Объём жёсткого диска

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 ограничения (большей частью исторические) существующие или существовавшие в персональных компьютерах на размер жёстких дисков, разделов и/или файловых систем.

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, для работы с жёстким диском использовало вызов Int 13h.

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 этих регистрах на C отводится 16 бит, на H — 4, на S — 8.

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

Данное ограничение стало ощутимым в 1994—1995 годах, примерно во время 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 уже и передаётся в контроллер диска.

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

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 ГБ такие BIOS зависали, 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 ${\displaystyle 2^{10}\times 2^{8}\times (2^{6}-1)=1024\times 256\times 63=16\,515\,072}$ секторов^[15], что при размере сектора в 512 байт даёт 8 455 716 864 байт (8064 МБ, 7,875 ГБ).

К тому времени, когда это стало проблемой — около 1997—1998 годов — стали массово использоваться 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 аппаратуре контроллера. 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 — это один из пакетов обновления для Windows NT 4.0 в 1997 году), после чего проблема перестала существовать.

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 ${\displaystyle 2^{16}\times 2^{4}\times (2^{8}-1)=65536\times 16\times 255=267\,386\,880}$ секторов^[15], что при размере сектора в 512 байт даёт 136 902 082 560 байт (127,5 ГБ).

Решение проблемы с таким ограничением возможно только на уровне аппаратуры (и обновления драйверов для использования новых возможностей аппаратуры). 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-bit 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]

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

Например, DOS не поддерживает работу с количеством головок больше 255, поэтому в этой операционной системе не приемлема геометрия, 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 ${\displaystyle 2^{10}\times 2^{7}\times (2^{6}-1)=1024\times 128\times 63=8\,257\,536}$ секторов был под вопросом. При размере сектора в 512 байт это даёт 4 227 858 432 байт (4032 МБ, 3,94 ГБ).