Объём жёсткого диска

Объём жёсткого диска (также используются термины «размер», «ёмкость») — максимальное количество информации, которое способен вместить жёсткий магнитный диск.

Ограничения ёмкости

По мере развития жёстких дисков их максимальная ёмкость стремительно увеличивалась. На пути этого увеличения время от времени возникали препятствия — ограничения широко используемых программных и аппаратных интерфейсов, используемых способов адресации, а также характеристики ПО. В этом списке приводятся существующие или существовавшие лимиты (большей частью исторические) в персональных компьютерах на размер жёстких дисков, разделов и/или файловых систем.

Ограничение	Описание
8 Мбайт	Ограничение на диск в ОС CP/M (при общем числе не более 16 дисков)
10,4 Мбайта	Фиксированный размер диска в PC/XT: 306 цилиндров, 4 головки, 17 секторов на дорожку
15 Mбайт	Максимальный размер раздела для MS-DOS 1 и 2 при стандартном размере сектора^[1]
16 Мбайт	Предельный размер для FAT12^[2]
32 Мбайт	Ограничение на размер раздела для MS-DOS 3 для файловой системы FAT16: размер кластера 2 Кбайта, не более 16 384 кластеров^[2]
128 Мбайт	Ограничение на размер FAT16 в MS-DOS 4: число кластеров до 65 526, размер кластера 2 Кбайта^[2]
504 Мбайта	Ограничение схемы адресации CHS (см. ниже)
2 Гбайт	Максимальный размер файловой системы FAT16 при 32-килобайтном кластере. Для Windows NT это величина за счёт 64-килобайтных кластеров равна 4 Гбайтам^[3]
2,1 Гбайта	Некоторые материнские платы выделяли 12 бит на хранение числа цилиндров (4095 × 16б × 63 → 2,1 Гбайт)^[4]
3,2 Гбайт	Ошибка некоторых Phoenix BIOS (4.03 и 4.04), приводящая к зависанию CMOS Setup, если диск превышает в размере 3277 Мбайт^[4]
4 Гбайт	Лимит на размер раздела FAT16 в Windows NT
4 Гбайт	Лимит раздела, создаваемого Windows NT 3.51/4.0 Workstation при установке^[5] (связано с тем, что при установке создаётся раздел FAT16, который затем конвертируется в NTFS)
4,2 Гбайт	Прямая трансляция числа секторов/головок методом последовательного уменьшения числа цилиндров в 2 раза и удвоения числа головок (т. н. Large или ECHS (Extended CHS)) приводила к лимиту в 1024 головки: 1024 × 128 × 63 × 512 → 4,2 ГБ^[4]
7,8 Гбайт	Лимит на размер системного диска Windows NT 4.0^[6]
7,9 Гбайт	При уменьшении числа головок до 15 режим ECHS (revised ECHS) позволял получить конфигурацию методом удвоения с 15 × 2 × 2 × 2 = 240 головками, что давало предел в 7,9 Гбайт
8,4 Гбайта	Ограничение BIOS (см. ниже)
32 Гбайта	Искусственное ограничение на размер раздела FAT32 в Windows 2000, XP. Разделы большего размера система отказывалась форматировать^[7]^[8]. Причиной является рациональное использование ресурсов: FAT32 при большем размере раздела теряет производительность, а NTFS, напротив, при малом размере раздела (~10 GiB) слишком расточительна.
32 Гбайта	Максимальный поддерживаемый размер диска Windows 95^[9]
33,8 Гбайт	Большие диски содержат информацию о 16 головках, 63 секторах и 16 383 цилиндрах. При использовании реального числа цилиндров для вычисления (деления ёмкости на 16 × 63) оно получается больше, чем 65 535, что приводит к зависанию некоторых BIOS. Именно из-за этой проблемы на многих дисках того времени присутствовали джамперы, ограничивающие ёмкость до 32 Гбайт.
128 Гбайт 137 Гбайт^[4]	Ограничение стандартов с ATA-1 по ATA/ATAPI-5 (см. ниже)
	Лимит в Windows XP SP1 на размер раздела NTFS (исправлено в SP2)
	Максимальный размер FAT32, создаваемый Windows 98^[7]
	Максимальный размер SFS в ОС семейства Amiga
2 Тбайта	Максимальный размер всего диска (без учёта разделов), поддерживаемый MBR. Ограничения MBR: размер раздела, а также расстояние от начала раздела до контейнера (до начала диска в случае первичного раздела; до начала расширенного раздела в случае логических томов) — 32-битное число секторов, то есть оба параметра не могут быть больше 2 Тбайт
	Максимальный размер файловой системы ext3 на 32-битной архитектуре
	Максимальный размер раздела для загрузки Windows XP, Windows Vista, Windows 7 (в силу ограничений MBR)
4 Тбайта	Максимальный размер элемента массива mdraid при использовании формата метаданных 0.9 (2^32-1 сектора)
8 Тбайт	Предел FAT32^[8]
16 Тбайт	Максимальный размер ext3 на 64-битной архитектуре (4-КБ блок), на Alpha при 8-КБ блоке может быть до 32 ТБ
	Максимальный размер NTFS при 4-килобайтном кластере
	Максимальный размер файловой системы ReiserFS 3.6^[10]
	Максимальный размер файловой системы ISO 9660, используемой на оптических дисках
64 Тбайта	Лимит на размер spanned-массива дисков в Windows 2003^[11]
256 Тбайт	Максимальный размер файловой системы NTFS (при 64-килобайтном кластере) в существующих 32-битных реализациях^[7]^[11]. 48-битное LBA способно адресовать до $2^{48}=256\times 2^{40}$ байт, что составляет 256 ТиБ. К концу 2011 года на рынке имелись внутренние жёсткие диски объёмом не более 4 Тбайт
512 Тбайт	Рекомендуемый максимальный размер файловой системы exFAT^[12]
4 Пбайта	Лимит JFS при 4-килобайтном блоке^[10]
8 Пбайт	Лимит NFS^[10]
137 Пбайт	Лимит адресации секторов ATA-6 (48-битное LBA)
1 Эбайт	Максимальный размер ext4^[13]
8 Эбайт	Лимит XFS^[10]
16 Эбайт	Лимит HFS+
64 Эбайта	Теоретический максимальный размер файловой системы exFAT^[12]
256 ЗиБ	Максимальный размер файловой системы ZFS
1 Йбайт	Теоретический предел NTFS при 64-КБ блоках и 64-битной адресации (в настоящий момент используется 32-битная)^[7]

504 Мбайта

Ограничение MS-DOS на допустимое число головок — 16 (1024 цилиндра, 63 сектора на дорожку, 16 головок, 512 байт на сектор)^[4]^[14].

Программное обеспечение времен начала 1990-х годов, такое как MS-DOS, использовало вызов Int 13h для работы с жёстким диском.

Адресация блоков диска в вызове Int 13h выглядит как номера цилиндра (англ. cylinder), головки (head) и сектора (sector) — C/H/S. При этом на C отводится 10 бит, на H — 8, на S — 6.

Обработчик Int 13h в BIOS вписывает эти номера в управляющие регистры контроллера IDE. В данных регистрах на C отводится 16 бит, на H — 4, на S — 8.

Совокупность обоих значений приводит к общему ограничению C/H/S = 10/4/6 бит (всего 20 бит), что позволяет адресовать $2^{10}\times 2^{4}\times (2^{6}-1)=1024\times 16\times 63=1\,032\,192$ секторов^[15]. При размере сектора в 512 байт это даёт 528 482 304 байт (504 Мбайта).

Максимум	BIOS	IDE	Общее ограничение
Секторов на дорожку	63	255	63
Поверхностей (головок)	256	16	16
Дорожек	1024	65536	1024
Объём	8 064 Мбайт	127,5 Гбайт	504 Мбайт

Данное ограничение стало ощутимым в 1994—1995 годах, примерно после появления первых микропроцессоров Pentium. Для его обхода была придумана трансляция значений CHS в коде обработчика Int 13h в BIOS. Среди алгоритмов трансляции был и LBA (англ. Linear Block Addressing), когда CHS-адрес преобразовывается в линейный адрес, который передаётся контроллеру диска.

Теоретически разные методы трансляции должны давать одинаковый результат, однако из-за особенностей некоторых её реализаций, а также организации структур данных (разделов) на дисках, информация, записанная на диск в одной трансляции, могла быть недоступна в других. Для смены режима трансляции диска необходимо было «переразбить» диск (пересоздать таблицу разделов), что приводило к потере всей записанной на него информации.

8,4 Гбайта

Максимально возможная величина для прерывания INT 13 — 1024 цилиндра, 63 сектора, 255 головок. Ограничение многих BIOS того времени (P1-P2): при попытке определить диск с размером больше 8 Гбайт компьютер зависал, так как число головок обязано быть меньше 256^[4].

В интерфейсе Int 13h для номера цилиндра отведено 10 бит, для номера головки — 8, для номера сектора — 6, всего 24 бита. Это позволяет адресовать $2^{10}\times 2^{8}\times (2^{6}-1)=1024\times 256\times 63=16\,515\,072$ секторов^[15], что при размере сектора в 512 байт даёт 8 455 716 864 байт (8064 Мбайта, 7,875 Гбайт).

К тому времени, когда это стало проблемой — примерно 1997—1998 годы, — массово использовались полноценные многозадачные ОС, такие как GNU/Linux, FreeBSD и Windows NT. Так как код Int 13h в BIOS никогда не разрабатывался с учётом многозадачности (в частности, он нагружает процессор бесконечным циклом в ожидании прерывания от контроллера), эти ОС не могли пользоваться Int 13h в своей работе. Вместо этого они — как ранее Novell NetWare — включали драйвер IDE, напрямую обращающийся к контроллеру. Это снимало связанные с Int 13h ограничения при работе уже загруженной ОС, но проблема с загрузкой (запуском загрузчика системы из раздела диска, расположенного за доступной для BIOS границей) оставалась.

Для решения проблемы разработчики BIOS расширили Int 13h новыми подфункциями, принимавшими номер сектора как 64-битное целое число (LBA) без деления на C/H/S. Разработчики ОС внедрили поддержку этого новшества в загрузчики (в Windows, например, это один из пакетов обновления для Windows NT 4.0 1997 года), после чего проблема перестала существовать.

128 Гбайт

Аппаратный интерфейс регистров IDE-контроллера стандартов с ATA-1 по ATA/ATAPI-5 использует 16 бит для номера C, 4 — для H и 8 — для S, всего 28 бит. Это позволяет адресовать $2^{16}\times 2^{4}\times (2^{8}-1)=65536\times 16\times 255=267\,386\,880$ секторов^[15], что при размере сектора в 512 байт даёт 136 902 082 560 байт (127,5 Гбайт).

Решение проблемы с таким ограничением возможно только на аппаратном уровне (и обновления драйверов для использования новых возможностей). Оно было принято в стандарте ATA/ATAPI-6 в виде отправки адреса в контроллер дважды в определённой последовательности (48-bit LBA)^[16].

В семействе Windows поддержка 48-битного LBA была добавлена в SP4 для Windows 2000 и в SP2 для Windows XP. Кроме того, в Windows 2000 также требуется явно активизировать эту поддержку с помощью редактирования реестра^[17].

Другие ограничения

Помимо ограничений интерфейсов IDE и BIOS, имелись и другие барьеры — ошибки и лимиты в программах, ОС и коде BIOS.

Например, DOS не поддерживает работу с количеством головок больше 255, поэтому в этой операционной системе не приемлема разметка диска, в которой количество головок равно 256. Это означает, что в компьютерах, где в BIOS не поддерживалась трансляция с заменой количества головок 256 на 255, доступ к дискам объёмом больше $2^{10}\times 2^{7}\times (2^{6}-1)=1024\times 128\times 63=8\,257\,536$ секторов был под вопросом. При размере сектора в 512 байт это даёт 4 227 858 432 байт (4032 Мбайт, 3,94 Гбайт).

Примечания

↑ MS-DOS Partitioning Summary Архивная копия от 31 января 2017 на Wayback Machine. Microsoft.
↑ ¹ ² ³ Hard Disk Size Barriers Архивная копия от 30 ноября 2011 на Wayback Machine. The PC Guide.
↑ Максимальный размер раздела на диске с файловой системой FAT16 Архивная копия от 14 декабря 2011 на Wayback Machine. Microsoft.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ Properties of partition tables Архивная копия от 23 апреля 2019 на Wayback Machine. Win.tue.nl.
↑ Boot Partition Created During Setup Limited to 4 Gigabytes. Microsoft.
↑ Windows NT 4.0 не поддерживает системных разделов размером более 7,8 Гбайт Архивная копия от 25 февраля 2012 на Wayback Machine. Microsoft
↑ ¹ ² ³ ⁴ NTFS.com NTFS vs FAT32 FAT64 exFAT FAT. Comparing. Performance Архивная копия от 9 марта 2015 на Wayback Machine.
↑ ¹ ² Ограничения файловой системы FAT32 в Windows XP Архивная копия от 31 января 2017 на Wayback Machine. Microsoft.
↑ Does Not Support Hard Disks Larger Than 32 GB. Microsoft.
↑ ¹ ² ³ ⁴ File system guide. File system guide. Архивная копия от 17 сентября 2011 на Wayback Machine. Linuxreviews.org.
↑ ¹ ² Reviewing Storage Limits Архивная копия от 20 декабря 2011 на Wayback Machine. Microsoft Technet.
↑ ¹ ² Description of the exFAT file system driver update package Архивная копия от 24 мая 2011 на Wayback Machine. Microsoft.
↑ Migrating to ext4 Архивная копия от 1 декабря 2008 на Wayback Machine. IBM.
↑ The 1,024 Cylinder (504 MiB / 528 MB) Barrier Архивная копия от 2 января 2012 на Wayback Machine. The PC Guide.
↑ ¹ ² ³ Нумерация секторов начинается с единицы, поэтому всего секторов $2^{6}-1=63$ , а не $2^{6}=64$ для BIOS и 255, а не 256 для IDE.
↑ 6.20. 48-bit Address feature set // AT Attachment with Packet Interface — 6 (ATA/ATAPI-6). — ANSI, T13 Commitee, 14 декабря 2001. — P. 51. Архивировано 28 июля 2011 года. Архивированная копия (неопр.). Дата обращения: 19 июня 2009. Архивировано из оригинала 28 июля 2011 года..
↑ KB305098: Поддержка 48-разрядной логической адресации блоков для дисководов ATAPI в Windows 2000 (неопр.). Microsoft Knowledge Base (13 апреля 2006). Дата обращения: 13 января 2010. Архивировано 1 мая 2012 года.

[1] MS-DOS Partitioning Summary Архивная копия от 31 января 2017 на Wayback Machine. Microsoft.

[pcguide-2] ¹ ² ³ Hard Disk Size Barriers Архивная копия от 30 ноября 2011 на Wayback Machine. The PC Guide.

[3] Максимальный размер раздела на диске с файловой системой FAT16 Архивная копия от 14 декабря 2011 на Wayback Machine. Microsoft.

[part-type-4] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ Properties of partition tables Архивная копия от 23 апреля 2019 на Wayback Machine. Win.tue.nl.

[5] Boot Partition Created During Setup Limited to 4 Gigabytes. Microsoft.

[6] Windows NT 4.0 не поддерживает системных разделов размером более 7,8 Гбайт Архивная копия от 25 февраля 2012 на Wayback Machine. Microsoft

[ms-fs-7] ¹ ² ³ ⁴ NTFS.com NTFS vs FAT32 FAT64 exFAT FAT. Comparing. Performance Архивная копия от 9 марта 2015 на Wayback Machine.

[ms-fat32-8] ¹ ² Ограничения файловой системы FAT32 в Windows XP Архивная копия от 31 января 2017 на Wayback Machine. Microsoft.

[9] Does Not Support Hard Disks Larger Than 32 GB. Microsoft.

[linuxreview-10] ¹ ² ³ ⁴ File system guide. File system guide. Архивная копия от 17 сентября 2011 на Wayback Machine. Linuxreviews.org.

[technet-11] ¹ ² Reviewing Storage Limits Архивная копия от 20 декабря 2011 на Wayback Machine. Microsoft Technet.

[ms-exfat-12] ¹ ² Description of the exFAT file system driver update package Архивная копия от 24 мая 2011 на Wayback Machine. Microsoft.

[13] Migrating to ext4 Архивная копия от 1 декабря 2008 на Wayback Machine. IBM.

[14] The 1,024 Cylinder (504 MiB / 528 MB) Barrier Архивная копия от 2 января 2012 на Wayback Machine. The PC Guide.

[sect-1-15] ¹ ² ³ Нумерация секторов начинается с единицы, поэтому всего секторов $2^{6}-1=63$ , а не $2^{6}=64$ для BIOS и 255, а не 256 для IDE.

[16] 6.20. 48-bit Address feature set // AT Attachment with Packet Interface — 6 (ATA/ATAPI-6). — ANSI, T13 Commitee, 14 декабря 2001. — P. 51. Архивировано 28 июля 2011 года. Архивированная копия (неопр.). Дата обращения: 19 июня 2009. Архивировано из оригинала 28 июля 2011 года..

[17] KB305098: Поддержка 48-разрядной логической адресации блоков для дисководов ATAPI в Windows 2000 (неопр.). Microsoft Knowledge Base (13 апреля 2006). Дата обращения: 13 января 2010. Архивировано 1 мая 2012 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]