3TB仅是一个起点 磁盘容量极限之路介绍

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Long long ago，在PC技术还处于初步发展的时候，IBM和微软为磁盘制定了一些规范，一直延用到今天，比如磁盘扇区大小为512byte，三十年后的今天再回头看看，这些巨头肯定是没预料到PC技术日新月异，发展的实在是太快了，完全超越了他们当时的“高瞻远瞩”。

初遇8.4GB极限

最初，人们采用柱面数(Cylinders)、磁头数(Heads)和扇区数(Sectors)的方式对磁盘进行寻址，也就是 CHS(Cylinder/Head/Sector)寻址，这三个参数能唯一确定磁盘上的数据区域。CHS采用的是24bit数据操作方式，其中柱面数为 8bit数据，磁头数为10bit，扇区数为6bit，每个扇区的大小为512byte，因此从理论上讲，当时磁盘容量的极限为：

2⁸ * 2¹⁰ * 2⁶ * 512 byte = 8589 MB = 8.4 GB

很显然，计划赶不上变化，磁盘容量一直在突破中，业界开始放弃古老的CHS寻址模式，采用了新的LBA（Logical Block Addressing）逻辑块寻址模式。

再遇137GB极限

在LBA模式中，地址不再表示实际磁盘的实际物理地址（柱面、磁头和扇区），LBA编址方式将CHS三维寻址方式转变为一维的线性寻址，系统效率得到大大提高，在访问磁盘时，由磁盘控制器再将这种逻辑地址转换为实际磁盘的物理地址。

开始时，LBA的寻址数据只有28bit，比CHS模式的24bit提高有限：

2²⁸ * 512 byte = 137438 MB = 137 GB

137GB的极限问题很多人可能还记忆犹新，几年前当160GB磁盘潮涌而来时，不少玩家发现他们的主板不能识别新的磁盘，或者只能使用137GB的容量。当然解决的办法也很简单，提升LBA的寻址数据空间。

新的2.1TB极限

Technical Committee T13（T13技术委员会，ATA存储设备规范协议制订组织）为了解决28bit LBA寻址模式的限制，对于ATA/ATAPI-6标准进行了一些修改，通过48bit LBA来支持更多的扇区，但是古老的MBR（Main Bootable Record，主引导记录）只能是32bit的，因此即使是48bit LBA，其最大能寻址的磁盘容量也只能达到2.1TB：

2³² * 512 byte = 2199023 MB = 2.19 TB

虽然在目前来说，大多数人的磁盘容量还没有超过2TB，但是3TB的磁盘却已面世。

3TB是一件难事

3TB是一件难事，可能你会说，希捷和西数都有3TB的磁盘发布了，何难之有？之所以这么说，是因为生产一个3TB容量的磁盘并不难，难就难在怎么让你的软硬件平台去支持这个超过2.1TB极限的磁盘。

历史悠久的512byte扇区大小非常之根深蒂固，像磁盘控制芯片、BIOS和操作系统等方面都是以此为基础的，虽然希捷等厂商有推出4KB扇区的磁盘，但还是非主流，真正在操作系统中应用时还是模拟成512byte才能得以应用的。

同样历史悠久的MBR，让寻址寄存器定格在32bit，传统的LBA模式只得再求新变，采用一个新的LBA模式是一个很好的解决途径，也就是Long LBA，它增加了CDB（命令描述块）的字节数。

CDB是用于磁盘和主机间进行通讯的数据格式，其中包含了LBA信息以便磁盘可以知道所要寻址的扇区位置。一个标准的CDB由10个字节组成，其中4字节将用于LBA信息。对于Long LBA来说CDB的字节数增加到了16或32位，其中可以容量8个字节的LBA信息，也就是扇区寻址空间达到64bit，理论上可以支持磁盘容量达到 9000EB（1EB=10⁶TB）。

Long LBA需要操作系统支持才行，目前Windows 7/Vista 64位系统和部分linux和Mac OS X可以支持这种模式，但Windows XP不行，像3TB磁盘仅能显示990MB。

Long LBA只是个权宜之计，只能在操作系统中当作非系统盘使用，还不能用来安装、引导操作系统，因为目前的主板BIOS基本上是基于MBR的，2.1TB是MBR的极限。

GPT分区表，绕过MBR

MBR先天不足，如果将一块超过2TB的磁盘设置为启动盘的话，依照现有的BIOS架构规范是无法启动的，使得我们不得不抛弃它，转投到全新的分区表GPT怀抱中。

首先要了解一下GUID（Globally Unique Identifier，全球唯一标识符），它通过特定算法产生的一个128bit的数字，在空间上和时间上具有唯一性，保证同一时间不同地方产生的数字不同，在公元3400年以前产生的GUID与任何其他产生过的GUID都不相同。

正因为GUID的唯一性得以广泛应用，而基于GUID的分区表就是GPT（GUID Partition Table）。GPT是作为Extensible Firmware Interface(EFI)计划的一部分引入的，相对于以往PC普遍使用的主引导记录MBR方案，GPT提供了更加灵活的磁盘分区机制。

理论上，GPT磁盘在长度上最大可达2⁶⁴个逻辑块，也就是和前面Long LBA一样的，整个磁盘容量可以达到9000EB，当然实际上最大分区（磁盘）容量受操作系统版本的影响。

Windows XP和Windows Server 2003的原始版本中，每个物理磁盘的最大容量为2TB，包括所有分区。对于Windows Server 2003 SP1/Windows XP x64版本和以后的版本，支持的最大原始分区为18EB（NTFS文件系统目前的限制为每个256TB）。

另外，GPT分区基本没什么限制，不过Windows系统最多只支持128个分区，而MBR最多只能支持4个主分区。

目前，除了32位的Windows XP/NT/2000和Windows 95/98不能对GPT磁盘进行数据操作外（只能查看Protective MBR），其它较新的Windows系统都能良好支持GPT磁盘，并且可以和MBR传统磁盘混用。

但是，需要使用GPT磁盘作启动盘的话，传统的主板BIOS（基于MBR）是不支持GPT磁盘的，需要支持UEFI的主板才能正确识别和使用GPT磁盘。

UEFI：传统BIOS的埋葬者

传统BIOS通过16位汇编代码、寄存器参数调用方式、静态链接以及1MB以下内存固定编址的形式存在了几十年，虽然由于各大BIOS厂商近年来的努力，有许多新元素添加到产品中（如支持USB），但BIOS的根本性质没有得到任何改变。

在讲GPT时已说过，它是EFI计划的一部分，EFI由英特尔推出的一种在未来的类PC的系统中替代BIOS的升级方案，从目前的趋势来看，EFI将是传统BIOS的埋葬者，在未来的两三年内逐渐走向主流。

与传统BIOS相比，EFI是用模块化、C语言的参数堆栈传递方式和动态链接的形式构建系统，较BIOS而言更易于实现，容错和纠错特性更强，缩短了系统研发的时间。它运行于32位或64位模式，乃至未来增强的处理器模式下，突破传统16位代码的寻址能力，达到处理器的最大寻址。

EFI让我们第一次进入到了生动的图形化开机界面中，远离了单调而熟悉的蓝底白字界面。早在2005年Intel就发起了Unified EFI Form（UEFI行业联盟），目的就是想使业界接受EFI。

UEFI确实是一件新生的架构，底层开发与BIOS完全不同，UEFI就像是一个小型的操作系统，要触及许多系统子模块。同时还需要保证旧有BIOS用户能很快上手。当然更重要的是，像以前通过汇编代码在BIOS中实现的各种独有功能（比如一键超频）也要在UEFI中实现，开发难度加大。

正如华硕公关主管曾经指出的那样，UEFI程序的编写非常困难，这不仅仅是执行难的问题，我们要从零开始，有许多问题要应对。UEFI与BIOS就像是Windows与DOS的差别那样大。

目前支持UEFI系统的主板还少之又少，只有微星等推出了一些产品，距离普及还有十万八千里，而传统的主板BIOS是不能通过刷新来变成UEFI的，所以消费者不要有这个痴心妄想。

3TB只是一个起点

磁盘容量极限之路其实也是PC技术发展必由之路，今天3TB容量磁盘悄然而至，让我们意识到“2.1TB容量墙”这个类千年虫的问题，同时也伴随着像UEFI和GPT这样新兴技术的诞生，只不过这次是对整个行业规范的大颠覆，3TB仅仅是一个起点。

未来两三年内，3TB将成为消费PC的标配。而未来的磁盘容量必定飞速发展，随着单扇区容量突破512字节，新的记录介质发明等，18EB也不是梦想，或许在下一个三十年后，我们将再次遭遇“18EB容量墙”。