硬盘驱动器报告其物理扇区大小有什么意义？

Question

我有一个 SSD，它可以配置为以两种不同的方式向操作系统报告其物理扇区大小：

选项 1：逻辑 = 512 字节，物理 = 512 字节

选项 2：逻辑 = 512 字节，物理 = 4096 字节 (4K)

考虑到 4K 物理扇区大小，操作系统可以获得什么好处：

• 操作系统必须以 512 字节的扇区与驱动器通信，无论如何

• 所有现代操作系统都与 4K 对齐并使用 4K 或 4K I/O 的倍数，无论如何

该设置似乎毫无意义，因为现代操作系统已经针对 4K 扇区驱动器进行了优化。现代操作系统不需要“询问”驱动器的扇区是 512b 还是 4K，因为默认情况下，操作系统以 4K 友好的方式执行所有操作。

例如，Windows 7 将分区对齐为 1MB（4K 的倍数），NTFS 簇大小为 4K 或其倍数，所有 I/O 均以 4K 或其倍数进行。Windows 不在乎你有什么硬盘，它会在所有情况下应用上述行为。

无论如何……我的 SSD 有这个“物理扇区大小”设置，所以它必须存在有一些很好的理由……这就是我正在寻找的原因。

顺便说一句，就其价值而言，该驱动器是Intel SSD DC S3510。驱动器的数据表说明了这一点（第 27 页）：

通过使用 SCT 命令 0xD801，State=0，Option=1，ID Word 106 可以从 0x6003 更改为 0x4000（4KB 物理扇区大小到 512B 物理扇区大小支持更改）。

Answer 1

512 字节仿真旨在与旧系统兼容。但是，仅涉及物理 4K 扇区的一部分的写入会导致性能降低，因为在实际写入扇区之前需要读取和修改扇区。

当旧操作系统尝试写入高级格式磁盘时，可能会出现性能问题，因为写入的逻辑扇区可能与物理扇区不匹配。

• 当仅读取 4K 物理扇区的一部分时，只需从物理扇区读取数据，性能不会降低。但是，当系统尝试写入物理扇区的一部分（例如模拟的 512 字节扇区而不是整个物理扇区）时，硬盘驱动器需要读取整个物理扇区，修改硬盘驱动器内部的更改部分内存，并将其写回盘片。这称为读取-修改-写入( RMW )，该操作需要额外旋转磁盘，因此会降低性能。希捷对此解释如下：

[...] 硬盘必须首先读取包含主机写入请求目标位置的整个 4K 扇区，将现有数据与新数据合并，然后重写整个 4K 扇区：

在这种情况下，硬盘驱动器必须以读取 4K 扇区、修改内容然后写入数据的形式执行额外的机械步骤。这个过程称为读-修改-写循环，这是不可取的，因为它对硬盘性能有负面影响。

未与 4K 边界对齐的磁盘分区也会导致性能下降。

• 传统上，硬盘上的第一个分区从扇区 63 开始。Windows XP 和较旧的操作系统以这种方式对磁盘进行分区。较新版本的 Windows 将在 1 MB 边界上创建分区，确保与物理扇区正确对齐。这称为对齐 0。

  • 这个奇数是INT 13h 中使用的柱面-磁头扇区 (CHS) 寻址的产物，INT 13h是用于磁盘访问的传统BIOS API。在使用 INT 13h API 的旧系统和引导加载程序上，所有分区都必须在柱面边界上开始和结束。即使在引入逻辑块寻址 (LBA)之后，仍使用假 CHS 值（与实际磁盘几何结构不对应）来保持与旧 API 的兼容性。由于 CHS 寻址最初支持每个柱面最多 63 个扇区，因此第一个分区将从扇区 63 开始。如果系统卷不在柱面边界上， Windows XP（Service Pack 3 之前）和早期版本的 Windows将无法启动。

• 由于 LBA 63 不是 8 的倍数（8 个 512 字节的旧扇区适合一个 4K 扇区），以旧方式格式化的高级格式化磁盘将具有簇（文件系统数据分配的最小单位，通常大小为 4K ) 未与 4K 磁盘上的物理扇区对齐，这种情况称为Alignment 1。因此，原本涉及 4K 数据的 I/O 操作现在跨越两个扇区，从而导致读取-修改-写入操作，从而降低性能。

如果操作系统总是在 4K 边界上写入数据，则不需要有关物理扇区大小的信息，但执行低级 I/O 的应用程序可能仍需要此信息。

• 当驱动器报告其物理扇区大小为 4K 时，操作系统或应用程序可以判断它是高级格式驱动器，因此必须避免执行不跨越完整物理扇区的 I/O 操作。报告 512 字节本机扇区的驱动器不会施加此限制。虽然较新的操作系统通常会尽可能以 4K 为单位尝试读取或写入数据（使此信息无关紧要），但执行低级 I/O 的应用程序可能需要知道物理扇区大小，以便它们可以进行相应调整并避免未对齐或导致慢 RMW 周期的部分扇区写入。

您的 SSD 能够更改报告的物理扇区大小，因为它是与某些存储阵列兼容所必需的。

• 数据中心通常具有由传统 512n 驱动器组成的存储阵列。4K 驱动器，即使是模拟 512 字节扇区的驱动器，也可能与此类阵列不兼容，因此此功能是确保兼容性所必需的。请参阅此论坛主题：

  我们不能只将 4K 驱动器插入格式化为 512b 磁盘的阵列中。许多阵列（最著名的是基于 ZFS 的存储，随着软件定义存储的兴起而越来越流行）不接受具有不同物理扇区格式的替换驱动器。

  请注意，如果将驱动器配置为使用 4K 扇区，则在现代系统上将获得更好的性能。

Answer 2

如果操作系统知道底层物理扇区大小，它可以优化其查询以需要尽可能少的物理操作。特别是对于 SSD，物理操作限制（4KB IOPS 限制）通常是设备速度的最终限制，因此能够充分利用此容量非常重要。

Answer 3

无论如何，当操作系统必须与 512 字节扇区中的驱动器进行通信时，操作系统通过了解物理扇区大小可以获得什么好处。

逻辑大小是传输数据的最小大小。由于这是一个块设备，主机和驱动器之间的任何数据传输都将是该逻辑块大小的倍数。

物理尺寸是最佳尺寸传输数据，并且反映了实际的尺寸的读取和写入操作中的控制器/驱动电平。

当主机请求读取逻辑扇区时，控制器/驱动器将执行包含逻辑扇区的物理扇区的读取操作。
当逻辑扇区大小等于物理扇区大小时，操作简单。当逻辑扇区大小小于物理扇区大小时，控制器必须从物理扇区中提取逻辑扇区以传输到主机。

当主机请求写入逻辑扇区时，物理扇区的大小很重要。
当逻辑扇区大小等于物理扇区大小时，写操作简单，可以直接进行。扇区先前内容的状态不会影响写操作。

当逻辑扇区大小小于物理扇区大小时，控制器必须先对包含逻辑扇区的物理扇区进行读操作。
如果读取成功，则将逻辑扇区插入到物理扇区中，并将物理扇区完全写入其中。
如果读取不成功（即使重试后），也无法完成写入操作。

如果操作系统使用物理扇区大小（通过利用 ATAPI 命令集中可用的多扇区操作）执行读取和写入操作，则将更有效地执行写入操作（并且没有不必要的不​​完成机会）。

LOGICAL 扇区大小完全定义了操作系统如何与驱动器通信。没有例外。当您只允许以逻辑扇区大小进行通信时，知道物理扇区大小有什么用？

您关于“无例外”的论点是不正确的。
随 IDE HDD 引入的 ATAPI 命令集始终具有使用sector count参数执行读写操作的能力。这仅仅是现有磁盘和软盘控制器接口的扩展，它们也能够进行多扇区读/写操作（只要扇区在同一轨道上）。