图文详解硬盘4K对齐问题
本帖最后由 IsaacZ 于 2012-11-9 11:46 编辑【转贴自中关村硬件论坛】
近期电脑论坛上有很多关于“4k对齐”的文章，它有提高硬盘使用效率及延长使用寿命的优点，我也学着对自己的台式机做了4k对齐，效果不错；而后查阅了大量相关文章，结合自己的体会对知识点做了适当梳理，尽量使其通俗易懂，发到这里供朋友们参考。
一、问题的起因
随着IT业的发展，硬盘行业也正在经历变革（如超级本标配固态硬盘，大容量硬盘的普及）。存储密度与数据读写速度之间的矛盾日益凸显出来。
30 多年来，硬盘上储存的数据都要格式化到小的逻辑块中，这种逻辑块称为扇区。传统的扇区大小是 512 字节。实际上，现代计算机系统很多的设计方面仍假设硬盘扇区采用此基础格式标准。
传统扇区格式中包含间隙 (Gap)、同步 (Sync) 和地址标记 (Address Mark)、数据和纠错代码 (ECC) 部分（见图 1）。
此扇区布局的结构设计如下：
间隙 (Gap) 部分：间隙，用于分隔扇区。
同步 (Sync) 部分：同步标记，用于表示扇区开始处并提供计时对齐。
地址标记 (Address Mark) 部分：地址标记，包含可识别扇区号和位置的数据。还可提供扇区本身的状态。
数据部分（Data）：数据，包含所有用户数据。
ECC 部分：ECC 部分包含用于修复或复原读写过程可能受损数据的纠错代码（一般占50字节）。
然而，随着硬盘容量的不断增长，扇区大小日渐成为提高硬盘容量和纠错效率方面的限制性设计因素。
管理小型离散数据时，分辨率越低越好。但是，现代计算系统中的常用应用管理的都是大型数据块，实际上远比传统 512 字节扇区大小要大得多。
另外，随着区域密度的增加，小型 512 字节扇区在硬盘表面上占用的空间也将越来越小。从纠错和介质缺陷风险方面看，更小的空间也会引发问题。如图 2 所示，硬盘扇区中的数据占据的空间越小，错误纠正就会变得越困难，因为同样大小的介质缺陷对总体数据负载损害的百分比更高，因此需要更大的纠错强度。
图 2.介质缺陷和区域密度（更高的区域密度使同样大小介质缺陷带来的危害更高）
用老标准去管理现超大容量的硬盘不但显得繁琐，而且降低效率，因此提升单个扇区的容量就势在必行了。
二、目前的状况
开始于 2009 年晚期，硬盘公司正在从传统的 512 字节扇区迁移到更大、更高效的 4096 字节扇区（一般称为 4K 扇区），国际硬盘设备与材料协会将之称为高级格式化（Advanced Format）。到目前为止西数推出的第一款采用4K扇区的硬盘是3.5英寸绿盘（Caviar Green）
希捷也仅750G绿盘采用了4K扇区
大部分机械硬盘及固态硬盘均仍采用老标准，极大地阻碍了性能的发挥。
三、4k对齐的优点
为了提高硬盘使用效率，将传统的 512 字节扇区调整到4096 字节扇区的过程称“4K对齐”。
对齐4K的好处是很多的。所有采用Advanced Format的HDD（硬盘），所有SSD（固态硬盘）都需要对齐。4k对齐可以更好地发挥硬盘的读写速度，从而加速系统启动时间，和程序运行响应时间，更重要的是，可以良好地使用并保护硬盘（固态硬盘必须对齐，机械硬盘也最好对齐）。
1、通过降低错误纠正代码所用空间来提高格式化效率
图5显示了传统的 512 字节扇区布局。其中，在每个 512 字节扇区中，都留有 50 字节与数据无关的开销用于 ECC，以及另外 15 字节的开销用于间隙 (Gap)、同步 (Sync) 和地址标记 (Address Mark) 部分。这样就造成扇区格式化效率仅约为 88% (512/(512 + 65))。
图 5 传统 512 字节扇区布局
新的高级格式化标准使得 4K 字节扇区有了不小进步，在 4K 字节扇区中，8 个传统 512 字节扇区合并为一个 4K 字节扇区（见图 6）。
图 6 高级格式化：4K 字节扇区布局（上面代表8个512字节扇区，下面代表1个4k字节扇区，可见数据区利用率明显增加）
高级格式化标准用于间隙 (Gap)、同步 (Sync) 和地址标记 (Address Mark) 的字节数与传统扇区相同，但将 ECC 字段增加至 100 字节。这样，扇区格式化效率达到了 97% (4096/(4096 + 115))，比传统扇区提高了将近 10%。
这些格式化效率将逐渐发挥作用，有助于产生更高的容量和改善数据完整性。
2、可靠性和错误纠正
硬盘扇区的物理大小在不断缩减，所占空间也越来越少，但介质缺陷却没有同时减少。图 7 中显示了我们认为很小的物体的图像。但与硬盘读/写磁头的飞行高度相对而言，这些物体显得非常庞大。比图中显示物体更小的微小颗粒也会造成硬盘的介质缺陷。
图 7磁头飞行高度的放大演示
高级格式化标准中的较大 4K 扇区可将 ECC 块大小增加一倍，从 50 字节增加到 100 字节，能够针对颗粒和介质缺陷为错误纠正效率和可靠性带来必要的改进。
从改进的格式化效率和更加强大的纠错功能的综合优势来看，向 4K 扇区的过渡很值得。如何管理这种过渡，以最小的副作用获取长期利益，是硬盘行业的重点所在。
下面是经过4k对齐前后的读写性能对比
（1）SSD固态硬盘
通过上面的柱状图进行对比，读取方面的差距较小，而写入的方面差距明显增大，看来对齐4K后，对于SSD的写入有着质的提升。
（2）机械硬盘
上面的两张读取和写入的柱状图，可以清晰的看到，读取方面，4K对齐有着较为稳定的优势，而写入方面的优势更大，所以在本项测试中，4K对齐对硬盘有较为明显的提升（图中数值越大越好）
在复制文件方面，分别测试了相同硬盘和不同硬盘下零散小文件和大文件的测试（大文件为2个ISO游戏镜像，10266MB大小，零散小文件为1963个不大于2M的文件，共1646MB大小），通过上面的柱状图可以对比发现，在复制方面，对齐4K后性能有着明显的提高，特别是在零散小文件方面，有着接近一倍的提升，这也间接证明了对齐4K后，可以有效缓解系统卡顿情况发生。 （图中数值越小越好）
四、如何进行4k对齐
新购置的“高级格式化”硬盘，可直接在win7下采用NTSF方式格式化进行4k对齐（如下图），但XP系统这样处理无效，安装系统时不要使用GHOST版本，否则又会变回512扇区，最好采用原版手动安装。
老硬盘的4k对齐（无损数据对齐法）
1、使用ASSSD检测：下载地址http://www.zw97.com/soft/14483.html
下载后运行“AS SSD Benchmark.exe”文件，出现如下结果（本图为我的台式机上固态硬盘对齐前后测试值）
红框处示意“31k-BAD”表明未对齐，需进行4k对齐操作
上图是经过4k对齐操作后的结果，红框处显示“2048k-ok”，表示已经4k对齐，从测得的数据看，对齐前后读写速度有明显改变。
2、使用PAT3.0进行对齐操作，软件下载地址：http://download.csdn.net/detail/insansun/4420516
解压安装后，桌面出现如下快捷图标（黑框出）
（1）点击桌面“Paragon Alignment Tool 3.0”快捷图标，弹出如下对话框
（2）点击“Next”，出现如下运行框
（3）待运行完毕弹出如下对话框
（4）第一个框中选择不重启，最下面方框处打上对勾，然后点NEXT
（5）选择黄 色盘符（黄 色代表未对齐，绿色代表对齐），然后点击下方中间的“Align partitions”按钮，开始对齐操作（如下图）
这一过程需要较长时间，耐心等对，运行完毕就ok了。
来源:http://www.keai99.com/thread-123241-1-1.html
:o U盘也可以4K对齐？我看到了kingston 本帖最后由 伤心的笔 于 2012-11-18 10:31 编辑
farmer 发表于 2012-11-9 19:03 static/image/common/back.gif
U盘也可以4K对齐？我看到了kingston
金士顿固态硬盘。 伤心的笔 发表于 2012-11-9 19:04 static/image/common/back.gif
金士顿固态硬盘。
0 这么小啊哈哈！！！~~ farmer 发表于 2012-11-9 19:09 static/image/common/back.gif
0 这么小啊哈哈！！！~~
估计是早期的固态硬盘。目前常见的固态硬盘有64GB、120GB、128GB等。 伤心的笔 发表于 2012-11-9 19:22 static/image/common/back.gif
估计是早期的固态硬盘。目前常见的固态硬盘有64GB、120GB、128GB等。
说不定U盘真的可以4K对齐。有人试过没有？ 微软的KB982018补丁（可选更新）增强了对4k对齐的支持。详见http://support.microsoft.com/kb/982018 IsaacZ 发表于 2012-11-9 19:25 static/image/common/back.gif
说不定U盘真的可以4K对齐。有人试过没有？
工具可用于SSD固态硬盘、机械硬盘、U盘、SD卡/TF卡等移动存储设备4K对齐，支持无损对齐。
真的有可能。我试试。 farmer 发表于 2012-11-9 19:03 static/image/common/back.gif
U盘也可以4K对齐？我看到了kingston
不好意思，我说错了，金士顿DataTraveler G2 8G的确是U盘。 IsaacZ 发表于 2012-11-9 19:25 static/image/common/back.gif
说不定U盘真的可以4K对齐。有人试过没有？
刚试过了 真的可以。
对齐前：
（我忘了测试分数就直接进行对齐操作了）
开始对齐时，USB Safely Remove提示我U盘已被取消挂载。
等了几分钟，对齐成功。
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