微软畅谈Windows 8支持大容量硬盘、4KB扇区

jeehom

虽然硬盘存储技术的进步越来越慢，但容量的增大是拦不住的。IDC最近预测称，2015年的时候单块硬盘的容量将达到8TB(单碟容量怎么也得2TB)，是目前的两倍还多。因为硬件、软件设计上的缺陷，大容量硬盘曾在历史上多次造成麻烦，最近一次硬盘容量问题出现在2.2TB身上，因此在开发Windows 8的时候，微软就充分考虑了大容量硬盘的完整支持问题，以及新的4KB扇区格式。
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微软畅谈Windows 8支持大容量硬盘、4KB扇区

) U! c! a, M, {. _! R硬盘寻址方法

9 W) C  n% d& p3 N/ F6 j硬盘最初使用的寻址方法是柱面/磁头/扇区(CHS)，通过分别指定柱面、磁头、扇区来确定某个数据块的确切位置，但这种方法在137GB以上容量硬盘面前就失效了。
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取而代之的是逻辑区块寻址(LBA)，不再使用离散几何来指定扇区，而改用扇区编号来代表特定的数据块。每个扇区都有预定义的尺寸(之前是512字节)，从0开始顺序编号，最大就是总容量除以扇区尺寸。
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磁盘分区机制

( U+ b9 Y( y9 w2 B, Z7 [" q9 oLBA寻址方法理论上支持超大硬盘容量，但实际上扇区的数量还受制于磁盘分区机制。
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/ w. ~* I/ |+ ?$ M% q) l9 T磁盘分区的概念可以追溯到二十世纪八十年代初，是系统管理员们为了方便使用不同文件系统存储数据而发明的。主引导记录(MBR)分区表支持最多32-bit信息，换算成字节数就是2的32次方，也就是大约2.2TB。
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' K: a% O+ L/ \$ Q, L你也许会蔑视他们的“短视”，但在三十年前的人们看来，2.2TB几乎就是个遥不可及的天文数字，要知道当时最大的民用硬盘也不过5MB，而价格超过1500美元。
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其实刚刚进入九十年代的时候，人们就已经意识到了2.2TB容量限制问题，为此多家公司联合制定了一种弹性的分区机制，这就是GUID分区表，简称GPT，并将其做为UEFI(统一可扩展固件界面)规范的一部分。GPT支持最多64-bit信息，理论最大容量为9.4ZB，相当于9400000000TB。又是一个“天文数字”，不过说不定哪天就会成为第二个“2.2TB”。

Windows Vista 64位开始，微软就支持从GPT分区硬盘启动系统，但要求主板固件必须是UEFI，而不能是传统BIOS。

$ q5 \) {! u$ f  d& Z% w) xPC里的固件：BIOS、UEFI
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- o7 G9 z8 @- VBIOS的意思就代表了其用途：基本输入输出系统。三十年前PC发明的时候它就出现了，但时至今日基本都还是老样子。UEFI就是用来取代BIOS的，但长时间都未能投入实用，直到最新的Intel、AMD平台上才开始普及。

UEFI从设计之初就考虑了对GUID分区表合超大容量硬盘的支持，比之那些通过BIOS绕道而行的方法可靠得多。Windows 8开始，微软将会全面完善对UEFI的支持，借助UEFI固件、GTP分区表、LBA寻址方法共同管理超大硬盘。
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下边就是在一块3TB硬盘上通过上述方法安装、启动操作系统的样子。

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4KB扇区格式
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! t& L6 t+ d0 Y' M, C; u所有硬盘都内建了某种形式的错误纠正信息和逻辑，以便在读取磁盘碟片的时候自动处理信噪比(SNR)。随着硬盘容量的增大，数据存储位越靠越近，SNR随之降低，硬盘的每个扇区就都不得不存储更多的ECC(错误校验码)，以弥补读取错误，512字节的狭窄扇区空间慢慢就不够用了。
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' J! S5 }' J0 ]% b于是，硬盘厂商将扇区容量扩大到了4KB，称之为“高级格式”(AF)，并使用了新的ECC编码机制，可以更高效地纠正错误，所占存储空间也更少，等同于扩大了可用容量。目前，西数、希捷等硬盘厂商都逐渐普及了4KB扇区格式。
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扇区容量增大到4KB，数据的更新也必须按照这个尺寸来，所以为了实现更小数据块的逻辑寻址，硬盘必须做一些额外的工作。
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如上图，一个4KB物理扇区仍然可以划分成512字节逻辑扇区进行逻辑寻址。为了写入单独一个512字节的逻辑扇区，硬盘不能简单地把磁头挪到 4KB物理扇区上就写入，而是需要先把整个物理扇区中的数据读取到缓存中，在那里修改相应的512字节逻辑扇区，然后再整体写回去，覆盖旧扇区。这叫做“读取-修改-写入”(Read-Modify-Write)。
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有这种中间转换层的硬盘叫做“4K with 512-byte emulation”，缩写为512e，而没有的叫做“4K Native”，即一个是模拟的，一个是原生的。
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2 S/ i1 i) }- P# y7 \' ]8 J  p读取-修改-写入可能会在面临大容量非一致性数据的时候影响实际性能，因为Windows必须确保应用程序能够提取整个4KB物理扇区，应用程序则需要确保I/O的一致性以报告物理扇区尺寸。

吸取了之前版本在高级格式上的经验教训之后，Windows 8将其做为了关键的设计点，将成为第一个完整支持512e、4K Native两种格式的操作系统，主要包括：

－ 增强现有API、引入新的API，方便应用程序更好地查询硬盘的物理扇区尺寸；
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－ 增强NTFS文件系统的大容量扇区识别，包括在执行扩展写入的时候确保合适的后续扇区(写入文件末尾的时候)；

# l* e' v4 D$ z  O－ Hyper-V虚拟化技术的新文件格式VHDx同样可以识别大容量扇区，完整支持两种格式；

－ 增强Windows启动代码，保证在4K Native原生硬盘上正确启动。

$ I. q9 n! h5 J. B7 n8 o还有更多工作将在Windows 8里默默进行。