4K对齐的实现与应用

摘　要：

摘　要：机械硬盘在储存数据时，一直都是以512byte大小的扇区（Sector）为单位分割进行读写。随着硬盘容量的不断提升，这种分配标准已经越来越显的不合时宜。因此，硬盘生产厂商们决定将扇区容量扩大到4KB，也就是“4K扇区”。 所谓“4K对齐”，实际上就是符合4K扇区定义格式化过的硬盘，并且按4K扇区规则写入数据。如果4K不对齐，那么向硬盘中写入最小量数据时，也要占用两个4K扇区，那么这会影响数据的读取和写入速度，而将硬盘调整为4K对齐后，可以提升硬盘的读写速度。

关键词：

关键词：4K对齐　AHCI硬盘模式　读写速度

     在NTFS6.x 以前的规范中，数据的写入点正好会介于两个4K 扇区的之间，也就是说即使是写入数据量非常小，也会使用到两个4K扇区，显然这样对写入速度和读取速度都会造成比较大的影响。为此对于“4K不对齐”的情况来说，一定要修改成“4K 对齐”才好，否则不但会极大的降低数据写入和读取速度，还会造成硬盘不必要的写入次数，减少使用寿命。要实现4K对齐，首先要开启硬盘的AHCI模式，然后使用4K对齐工具进行4K对齐，进而减少读写次数，使数据传输更为高效。

     1　AHCI硬盘模式

     AHCI（Serial ATA Advanced Host Controller Interface）串行ATA高级主控接口/高级主机控制器接口），是在Intel的指导下，由多家公司联合研发的接口标准，它允许存储驱动程序启用高级串行 ATA 功能，如本机命令队列和热插拔，AHCI本质是一种PCI类设备，在系统内存总线和串行ATA设备内部逻辑之间扮演一种通用接口的角色（即它在不同的操作系统和硬件中是通用的）。这类设备描述了一个含控制和状态区域、命令序列入口表的通用系统内存结构；每个命令表入口包含SATA设备编程信息，和一个指向（用于在设备和主机传输数据的）描述表的指针。

     AHCI通过包含一个PCI BAR（基址寄存器），来实现原生SATA功能。由于AHCI统一接口的研发成功，使得支持串行ATA产品的开发工作大为简化，操作系统和设备制造商省去了单独开发接口的工作，取而代之的是直接在统一接口上进行操作，可以实现包括NCQ（Native Command Queuing）在内的诸多功能。

     在电脑的COMS中，我们一般可以看到SATA模式和AHCI模式这两个功能选项，当SATA模式设置为增强模式（Enhanced）即可用时，AHCI模式可选择Enable和Disable；当SATA模式设为Compatible时，AHCI选项无效（默认Disable）。要实现4K对齐，需要设置AHCI选项为可用，这里一般分为2种情况。一种是已经装有系统的，另一种是还没有安装系统的，如果还未安装系统，想要安装的系统又是win7，则只需要在BIOS设置为AHCI选项为Enable即可，如果是已经安装了操作系统，就需要先在系统下更新AHCI驱动，并使用工具进行4K对齐，，然后再进入BIOS将AHCI选项为Enable，否则将出现蓝屏，无法进入系统。

     2　4K对齐的原理

     电脑传统机械硬盘的每个扇区一般大小为512字节；当使用某一文件系统将硬盘格式化时，文件系统会将硬盘扇区、磁道与柱面统计整理并定义一个簇为多少扇区方便快速存储。

     windows中常见使用的NTFS文件系统，默认定义为4096字节大小为一个簇，但NTFS分区因为其引导区占用了一个磁道共63个扇区，真正的文件系统在63号扇区之后，那么依照计算得出前63个扇区大小为：512Bx63=32256B，并按照默认簇大小得出63扇区为32256B÷4096B=7.875个簇，即为每个簇都会跨越两个物理单元，占据第一个单元的组后512字节和第二个单元的前3584字节。这样文件系统在读写某个簇的时候，硬盘需要读写两个物理单元，这会降低读写速度，并缩短使用寿命。现时一般使用一些硬盘分区软件在主引导记录的63个扇区后作牺牲地空出数个扇区以对齐文件系统的4096B每簇，4069B=4KB，即4K对齐，以避免过多的读写操作，提升读写速度、延长使用寿命。

     3　4K对齐方法

     3.1　安装系统时对齐

     用Win7安装光盘进行安装的时，使用安装过程中的分区方式进行分区，只是产生100M的隐藏小分区用于存储页面启动文件。

     3.2　使用Disk Genius来进行对齐

首先，选择硬盘并建立分区。其次，选择系统盘为主分区，文件分配表类型为NTFS，并将对齐到下列扇区的整数倍的勾打上，扇区数选4096。最后，点击确定，Disk Genius系统弹出“确定要保存对分区表的所有更改吗？所做的更改将立即生效。”，点击“是”，弹出“是否立即格式化下列新建立的分区？未格式化（0）”，点击“是”，系统开始格式化，就可以完成4K对齐。

     3.3　使用Paragon Alignment ?对齐

     启动Paragon Alignment后首先会扫描你当前连接的硬盘和U盘等外存储器；之后会看到左侧是硬盘，右侧是说明信息，同时图标用相关颜色显示当前磁盘状态，若显示绿色，则是已经对齐4K，显示黄色是可以4K对齐，当前还未对齐，如果显示粉红色的，表示不支持高级格式化。选择黄色未对齐的硬盘，然后点下面的Align?Partitons，会有一个对齐过程完成之后直接点Restart?Align，电脑自动重启，重启过程中，会转到DOS下进行对齐，在这个过程中，电脑不要断电，对齐程序不要强制停止或重启机器，否则有可能会造成硬盘损坏，对齐后电脑会自动重启，然后进入系统后，会弹出下图的窗口，可以看到分区的图标已经变成了绿色，而后面有一个Succeeded成功的标识，硬盘就4K对齐了。 

     4　总结

     4K对齐是一种高级硬盘使用技术，用特殊方法将文件系统格式与硬盘物理层上进行契合，为提高硬盘寿命与高效率使用硬盘空间提供解决方案。因该技术将物理扇区与文件系统的每簇4096字节对齐而得名。相对于机械硬盘来说4K对齐对于固态硬盘意义更大，目前的固态硬盘多为使用NAND Flash 闪存作存储核心，该闪存是有删除写入次数限制的，当次数用完后该固态硬盘便会性能下降甚至报废；当然很多厂商设计固态硬盘存储方式为不在短时间内删除写入同一个位置，尝试全面地均匀地使用每一个扇区以达到期望寿命，然而在没有4K对齐的电脑上这将会使固态硬盘寿命快速下降。在读取方面，4K对齐有着较为稳定的优势，而写入方面的优势更大。

参考文献：

[1]晓风. 莫把新酒装旧瓶 SATA硬盘要打开AHCI模式[J].电脑爱好者,2008(1).

[2]吴敌. 【TB新时代】 WD Caviar Green WD20EARS[J].个人电脑,2010(9).