突破硬盘容量极限

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  互联网上众多资源令人眼花缭乱,高清视频的流行更让我们常常感觉自己的硬盘容量不够用。值得庆幸的是,大容量硬盘的售价近年来迅猛下降。现在想组装电脑的用户只需不到400元就可以购买到1TB硬盘,2TB硬盘的售价也已降到600元左右。希捷、西部数据、日立等一线硬盘厂商更是推出了3TB硬盘,为消费者提供了更大容量的选择。
  不过,3TB硬盘的出现却为我们带来了意想不到的问题,那便是它如何与现有的软硬件环境相兼容。因为它超过了目前主流电脑可正常识别、使用的单块硬盘容量极限——2.1TB。在许多安装Windows 7操作系统的电脑上,3TB硬盘可以被识别但实际可使用容量仅有2.1TB。你是否想起了当年困扰大家一时的“3.5GB内存容量极限”呢?请做好心理准备,这一次3TB硬盘遇到的麻烦可要严重得多。
  只存储数据并不难
  想升级大容量内存,其瓶颈仅在于操作系统。当前主流处理器、主板等硬件都能与大容量内存和谐共处,我们只需要想办法解决一下操作系统对内存容量的限制就能解决问题。但升级硬盘时面临的问题要复杂得多,软件上的瓶颈固然存在,硬件上的瓶颈更让人头疼不已。
  问题的根源还要追溯到数十年前个人电脑刚刚出现时。当时工程师们为硬盘设计了MBR(Master Boot Record,主引导记录)分区方式,将硬盘上所有物理地址列表的指针记录保存在硬盘的首个扇区上。多年来,虽然寻址方式的改变让硬盘容量的上限一再提升,但MBR分区方式一直坚持到现在,而且成为了传统BIOS设置运作的基础。按照传统BIOS设置信息的安排,电脑在开机后默认就会去寻找硬盘的MBR来进行系统引导。根据当前LBA(Logical Block Addressing,逻辑块定位)寻址方式的设定,MBR分区方式支持的单块硬盘容量极限正是2.1TB,这就是3TB硬盘只能被使用2.1TB的原因。
  那么,我们如何使用3TB及以上容量的大硬盘呢?微软等厂商已经制定了新的GPT(GUID Partition Table,全局唯一标识符分区表)分区方式来取代MBR分区方式。GPT分区方式支持增长位数的LBA寻址方式,使得可寻址范围大幅度提升。不过,并不是所有的主流操作系统都能兼容采用GPT方式分区的硬盘。在Windows系统中,32位的Windows 7或Vista操作系统(以及相对应的服务器版操作系统)就无法兼容采用GPT方式分区的硬盘,老迈的Windows XP也不具备兼容采用GPT方式分区的硬盘的能力。
  如果你只是想让新增的3TB硬盘做数据盘,那么就要在原先的硬盘上将系统更新为64位Windows 7或Vista操作系统(或者相对应的服务器版操作系统),并且安装特殊的接口控制程序和硬盘驱动程序来启用增长位数的LBA寻址方式,然后再将新增的3TB硬盘采用GPT方式分区。虽然这些操作比较繁琐,但它们本质上仅仅是更新软件而已,解决这些问题并不难。
  安装系统才是大难题
  如果你想让新增的3TB硬盘做系统引导盘,光解决以上软件瓶颈是不够的,你还需要面对主板BIOS的限制。
  因为MBR分区方式是传统BIOS设置运作的基础,所以传统BIOS在引导系统时只能识别采用MBR分区方式的硬盘,却无法识别采用GPT分区方式的硬盘。只有部分较新主板内置的UEFI设置程序才能在引导系统时识别采用GPT分区方式的硬盘。所以,想要使用3TB及以上容量的大硬盘,有没有合适的主板才是大家需要面对的根本问题。
  如果你的主板内置了功能完整的UEFI设置程序,那么解决问题就方便了。你可以直接在开机时设置好“UEFI BOOT”选项,从光盘启动64位Windows 7或Vista操作系统的安装进程,并选择将大硬盘采用GPT分区方式进行格式化。接下来的其他操作就与平时安装系统没有任何区别。
  不过,目前主流主板要么只内置传统BIOS,要么提供了部分UEFI功能却不支持“UEFI BOOT”,只有少数高端主板内置了功能完整的UEFI设置程序。这就意味着,升级硬盘有可能还需要更换主板。
  借厂商方案支持3TB
  同时更换主板和硬盘虽能彻底解决问题但成本偏高,这会让很多想购买3TB硬盘的用户望而却步。针对这一情况,部分主板厂商为自己的主板及时提供了解决方案,让用户可以在现有平台中使用3TB硬盘而无需更换主板。
  华硕提供了一款名为ASUS Disk Unlocker的软件,这款软件可以将一块3TB及以上容量的大硬盘虚拟分割成多块硬盘来使用。借助ASUS Disk Unlocker软件的帮助,用户甚至可以将3TB硬盘连接到内置传统BIOS的主板。不过,在系统启动时,这些主板仍然只能按照原有的方式识别出大硬盘的一部分,并从该部分中引导操作系统。操作系统工作时会自动在后台运行ASUS Disk Unlocker软件,以便于对整个硬盘进行操作。
  ASUS Disk Unlocker的优点在于可以把Windows XP操作系统、32位Windows 7或Vista操作系统安装到3TB及以上容量的大硬盘中,并保证正常引导和使用,不过它并非底层的解决方案。如果操作系统出现问题需要重装、软件因某些原因无法正常运行,软件所建立的虚拟分区中的数据就会面临丢失的危险。此外,根据ASUS Disk Unlocker的官方介绍,如果您想借助ASUS Disk Unlocker在3TB及以上容量的大硬盘安装操作系统的话,你将只能采用MBR分区方式。
  更加底层的3TB解决方案
  相比之下,技嘉提供的解决方案就更加便于用户操作。
  简单地说,技嘉就是在新版本的BIOS设置信息里面加入了可支持3TB及以上容量的大硬盘的UEFI代码,用户只需刷新BIOS,将BIOS设置信息更新到最新版本,技嘉主板就可以支持“UEFI BOOT”功能,让用户在大硬盘上安装64位Windows 7或Vista操作系统。值得一提的是,如果用户坚持使用32位操作系统,那么大硬盘仍然只能充当数据盘使用。
  众所周知,更新BIOS存在一定的风险,误操作、断电或操作系统出错都可能带来意想不到的严重后果。技嘉独特的DualBIOS设计就是为了帮助用户将更新BIOS的风险降到最低程度。这意味着,技嘉主板用户可以放心大胆地更新BIOS以便升级3TB及以上容量的大硬盘。即便更新失误,也可以方便地备份和恢复。
  由于目前3TB硬盘刚刚出现不久,许多主板厂商还没有发布本品牌主板的解决方案。有兴趣选购3TB硬盘的用户不妨随时关注主板厂商的技术支持网站、售后服务热线,等厂商提出了合理解决方案再行升级。
  选择移动硬盘也可行
  如果你迫切希望使用3TB硬盘,又不愿意等待主板厂商提供解决方案或者更换新的操作系统,那么你可以考虑购买外置的3TB移动硬盘。事实上,希捷、西部数据等厂商最初推出的3TB硬盘就是以移动硬盘的形式上市的。
  移动硬盘通过外部接口连接到电脑,其自身主控芯片可以承担起寻址任务,让电脑可以识别大容量硬盘,这就使得用户甚至可以在传统的Windows XP操作系统环境下使用它。比如说,希捷推出的GoFlex Desk 3TB移动硬盘就明确支持32位或64位的Windows 7、Vista和XP操作系统。
  此外,为了节省成本,部分用户习惯于分别购买硬盘、外置硬盘盒来自制移动硬盘。不过,到目前为止,品质可靠、可支持3TB硬盘的硬盘盒产品还比较少。所以,我们建议你直接购买品牌移动硬盘,以免造成数据丢失、硬盘损伤等不良后果。
  目前,主流主板尚未普遍内置新一代UEFI设置程序,64位操作系统也没有普及。在软硬件条件均不够成熟的条件下,3TB硬盘骤然面市,很像是“不足月的早产儿”,硬盘厂商推出这样的产品其实是冒着一定风险的。即便如此,上市几个月以来,3TB硬盘赢得了消费者的广泛关注,并且促使一线主板厂商迅速做出反应,及时提供合理的解决方案。在某种程度上来说,发生在硬盘上的这次变革很可能成为新一轮硬件产品变革的开场哨。广大读者不妨静观其变,等待硬件环境、技术支持都足够成熟时再入手3TB硬盘。
  
  UEFI:瞬时开机不再是梦想
  我们多年以来一直使用传统BIOS设置基本硬件参数,感觉用它来设置电脑很方便。那么,UEFI (Unified Extensible Firmware Interface,统一可扩展固件接口)设置程序到底有什么好处?
  UEFI 设置程序基于全新的UEFI标准。UEFI标准由英特尔等业内巨头提出、倡导,并已成为开源项目以便集思广益进一步发展。
  和传统BIOS设置相比,UEF设置程序有着明显的进步:传统BIOS的设置信息采用汇编语言编写,只能存储于容量有限的BIOS芯片上,在引导系统前需要逐个检测设备,并且操作界面简单、功能有限;UEFI设置程序则采用C语言编写,可以存储在BIOS芯片或支持UEFI标准的任意设备上,在引导系统时可以同时与多个设备进行通讯、迅速完成检测过程,并且便于开发出更多扩展功能(比如说,在引导系统时识别采用GPT分区方式的硬盘)。
  电脑开机速度一直是人们比较关注的话题。UEFI设置程序可以让引导系统的时间缩短到几秒钟的量级,让瞬时开机不再是梦想。以后,我们就可以像使用手机那样随手打开电脑进行操作了。
  
  2.1TB容量极限的来龙去脉
  10年前硬盘容量突破137GB容量极限时,MBR分区方式并没有被废除掉。那么,为什么这次MBR分区方式不能突破2.1TB的容量极限呢?难道新的GPT分区方式就不存在这个问题了吗?
  根据MBR分区方式的原理,MBR自身只占据一个512B扇区的空间,但需要保存硬盘上所有物理地址列表的指针几路。
  最初的硬盘采用CHS寻址方式,也就是如实记录物理地址所位于的柱面数(Cylinders)、磁头数(Heads)和扇区数(Sectors)。整个地址长度为24位,柱面数为8位,磁头数为10位,扇区数为6位,每个扇区的大小为512B。这导致MBR中最多能存储下约8.4GB(28×210×26×512B)数据的物理地址,8.4GB就成为了当时单块硬盘容量的极限。
  经过多年发展,人们又提出了LBA寻址方式,将数据所在的三维位置转换为一维线性位置。实际使用时,主板上的磁盘控制器负责转换位置,保证读写指令的准确性。最初LBA寻址方式采用的整个地址长度为28位,从而导致了新的单块硬盘容量极约为137GB。为突破这个障碍,人们又将LBA寻址方式采用的地址长度扩充到48位地址,但采用MBR分区方式时所能使用的地址长度只能达到32位,于是新的容量极限就是2.1TB(24×137GB)。
  想存储更多的地址信息吗?MBR分区方式的禁锢导致我们无法继续增加LBA寻址方式的位数来解决问题,我们只能放弃它寻求新的解决办法。采用GPT分区方式就成了必然。
  GPT分区方式实际是MBR分区方式的扩充,只是它不再仅仅占据1个512B扇区,而是要占据多个512B扇区(如下图所示)。其中第一个512B扇区仍然保持传统的MBR扇区结构。这样一来,硬盘就可以使用多个512B扇区来存储实际物理地址,而且可以采用增长位数的LBA寻址方式,将地址长度提升到64位。这使得GPT分区方式可支持的单块硬盘容量极限达到了9.4ZB(1ZB = 109TB),这就意味着单块硬盘容量极限提升了40多亿倍。虽然硬盘容量发展迅速,但在近几年内这个上限应该不会再次被轻易突破了。
  
  4KB扇区:硬盘容量进一步加大的保证
  多年以来,硬盘扇区大小一直维持在512B。随着硬盘容量的提升,这种规格越来越暴露出不能有效利用磁介质、不能与主流操作系统采用的4KB簇相适应的缺点,对硬盘的容量、性能提升都造成了阻碍。目前,硬件厂商正在推动变革,将硬盘扇区扩充到4KB。采用4KB扇区的硬盘则被称为 “高级格式化”(Advanced Format)硬盘。
  在硬盘中,每个扇区后都安排了间隙、同步、地址标记和纠错代码区域。单个4KB的扇区相当于将8个512B的扇区合到一起,原先8个扇区都有各自的间隙、同步、地址标记和纠错代码区域,现在只需要保留1个稍大的间隙、同步、地址标记和纠错代码区域就可以了。经计算,改用4KB扇区以后,同样一块硬盘的扇区化格式化效率会提升大约10%。
  此外,采用4KB扇区后,主流操作系统读写大容量数据时的效率也会明显提升。因为,硬盘需寻址到扇区的次数理论上将减少到原先的1/8左右,操作起来更加简便。
  不过,受目前Windows 操作系统的工作模式所限,4KB扇区硬盘在这些操作系统中仍然必须把单个4KB扇区模拟成8个512B扇区来工作。系统下达指令时始终以512B扇区为单位,硬盘需要将系统读、写的数据地址进行转换,再对实际地址进行操作。这既影响了效率,又带来了对齐问题。对齐问题,就是指硬盘虚拟出的连续8个512B扇区并不是恰好对应一个实际存在的4KB扇区。硬盘原本可以通过处理单个4KB扇区的数据来完成单次读、写指令,出现对齐问题后,硬盘就必须在执行单次读、写指令时处理相邻的两个4KB扇区,实际上操作次数会成倍增长。所幸的是,厂商都提供了软件来帮助用户解决对齐问题。
  目前正是两种扇区规格的过渡期。市场上销售的1TB、2TB乃至3TB硬盘都存在着512B扇区、4KB扇区的版本。不过,随着硬盘容量的进一步提升,未来的大容量硬盘都将采用4KB扇区。
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