично не виноситься.

Найгірше від використання Windows XP на жорстких дисках Advanced Format полягає в тому, що жорсткий диск через необхідність емуляції виявляється вимушеним багаторазово зчитувати один і той же сектор, що веде до підвищеного зносу його механічної частини.

Певні нюанси використання Windows XP на жорстких дисках Advanced Format полягає також в тому, що перший розділ дана операційна система починає з 63 сектора, в той час як для жорстких дисків Advanced Format критичним є початок розділу з 64 сектора, щоб він був строго кратний восьми. Це жорсткий диск може перестати за один запит кластера зчитувати два сектора по 4 кілобайти і підвищити продуктивність навіть в умовах роботи під керуванням старої Windows XP.

Виробники жорстких дисків Advanced Format мають утиліти і власні технології для вирішення даної проблеми. Компанія Seagate пропонує технологію Seagate SmartAlign, яка самостійно вирішує проблему форматування жорстких дисків Advanced Format, а компанія Western Digital своїм покупцям пропонує користуватися утилітою WD Align System або спеціальним джампером на жорсткому диску, які реалізований не на всіх примірниках.

Картинка клікабельні -

Наскільки актуальне Advanced Format
Природно, в умовах старої розмірності сектора по 512 байт не може тривати подальший розвиток жорстких дисків, тобто збільшення їх обсягу. Рано чи пізно жорсткі диски зі стандартними секторами в 512 байт повністю зникнуть з ринку. Впровадження технології Advanced Format було розпочато в 2009 році, масовий користувач побачив нові жорсткі диски в 2010 році. Передбачалося, що стрімке впровадження нового формату буде закінчено вже в 2011 році, а в 2012 році стандартні жорсткі диски з секторами по 512 байт зовсім покинуть прилавки магазинів. Об'єктивно ми не спостерігаємо масового витіснення. Швидше можна відзначити паралельне існування на ринку жорстких дисків зі стандартними 512 байтними секторами і жорстких дисків з секторами по 4 кілобайти в рамках технології Advanced Format.

Виробники жорстких дисків перехід на новий формат Advanced Format пояснюють не стільки необхідністю збільшення місткості самих жорстких дисків, скільки необхідністю підвищення надійності зберігання даних за рахунок поліпшення технології корекції помилок. Зокрема, вважається, що використання 512 байтних секторів в умовах пластин менше 80 нанометрів досить проблематично, так як поява мікрочастинок між головкою жорсткого диска і пластиною призведе до появи помилок читання або запису даних. Якщо ж жорсткий диск буде оперувати даними по 4 кілобайти - цього вдасться легко уникнути.

Недоліком жорстких дисків Advanced Format є те, що при необхідності запису дрібних даних розмір яких менше 4 кілобайт жорсткий диск виявляється вимушеним або заповнити весь сектор в 4 кілобайти даними менш цього розміру, або дочекатися появи нових даних у користувача. Як правило, контролер накопичує дані по 512 кілобайт в своїй кеш-пам'яті і як тільки набирає 4 кілобайти даних для заповнення сектора - записує їх. Тим самим, якщо ви працюєте з фалами менше 4 кілобайт досить часто, має сенс подбати про резервне джерело живлення для зменшення ймовірності втрати даних. Для більшості користувачів, які зберігають на жорстких дисках музику, відеофайли, комп'ютерні ігри по 20 Гб - це не актуально.

Переваги нового формату жорстких дисків - можливість створення трехтерабайтних накопичувачів і висока надійність, недолік - зниження швидкодії в Windows XP.

На позначці 2 Тбайт зростання ємності жорстких дисків зупинився: традиційна архітектура досягла межі свого розвитку. Новий стандарт, який отримав назву Advanced Format, дозволить створювати більш місткі та надійні вінчестери завдяки використанню секторів більшого розміру. Всі виробники обіцяють перейти на нього вже в поточному році.

Більші сектора: надійний захист даних

Збільшення ємності жорстких дисків в останні десятиліття забезпечується шляхом підвищення щільності запису. Однак при досягненні значення порядку 2 Тбайт цей метод стає нерезультативним. При більш щільному розташуванні секторів збільшується ризик виникнення помилок і втрати даних.

Рішенням стало збільшення розміру секторів. В даний час в більшості дисків він дорівнює 512 байтам. Тепер же виробники починають випуск моделей з четирехкілобайтнимі (4096 байт) секторами. Кожен з них забезпечується міткою входу (Sync / DAM) і кодом корекції помилок (Error Correcting Code, ECC). Як і раніше, після кожного сектора розміщується порожня проміжна область. Так як один сектор розміром 4096 байт відповідають восьми 512-байтним, вдається виключити сім проміжних областей. Це дозволяє вивільнити додатковий обсяг дорогоцінного дискового простору.

Іншою перевагою формату є зняття обмеження ємності накопичувачів.

Операційна система використовує для адресації і доступу до даних на жорсткому диску механізм LBA (Logical Block Addressing) з доступним адресним простором в 48 біт, що відповідає максимальній ємності носія, що перевищує 130 000 Тбайт, при розмірі сектора в 512 байт. Однак на практиці таку величезну ємність неможливо забезпечити, тому що міститься в головному завантажувальному запису таблиця розділів не дозволяє адресувати більше 32 біт. При 512-байтових секторах це відповідає двом терабайтам - більшого при використанні традиційної архітектури домогтися неможливо.

Для повноцінного використання більш ємних накопичувачів з 512-байтними секторами необхідний інший формат розміщення таблиць розділів (GUID Partition Table, GPT).

Windows Vista і 7 підтримують його, а XP - тільки в 64-бітової версії. Однак більшість різновидів BIOS не працює з таблицею розділів GPT. Вирішити проблему допоможе перехід на UEFI, однак цей програмний інтерфейс лише недавно з'явився на нових материнських платах для процесорів з архітектурою Sandy Bridge. Тому Advanced Format необхідний як проміжне рішення, що дозволяє обійти пов'язані з BIOS перешкоди і використовувати диски ємністю до 16 Тбайт навіть при 32-бітної адресації в головного завантажувального запису.

Windows XP: занадто стара для нових HDD

Windows XP не здатна працювати з великими четирехкілобайтнимі секторами, тому в пристроях з Advanced Format поки використовується емуляція 512-байтових. Це дозволяє обдурити операційну систему, створивши видимість використання сумісного варіанту. Такий компроміс дає можливість встановлювати в Windows XP більш ємкі накопичувачі. Однак при цьому помітно знижується швидкодія. XP створює перший розділ з сектора LBA під номером 63, а у випадку з четирехкілобайтнимі секторами він повинен починатися з LBA 64. В результаті розділ починається останнім блоком сектора (див. Малюнок).

Windows XP, в свою чергу, поділяє вінчестер на кластери, розмір яких також становить 4 кбайт. В результаті контролера жорсткого диска доводиться виконувати читання або запис двох четирехкілобайтних блоків для кожного четирехкілобайтного кластера, що призводить до зниження швидкості роботи накопичувача.

Цю проблему вдається вирішити двома способами. По-перше, перед підключенням HDD можна встановити перемичку, що дозволяє забезпечити правильне розташування блоків. Недолік цього методу полягає в можливій втраті даних при відключенні перемички.

Іншим рішенням є використання спеціального програмного забезпечення. Так, з сайту компанії Western Digital (http://wdc.com) можна завантажити утиліту WD Align System Utility, здатну виконати вирівнювання розділів. Аналогічні програми пропонують і сторонні розробники - наприклад, компанія Paragon з її Alignment Tool. Але, незважаючи на це, користувачам Windows XP варто задуматися про те, що дана операційна система вже застаріла для нових технологій.

Advanced Format - це новий формат розмітки жорстких дисків, необхідний для адресації великих обсягів дискової пам'яті. Всі виробники сучасних жорстких дисків, в тому числі HGST, переходять на цей формат.
Одна з основних особливостей Advanced Format - збільшення розміру сектора з 512 до 4096 байт. Для збереження сумісності з програмами, розрахованими на колишній формат, нові диски мають режим емуляції, який називається «512e».
Велика частина сучасних операційних систем підтримує Advanced Format. Для досягнення оптимальної швидкодії введення-виведення необхідно, щоб розбивка диска була здійснена коректно, і щоб дані записувалися 4-кілобайтні блоками як операційною системою, так і прикладними програмами. Новітні операційні системи за умовчанням виконують всі умови, необхідні для ефективної роботи з Advanced Format. При використанні ж більш старого програмного забезпечення для настройки дискової підсистеми на оптимальне швидкодію можуть знадобитися спеціальні утиліти.

Пристрій Advanced Format
У середній частині малюнка 1 зображені вісім йдуть підряд 512-байтних секторів. Крім призначених для користувача даних, кожен сектор містить службову інформацію: дані розмітки і код корекції помилок. При заміні восьми 512-байтних секторів одним 4-кілобайтний кількість необхідної службової інформації скорочується (див. Нижню частину малюнка). Таким чином, при роботі з великими файлами (а середній розмір файлів в порівнянні з часами, коли використовувався 512-байтний формат, виріс) дисковий простір використовується ефективніше. Крім того, під код корекції помилок виділено більше місця, завдяки чому краще забезпечується цілісність даних.

Мал. 1. Порівняння 512-байтного і 4-кілобайтний форматів (1).

забезпечення сумісності
Значна частина знаходяться в експлуатації технічних і програмних засобів розраховані на розмір сектора 512 байт і очікують, що дані будуть пересилатися 512-байтними блоками. Емуляція такого обміну реалізована в нових дисках на рівні інтерфейсу. При запиті на читання блоку диск зчитує сектор цілком (на що не йде багато часу) і передає програмі тільки необхідний блок. Якщо ж від програми надходить запит на запис блоку, то диск зчитує цілий сектор, поміщає в нього отриманий блок і перезаписує сектор цілком (див. Рис. 2). Між зчитуванням і записом проходить час, диск може за цей час зробити кілька оборотів.

Мал. 2. У режимі емуляції під час запису 512-байтного блоку диск спочатку зчитує сектор, поміщає в нього блок і потім записує сектор

забезпечення швидкодії
Для досягнення найвищого швидкодії необхідно, щоб формат запису на диск відповідно до вихідного диска. В ідеальному випадку запис повинна виконуватися 4-кілобайтні блоками і кожен блок повинен записуватися в один сектор. Ця умова виконується в тому випадку, якщо і операційна система, і прикладні програми налаштовані на роботу з 4-кілобайтні блоками, а розбиття диска виконано коректно.
Більшість сучасних операційних систем використовують файлові системи, в яких дисковий простір виділяється 4-кілобайтні блоками, або кластерами. 4-кілобайтний блок відповідає восьми 512-байтним секторам (див. Рис. 3).

Мал. 3. Відповідність кластера сектору в режимі емуляції.

Вирівнювання кордонів розділів
При використанні операційних систем, записуючих дані 4-кілобайтні кластерами (більшість сучасних ОС), важливо, щоб їхні кордони були вирівняні по межах секторів диска. У режимі емуляції 512e диск не може запобігти розміщення розділу з блоку, номер якого не кратний восьми. Якщо таке станеться, один кластер буде розміщуватися в двох секторах (див. Рис. 4). Таким чином, при читанні або запису 4-кілобайтний кластера буде потрібно відповідно вважати або записати 8 кілобайт - вдвічі більше. І якщо при читанні різниця в швидкості буде не велика, то при записі вона виявиться помітною.

Мал. 4. Розміщення кластера не з початку сектора.

Операційні системи, що підтримують Advanced Format
У наступних операційних системах розмір кластера складає 4 Кбайт, а при установці розбиття диска виконується коректно:
Microsoft Windows Vista SP1 і новіше;
Microsoft Windows 7;
Microsoft Server 2008;
Mac OS X 10.4 і новіше;
Linux Ubuntu 8.04+, SUSE, Linux kernel 2.6.34+ (необхідно використовувати Linux Partitioning Utility).

Операційні системи, що не забезпечують автоматичне відповідність кластерів секторам:
Microsoft Windows XP;
Microsoft Server 2003;
Microsoft Windows Home Server V1.

HGST Align Tool
Для виправлення логічної розмітки дисків, розділи на яких не вирівняні по межах секторів, можна використовувати продукцію, що випускається HGST утиліту для Windows. Її можна завантажити за адресою www.hgst.com/support/downloads.
Крім того, Advanced Format підтримується рядом утиліт роботи з дисками, що випускаються сторонніми виробниками:

Засоби розбиття дисків
Для Linux:
GPARTED 2.1 + (з опціями -a optimal або -a minimal).
www.gnu.org/software/parted/manual/parted.html

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

Для Mac:
Disk Utility (в комплекті з Mac OS X 10.4+), створює розділ GPT (GUID Partition Table).

Додаткові відомості:
www.idema.org (документи по Advanced Format, в тому числі специфікації)
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

Жорсткі диски

Перехід до жорстких дисків з секторами розміром 4 КБ (Advanced Format)

Переваги та можливі ризики при переході від секторів розміром 512 байт до секторів розміром 4096 байт

огляд

В галузі жорстких дисків відбуваються серйозні зміни. У той час як в минулі роки спостерігалося стрімке зростання щільності зберігання даних, один з базових параметрів конструкції жорстких дисків - розмір логічного блоку, званого сектором - залишався незмінним.

Приблизно з 2010 року виробники жорстких дисків почали перехід від традиційного розміру сектора (512 байт) до нового, більш ефективного розміру 4096 байт. Його зазвичай називають розміром 4 КБ, а тепер він отримав назву Advanced Format (розширений формат), присвоєне Міжнародною асоціацією виробників жорстких дисків IDEMA.

У цій статті розповідається про причини такого переходу і перспективних переваги для споживачів, а також про можливі «підводні камені», яких слід уникати при переході від секторів розміром 512 байт до секторів розміром 4 КБ.

замість передмови

Уже понад 30 років дані на жорстких дисках форматируются у вигляді невеликих логічних блоків по 512 байт, званих секторами. Цей стандартний формат до цих пір приймається за основу при проектуванні сучасних комп'ютерів.

Такий сектор містить розділ інтервалу, розділ синхронізації, розділ мітки адреси, область даних і область коду виявлення і виправлення помилок (рис. 1).

Мал. 1. Розташування традиційних секторів на носії жорсткого диска

Сектор диска має наступну структуру

• Інтервал: проміжок між секторами.
• Код синхронізації: мітка синхронізації, що позначає початок сектора і дозволяє синхронізувати роботу диска.
• Мітка адреси: мітка, що містить дані для ідентифікації номера і розташування сектора. У ній також зберігається інформація про стан сектора.
• Область даних: в цій області зберігаються дані користувача.
• Область виправлення помилок: в цій області зберігаються коди виправлення помилок, за допомогою яких виправляються і відновлюються дані, які могли бути пошкоджені під час читання або запису.

Цей низькорівневий формат використовується в нашій галузі вже багато років. Однак у зв'язку зі зростанням міцності жорстких дисків розмір сектора неминуче стає конструктивним обмеженням для подальшого підвищення ємності дисків і ефективності виправлення помилок. Наприклад, якщо співвіднести розмір сектора з ємністю застарілих і сучасних дисків, то можна побачити, що дозвіл сектора багаторазово зменшилася. Дозвіл сектора (відношення розміру сектора до загальної ємності диска, виражене у відсотках) в значній мірі скоротилося і, як наслідок, стало неефективним (таблиця 1).

Низький дозвіл підходить для управління невеликими розрізненими послідовностями даних. Однак сучасні програми, як правило, оперують блоками даних, які набагато більше розміру сектора 512 байт.

І що ще більш важливо, невеликі сектора розміром 512 байт займають все меншу площу поверхні диска в міру підвищення щільності запису. Це стає проблемою в контексті виправлення помилок і внаслідок дефектів покриття. На рис. 2, наприклад, дані в секторі жорсткого диска займають меншу площу, що робить виправлення помилок складніше, так як дефекти покриття, що мають колишній розмір, пошкоджують більший відсоток даних і для їх відновлення потрібні більш досконалі засоби.

Мал. 2. Дефекти носія і щільність запису

У секторі розміром 512 байт, як правило, можна виправити дефект довжиною до 50 байт. Сучасні жорсткі диски з найбільшою щільністю запису практично досягли межі в області виправлення помилок. Тому основною потребою галузі для подальшого розвитку засобів виправлення помилок і підвищення ефективності жорстких дисків став перехід до секторів більшого розміру.

Перехід до секторів розміром 4 КБ (розширений формат)

В індустрії зберігання даних вже кілька років ведуться спільні роботи над переходом до секторів більшого розміру. Компанія Seagate разом з партнерами проводить масштабні роботи в цьому напрямку з 2005 року (рис. 3). У грудні 2009 року в результаті спільних зусиль IDEMA був створений і затверджений новий формат Advanced Format. Ця назва стала офіційним для стандарту секторів розміром 4 КБ. Крім того, всі виробники жорстких дисків домовилися почати поставки нових моделей накопичувачів цього формату для настільних і переносних ПК до січня 2011 року. Однак накопичувачі розширеного формату з'явилися на ринку навіть раніше. Компанія Seagate першою почала поставляти такі накопичувачі виробникам обчислювальної техніки і включати їх в свої продукти.

Мал. 3. Основні віхи розробки стандарту Advanced Format

Перспективні переваги секторів розміром 4 КБ

Оскільки виробники жорстких дисків домовилися перейти до нового формату секторів до січня 2011 року, іншим учасникам галузі ІТ потрібно було підготуватися до цього переходу, щоб уникнути можливих негативних наслідків. У короткостроковій перспективі переваги таких дисків були не надто помітні кінцевим користувачам, тому що новий формат не привів до моментального збільшення ємності, однак в довгостроковій перспективі перехід на сектори розміром 4 КБ дозволив збільшувати щільність запису даних і ємність жорстких дисків, а також підвищувати надійність виправлення помилок .

Підвищення ефективності формату за рахунок скорочення простору, займаного кодом виправлення помилок

На рис. 4 показана структура традиційного сектора розміром 512 байт, з якої видно, що для кожного 512-байтного сектора на диск додатково записуються 50 байт, що містять код виправлення помилок, і ще 15 байт з інтервалом, кодом синхронізації і міткою адреси. В результаті ефективність секторного 1 формату становить приблизно 88% (512 / (512 65)).

Мал. 4. Структура традиційного сектора розміром 512 байт

У новому стандарті Advanced Format розмір сектора становить 4 КБ, тобто вісім традиційних секторів розміром 512 байт кожен об'єднуються в один сектор розміром 4 КБ (рис. 5).

Мал. 5. Новий формат: структура сектора розміром 4 КБ

У новому форматі під інтервал, код синхронізації і мітку адреси відводиться стільки ж місця, скільки і раніше, а код виправлення помилок збільшений до 100 байт. В результаті ефективність секторного 1 формату збільшується до 97% (4096 / (4096 115)), тобто майже на 10%.

Згодом таке підвищення ефективності формату окупиться і допоможе домогтися більшої місткості і підвищення цілісності даних.

Надійність і виправлення помилок

Фізичний розмір секторів на дисках зменшується, і кожен сектор займає все менше місця, в той час як розміри дефектів поверхні залишаються колишніми. На рис. 6 показані предмети, які ми вважаємо дуже дрібними. Однак у порівнянні з величиною зазору між головкою читання-запису і поверхнею жорсткого диска ці предмети виявляються більшими. Дефекти на поверхні жорсткого диска можуть з'явитися від мікроскопічних часток, які значно менше показаних на малюнку.

Мал. 6. Величина зазору між головкою і жорстким диском в масштабі

У секторі розміром 4 КБ нового формату Advanced Format розміри блоку ECC збільшені майже вдвічі 2, з 50 до 100 байт, що забезпечило давно очікуване підвищення ефективності виправлення помилок і стійкості до дрібних частинок і дефектів поверхні.

Таким чином, спільний виграш від зрослої ефективності нового формату і підвищення надійності виправлення помилок робить перехід на сектора розміром 4 КБ цілком виправданим. Головне завдання виробників жорстких дисків - правильно організувати цей перехід, щоб в перспективі досягти найбільшої віддачі з мінімальними побічними ефектами.

Наслідки переходу на сектора розміром 4 КБ

Як уже зазначалося, у багатьох випадках сучасні комп'ютерні системи як і раніше виходять з того, що розмір сектора завжди дорівнює 512 байтам. При перекладі цілої галузі на новий стандарт 4 КБ можна очікувати, що всі ці застарілі припущення тут же зміняться. Звичайно, з часом відбудеться перехід до використання секторів розміром 4 КБ, коли і комп'ютер і жорсткий диск будуть при обміні даними використовувати блоки саме такого розміру. Але до цього моменту виробникам жорстких дисків доведеться організовувати перехід на сектора розміром 4 КБ з використанням прийому, званого емуляцією секторів розміром 512 байт.

Емуляція секторів розміром 512 байт

Впровадження секторів розміром 4 КБ багато в чому залежить від технології емуляції секторів розміром 512 байт. Цим терміном називають процес перетворення даних з нового формату з розміром сектора 4 КБ, використовуваного новими дисками, в традиційний формат з розміром сектора 512 байт, який використовується комп'ютерами.

Емуляція секторів розміром 512 байт допустима, оскільки не вимагає серйозних змін в існуючих комп'ютерних системах. Однак вона може привести до зниження продуктивності, особливо при запису даних, розмір яких не кратний восьми традиційним секторам. Щоб пояснити це, розглянемо докладніше процеси читання і записи, які будуть застосовуватися при емуляції секторів розміром 512 байт.

Процеси читання і запису при емуляції

Процес читання даних із секторів розміром 4 КБ в режимі емуляції секторів розміром 512 байт виявляється досить простим, як це видно на рис. 7.

Мал. 7. Можлива послідовність читання даних в режимі емуляції секторів розміром 512 байт

Читання блоку даних розміром 4 КБ і переформатування конкретного сектора розміром 512 байт, запитаного комп'ютером, виконується в динамічної пам'яті диска і не робить помітного впливу на продуктивність.

Процес запису може виявитися трохи складніше, особливо коли дані, які комп'ютер намагається записати на диск, є підмножиною фізичного сектора розміром 4 КБ. В цьому випадку жорсткий диск спочатку змушений вважати потрібний сектор розміром 4 КБ цілком, об'єднати лічені дані з новими і потім записати весь сектор розміром 4 КБ (рис. 8).

Мал. 8. Можлива послідовність запису даних в режимі емуляції секторів розміром 512 байт

Жорсткого диска доводиться виконувати додаткові механічні дії - читання сектора розміром 4 КБ, зміна його вмісту і запис даних. Цей процес називається циклом «читання-зміна-запис» і є небажаним через негативного впливу на продуктивність диска. Для того щоб перехід на сектора розміром 4 КБ пройшов безболісно і з найменшою кількістю труднощів, найважливіше знизити до мінімуму ймовірність і частоту виникнення циклів «читання-зміна-запис».

Запобігання циклів «читання-зміна-запис»

1. Запити на запису не вирівняні по межах секторів через невідповідність логічної структури розділу диска його фізичну структуру
2. Запити на запис з об'ємом даних менше 4 КБ.

Відповідність та невідповідність логічної і фізичної структури розділів

До теперішнього моменту ми не обговорювали, як узгоджується положення сектора на носії між комп'ютером і жорстким диском. Пора поговорити про логічних адресах блоків (Logical Block Address, LBA).

Кожному сектору розміром 512 байт призначається унікальний логічний адресу з номером від 0 до максимального значення, яке залежить від ємності диска. Комп'ютер звертається до потрібного блоку даних по його логічному адресою. Коли комп'ютер передає запит на запис даних, логічний адресу блоку повертається після запису як інформація про те, куди записані дані. Це стає важливим при переході на сектора розміром 4 КБ, оскільки з'являються вісім різних варіантів того, де починається логічний блок.

Якщо логічний адресу блоку 0 відповідає першому віртуальному блоку розміром 512 байт в фізичному секторі розміром 4 КБ, такий стан зіставлення фізичної та логічної структури в режимі емуляції секторів розміром 512 байт називається «Вирівнювання 0». Можливий варіант, коли логічний адресу блоку 0 призначений другим віртуальному блоку розміром 512 байт в фізичному секторі розміром 4 КБ. Такий стан зіставлення називається «Вирівнювання 1». Порівняння цих станів наведено на рис. 9. Є ще шість можливостей у випадках, коли логічна структура розділу не відповідає його фізичну структуру, що призводить до виникнення циклів «читання-зміна-запис». Ці випадки аналогічні нагоди «Вирівнювання 1».

Мал. 9. Стану вирівнювання

Стан «Вирівнювання 0» дуже добре працює з новими секторами розміром 4 КБ в розширеному форматі. Жорсткий диск може легко зіставити вісім послідовних секторів розміром 512 байт з одним сектором розміром 4 КБ. Це досягається за рахунок зберігання запитів на запис секторів розміром 512 байт в кеш-пам'яті жорсткого диска до тих пір, поки не отримано достатню кількість послідовних блоків розміром 512 байт для запису сектора розміром 4 КБ. Оскільки сучасні програми, як правило, працюють з послідовностями даних, розмір яких перевищує 4 КБ, «карликові» блоки виникають дуже рідко. У той же час стан «Вирівнювання 1» викликає певні труднощі.

Якщо розділи жорсткого диска створені так, що логічна структура не відповідає фізичної, як це показано на рис. 9, починають виникати цикли «читання-зміна-запис», що веде до зниження продуктивності жорсткого диска. При впровадженні жорстких дисків нового формату цього стану слід уникати насамперед, як рекомендується нижче.

Запис невеликих обсягів даних

У сучасних додатках дані, такі як документи, зображення і потокове відео, мають розмір набагато більше 512 байт. Тому жорсткий диск легко може зберігати запити на запис цих блоків в кеш-пам'яті до тих пір, поки не буде накопичено достатню кількість блоків розміром 512 байт для запису сектора розміром 4 КБ. Якщо логічна структура розділів диска відповідає його фізичну структуру, то жорсткий диск може легко зіставити сектора розміром 512 байт сектору розміром 4 КБ без шкоди для продуктивності. Однак існують низькорівневі процеси, які можуть змусити жорсткий диск працювати з «карликовими» блоками, незалежно від відповідності логічної та фізичної структури. Це відбувається в рідкісних випадках, коли комп'ютер відправляє жорсткого диска окремі запити, розмір яких менше 4 КБ. Як правило, такі запити відправляє операційна система при роботі з файловою системою, журнал роботи та виконанні інших подібних низькорівневих завдань. У загальному випадку такі запити зустрічаються нечасто і не роблять істотного впливу на продуктивність. Однак проектувальникам ПО рекомендується переглянути подібні процеси, щоб домогтися оптимальної продуктивності після переходу до секторів розміром 4 КБ.

Підготовка та організація переходу до секторів розміром 4 КБ

Тепер, коли переваги переходу до секторів розміром 4 КБ, а також можливий вплив такого переходу на продуктивність зрозумілі, настав час визначити найкращий спосіб організації переходу. Правильніше за все обговорювати цю тему в контексті двох найпопулярніших сучасних операційних систем: Windows і Linux.

Організація переходу до секторів розміром 4 КБ в ОС Windows

Найголовніше питання організації переходу до секторів розміром 4 КБ - це питання відповідності фізичної та логічної структури, вже розглянутий вище. Диски нового формату добре працюють в стані «Вирівнювання 0», в якому фізична і логічна початкові точки збігаються. Стан вирівнювання виникає в той момент, коли створюються розділи жорсткого диска. Розділи створюються програмним забезпеченням, яке можна розділити на дві категорії:

1. Версії ОС Windows.
2. Спеціальні засоби розбиття жорсткого диска на розділи.

Коли розділи створені ОС Windows, слід розглянути три версії цієї ОС: Windows XP, Windows Vista і Windows 7. Компанія Microsoft брала участь в обговоренні та плануванні переходу до більшого розміру сектора. В результаті починаючи з Windows Vista з пакетом оновлень Service Pack 1 в її продуктах з'явилася підтримка секторів розміром 4 КБ. Програмні продукти, що створюють розділи з «вирівнювання 0» (розділи, добре працюють з новим форматом), називаються продуктами з підтримкою секторів розміром 4 КБ. У таблиці 2 відображено ситуація для поточних поколінь ОС Microsoft Windows.

Версія операційної системи	Підтримка секторів розміром 4 КБ	результати
Windows XP	немає	Створюється первинний розділ в стані «Вирівнювання 1» (без вирівнювання)
Windows Vista - без пакета оновлень Service Pack 1	немає	Підтримуються сектора великого розміру, але розділи створюються неправильно (без вирівнювання)
Windows Vista - з пакетом оновлень Service Pack 1 або пізнішої версії	Так
Windows 7	Так	Створюються розділи в стані «Вирівнювання 0» (з вирівнюванням)
Windows 10	Так	Створюються розділи в стані «Вирівнювання 0» (з вирівнюванням)

Очевидно, що нові комп'ютери з останніми версіями Windows найкраще підготовлені до використання жорстких дисків нового формату. Однак на комп'ютерах з Windows XP або Windows Vista без пакета оновлень Service Pack 1 існує значний ризик зниження продуктивності при використанні розділів, створених операційною системою.

Крім ризику невідповідності логічної і фізичної структури диска при використанні старих версій ОС Windows, існує декілька засобів, якими активно користуються збирачі систем, виробники обчислювальної техніки, реселлери та ІТ-менеджери. Використання цих коштів також може стати причиною невідповідності між логічною і фізичною структурою диска. Фактично частіше можна зустріти розділи, створені за допомогою цих засобів, ніж за допомогою ОС Windows. Тому великий ризик створення розділів, в яких логічна структура не відповідає фізичної, що призводить до втрати продуктивності при використанні дисків з розміром сектора 4 КБ. Ще більше ця проблема ускладнюється тим, що сьогодні поставляються разом з комп'ютерами жорсткі диски зазвичай містять кілька розділів. Це означає, що кожен з розділів такого диска повинен бути створений за допомогою програми з підтримкою секторів розміром 4 КБ, щоб забезпечити відповідність між логічною і фізичною структурою, а значить, і високу продуктивність. На рис. 10 показані можливі результати створення декількох розділів на жорсткому диску з використанням програми, що не підтримує сектори розміром 4 КБ.

Мал. 10. Кілька розділів і умови вирівнювання

Розділи з невідповідністю між логічною і фізичною структурою

Є три способи уникнути невідповідності між логічною і фізичною структурою диска або виправити цю невідповідність, щоб попередити втрати продуктивності.

1. Використовувати нову версію ОС Windows або придбати засіб розбиття на розділи з підтримкою секторів розміром 4 КБ.
2. Вирівняти розділи жорсткого диска за допомогою спеціального засобу.
3. Покластися на постачальника жорсткого диска в частині продуктивності, незалежно від стану структури диска.

Використання версії Windows з підтримкою секторів розміром 4 КБ - це найпростіший і короткий шлях забезпечити відповідність між логічною і фізичною структурою диска. Постачальники інших засобів розбиття на розділи можуть повідомити вам, чи існують версії їх коштів з підтримкою секторів розміром 4 КБ. Якщо такі версії є, переходите на них, щоб попередити виникнення проблем.

Деякі виробники жорстких дисків пропонують спеціальні засоби, що дозволяють перевірити структуру розділів на жорсткому диску і змінити вирівнювання розділів при необхідності. Для цього потрібно витратити додатковий час і скористатися додатковими функціями при складанні або оновленні комп'ютера.

Нарешті, виробники жорстких дисків будуть розробляти більш досконалі способи роботи з розділами, в яких є невідповідність між логічною і фізичною структурою. Ці способи допоможуть уникнути втрат продуктивності.

У міру зростання популярності розширеного формату застосовуються всі три способи, і кожен з них допомагає споживачам добитися найбільшого корисного ефекту і уникнути втрат продуктивності.

Організація переходу до секторів розміром 4 КБ в ОС Linux

Основна стратегія переходу до секторів розміром 4 КБ в Windows може бути застосована і в ОС Linux. У більшості користувачів Linux є доступ до вихідного коду операційної системи, що дає їм можливість підлаштовувати її поведінку під свої потреби. Це дає можливість заздалегідь оновити ОС Linux для правильної роботи з жорсткими дисками нового формату.

Якщо внести потрібні зміни в ОС Linux, то можна попередити більшість проблем, пов'язаних з вирівнюванням розділів відповідно до новим форматом дисків і виникненням «карликових» запитів на запис, які створює операційна система.

Як в ядрі, так і в додаткових коштах Linux зроблені необхідні зміни для підтримки дисків нового формату. Ці зміни забезпечують точне вирівнювання всіх розділів на дисках нового формату по межах секторів розміром 4 КБ. Підтримка дисків нового формату в ядрі ОС реалізована починаючи з версії 2.6.31. Підтримка розбиття на розділи і форматування дисків нового формату реалізована в наступних додаткових коштах Linux.

Fdisk: GNU Fdisk - це інструмент командного рядка для розбиття жорстких дисків на розділи. Починаючи з версії 1.2.3 підтримуються диски нового формату.

Parted: GNU Parted - це графічний засіб для розбиття жорстких дисків на розділи. Починаючи з версії 2.1 підтримуються диски нового формату.

висновок

Індустрія ІТ неминуче відмовляється від традиційного розміру секторів 512 байт. Виробники жорстких дисків домовилися запровадити розширений формат не пізніше січня 2011 року для нових моделей жорстких дисків для портативних і настільних комп'ютерів.

Розробники жорстких дисків продовжують збільшувати щільність запису даних і підвищувати надійність виправлення помилок. Споживачі отримують переваги, оскільки жорсткі диски, як і раніше, мають найбільшу ємністю і кращої питомою вартістю, а також традиційно очікуваної від них надійністю.

Запорукою безболісного переходу стало навчання користувачів систем зберігання даних, щоб ті змогли уникнути «підводних каменів». Найголовнішою умовою успішного переходу до секторів розміром 4 КБ є поширення засобів розбиття жорстких дисків на розділи, що підтримують сектори розміром 4 КБ. Всім збирачам систем, виробникам обчислювальної техніки, інтеграторам, фахівцям в області ІТ і навіть кінцевим користувачам, що збирають комп'ютери або визначальним їх конфігурацію, рекомендується вживати таких заходів.

• Створювати розділи жорсткого диска за допомогою Windows Vista (з пакетом оновлень Service Pack 1 або новіше) або Windows 7.
• При використанні стороннього ПЗ і засобів для створення розділів на жорсткому диску упевнитися у виробника цих коштів, що використовувана версія підтримує сектора розміром 4 КБ.
• Якщо який-небудь замовник регулярно створює і використовує образи жорстких дисків, переконатися, що використовуване ПЗ для створення образів підтримує сектора розміром 4 КБ.
• При використанні Linux упевнитися у постачальника версії Linux або в обслуговуючої організації, що в ОС зроблені необхідні зміни для підтримки секторів розміром 4 КБ.
• Звернутися до свого постачальника жорстких дисків за рекомендаціями і порадами щодо застосування жорстких дисків нового формату.

Разом з нашими колегами по галузі і замовниками ми можемо забезпечити безболісний і ефективний перехід до нового формату жорстких дисків з розміром сектора 4 КБ і скористатися перспективними перевагами для всієї галузі систем зберігання даних.

виноски

1 Секторний формат відноситься тільки до секторів даних і не розглядає додатковий простір, займане службовими даними, і інше неефективно використовується дисковий простір.

2 Чи не в кожній реалізації секторів розміром 4 КБ при переході від секторів розміром 512 байт область виправлення помилок збільшується рівно в два рази.

: «Мені здається, будь-якому користувачеві завжди буде достатньо обсягу оперативної пам'яті в 640 ...», - а сьогодні нам і 4 чи не здається багато! ..

Здається, ще зовсім недавно нам цілком вистачало 500- вінчестера, - а сьогодні купуємо 3-, - і це не здається нам багато (не дарма ж народна мудрість говорить, що пам'яті - і дискової, і оперативної - ніколи не буває багато! .. ).

Попит на всілякі цифрові носії неухильно зростає, - при цьому потрібно, щоб вони вміщували все більше інформації. А тому виробникам доводиться ламати голову над тим, як підвищити (і продовжувати підвищувати!) Ємність носіїв.

Існує 3 основних способи підвищення ємності носія:

- підвищити подовжню щільність запису;

- збільшити щільність доріжок (кількість доріжок на дюйм);

- збільшити кількість використовуваних поверхонь (збільшити площу пластин і / або їх кількість).

Найкращі результати дає підвищення щільності запису даних. Перевага підвищеної щільності запису полягає в тому, що вона використовується на кожній доріжці кожної зі сторін носія.

У 2009 р компанія Western Digital Technologies - один з піонерів і лідерів індустрії накопичувачів на магнітних дисках - представила технологію Advanced Format.

***

Що таке Advanced Format

Класична архітектура накопичувачів

Кожна доріжка вінчестера є послідовність секторів (сектор - це мінімальна одиниця зберігання даних на носії).

В даний час дані, що зберігаються на носії, розташовуються в 512-байтових секторах (тут необхідно розрізняти фізичні та логічні сектори). Між секторами є проміжки - порожні проміжні області, що розділяють сектори і не містять даних. Кожен сектор починається з поля Sync / DAM (Вступна запис). Крім того, кожен сектор має поле ECC (Error Correcting Code), Що містить інформацію для виправлення помилок:

Western Digital збільшила розмір сектора в 8 разів - з 512 до 4096 байт. При цьому використовується 1 міжсекторного проміжок замість 8. Таким чином вдається збільшити ємність носія на 7 - 11%. Крім того, використання збільшеного ECC підвищує ефективність корекції помилок на 50%, що забезпечує більш високий рівень цілісності даних:

переваги Advanced Format:

- збільшення ємності носія;

- підвищення щільності запису;

- вищий рівень цілісності даних;

- збільшення швидкості пошуку і читання даних;

- зменшення кількості помилок при читанні;

- підвищення продуктивності накопичувача;

- зменшення зносу механічних частин носія;

- збільшення терміну служби;

– …

***

Практичне застосування Advanced Format

Інтерфейси дискових накопичувачів, що дозволяють використовувати сектори збільшеного розміру ( Long Data Sector, LDS), Розроблені вже давно. Однак, розмір сектора в 512 байт був стандартом протягом більше 30 років. Тому багато компонентів обчислювальних систем (наприклад, , DVR, PSP, Мобільні телефони) нездатні працювати ні з якими іншими секторами, крім 512-байтових. Для забезпечення сумісності з цими пристроями у виробах з технологією Advanced Format використовується емуляція 512-байтових секторів, - тобто ці пристрої будуть «бачити» диски AFDs, Як диски зі стандартними секторами, а накопичувач сам буде перетворювати 8 логічних секторів в 1 фізичний і працювати з ним на апаратному рівні:

У дисках з технологією Advanced Format використовуються відповідні пластини, вони розбиті на фізичні сектори розміром 4096 байт, що складаються з 8 логічних секторів по 512 байт:

***

Як використовувати диски Advanced Format

технологія Advanced Format призначена для роботи з більшістю сучасних операційних систем, таких як , + , Mac OS. У цих закладена підтримка Advanced Format на програмному рівні.

Для тих, хто користується :

- якщо вінчестер містить один розділ ( single partition), Потрібно встановити перемичку на контакти 7 і 8 ( jumper pins 7 – 8):