Müssen SSDs auf 4k ausgerichtet sein?

Auf jeden Fall. Die 4K-Ausrichtung ist ein wesentlicher Schritt bei der Verwendung von Solid-State-Laufwerken. Durch die 4K-Ausrichtung kann die Lese- und Schreibgröße des Betriebssystems mit der Lese- und Schreibblockgröße der Festplatte übereinstimmen, sodass dies nicht der Fall ist Aufteilung aufgrund von Größenunterschieden, was sich auf die Gesamtlese- und Schreibgeschwindigkeit auswirkt. Einfach ausgedrückt besteht die 4K-Ausrichtung darin, das Solid-State-Laufwerk besser an das Computersystem zu gewöhnen, wodurch die Effizienz beider beschleunigt und dadurch die Lese- und Schreibleistung der Festplatte verbessert wird. Wenn die SSD nicht auf 4K ausgerichtet ist, werden Lebensdauer und Geschwindigkeit stark reduziert.

Die Betriebsumgebung dieses Tutorials: Windows7-System, DiskGenius V5.1.0.653, Dell G3-Computer.

Wir alle wissen, dass mechanische Festplatten bei der Partitionierung keine 4K-Ausrichtung benötigen. Wenn es sich also um ein Solid-State-Laufwerk handelt, muss es dann 4K-ausgerichtet sein?

Auf jeden Fall. 4K-Ausrichtung ist ein wesentlicher Schritt bei der Verwendung von Solid-State-Laufwerken.

Grund:

• Die Grundeinheit einer Festplatte ist ein Sektor. Der physische Sektor einer Festplatte ist jetzt 4096 Bytes groß (vorher waren es 512, halbe K), was 4 KB entspricht. Die Grundeinheit des Dateisystems ist der Cluster. Nur wenn der Cluster auch 4 KB groß ist, kann er eins zu eins dem physischen Sektor entsprechen, sodass die Festplatte eine optimale Leistung und Lebensdauer erreichen kann. Angenommen, wenn der physische Sektor 4 KB und der Cluster 6 KB groß ist, sind zum Schreiben einer Clusterdatei zwei physische Sektoren erforderlich, und das Schreibvolumen der Festplatte wird verdoppelt. Dies erhöht nicht nur den Verlust der Festplatte, sondern verlangsamt auch erheblich nach unten (aus einer Schreibaktion werden zwei).

• Mit der 4K-Ausrichtung kann die Lese- und Schreibgröße des Betriebssystems mit der Lese- und Schreibblockgröße der Festplatte übereinstimmen, sodass die Daten nicht aufgrund der Größeninkongruenz zwischen den beiden aufgeteilt werden die Gesamtlese- und Schreibgeschwindigkeit.

• Einfach ausgedrückt besteht die 4K-Ausrichtung darin, das Solid-State-Laufwerk besser an das Computersystem zu gewöhnen, wodurch die Effizienz beider beschleunigt und dadurch die Lese- und Schreibleistung der Festplatte verbessert wird. Wenn der Solid State nicht auf 4K ausgerichtet ist, werden die Lebensdauer und die Geschwindigkeit stark reduziert.

Das Konzept der physischen Sektoren

Partitionsausrichtung bezieht sich auf die Ausrichtung der Startposition der Partition auf einen bestimmten Sektor. Wir müssen zunächst die Beziehung zwischen Ausrichtung und Sektoren verstehen. Wir wissen, dass die grundlegende Lese- und Schreibeinheit einer Festplatte ein „Sektor“ ist. Bei Lese- und Schreibvorgängen auf der Festplatte wird jeder Lese- und Schreibvorgang in Sektoreinheiten durchgeführt, mindestens ein Sektor, normalerweise 512 Byte. Aufgrund der Einschränkungen der Datenspeicherstruktur der Festplatte ist es nicht möglich, ein oder mehrere Bytes einzeln zu lesen und zu schreiben. Beim Lesen und Schreiben von Dateidaten über die vom System bereitgestellte Schnittstelle scheint es, dass eine kleine Anzahl von Bytes unabhängig voneinander gelesen und geschrieben werden kann. Tatsächlich wird dies nach der Konvertierung durch das Betriebssystem erreicht. Wenn die Festplatte tatsächlich ausgeführt wird, wird immer noch der gesamte Sektor gelesen und geschrieben.

Da die Anforderungen an die Festplattenkapazität in den letzten Jahren immer weiter gestiegen sind, verwenden Festplattenhersteller zur Erhöhung der Datenaufzeichnungsdichte häufig die Methode, die Sektorgröße zu erhöhen, sodass Festplatten mit einer Sektorgröße von 4096 Byte verwendet werden erschien. Wir nennen solche Sektoren „physische Sektoren“. Allerdings wird es bei solch großen Sektoren Kompatibilitätsprobleme geben, und einige Systeme oder Software können sich nicht daran anpassen. Um dieses Problem zu lösen, unterteilt die Festplatte die physischen Sektoren intern logisch in mehrere Sektorsegmente und meldet sie als gewöhnliche Sektoren (im Allgemeinen 512 Byte groß) an das Betriebssystem und die Anwendungssoftware. Solche Sektorfragmente werden „logische Sektoren“ genannt. Während des tatsächlichen Lesens und Schreibens ist das Programm (Firmware) auf der Festplatte für die Konvertierung zwischen logischen Sektoren und physischen Sektoren verantwortlich. Das Programm der oberen Schicht „spürt“ nicht die Existenz physischer Sektoren.

Ein logischer Sektor ist die kleinste Betriebseinheit, auf die die Festplatte Lese- und Schreibanweisungen akzeptieren kann. In den meisten Fällen beträgt seine Größe 512 Byte. Was wir normalerweise Sektoren nennen, bezieht sich im Allgemeinen auf logische Sektoren. Ein physischer Sektor ist ein Sektor im Sinne der zugrunde liegenden Hardware der Festplatte und die kleinste Einheit, die tatsächlich Lese- und Schreibvorgänge ausführt. Es handelt sich um einen Sektor, auf den nur die Festplatte direkt zugreifen kann. Betriebssysteme und Anwendungen können im Allgemeinen nicht direkt auf physische Sektoren zugreifen. Ein physischer Sektor kann einen oder mehrere logische Sektoren enthalten (beispielsweise enthalten die physischen Sektoren der meisten Festplatten 8 logische Sektoren). Wenn ein bestimmter logischer Sektor gelesen oder geschrieben werden soll, liest und schreibt die unterste Schicht der Festplatte während des tatsächlichen Betriebs den gesamten physischen Sektor, in dem sich der logische Sektor befindet.

Die hier genannten Begriffe „Festplatte“ und „Sektor“ gelten auch für Speicherkarten und Solid-State-Laufwerke (SSD). Im Folgenden bezeichnen wir sie zusammenfassend als „Festplatten“. Die Grundprinzipien ihrer Verwendung sind dieselben. Das Solid-State-Laufwerk ist komplexer in der Implementierung. Es verfügt über die Konzepte „Seite“ und „Block“. Zum besseren Verständnis können wir es einfach als einen logischen Sektor und einen physischen Sektor betrachten. Darüber hinaus muss die SSD vor dem Schreiben von Daten einen Löschvorgang durchführen. Sie kann nicht direkt in Blöcke schreiben, die bereits Daten enthalten. Sie müssen zuerst gelöscht und dann geschrieben werden. Daher stellen Solid-State-Laufwerke (SSDs) höhere Anforderungen an die 4K-Partitionsausrichtung. Ohne Ausrichtung werden die zusätzlichen Aktionen noch mehr hinzufügen, was zu einer Verschlechterung der Lese- und Schreibleistung führt.

Partitionierung und Formatierung

Die Festplatte muss vor der Verwendung partitioniert und formatiert werden. Um es einfach zu verstehen: Eine Partition bezieht sich auf einen großen zusammenhängenden Sektor, der von der Festplatte getrennt ist. Bei der Formatierung wird die Verwendung von Sektoren innerhalb des Partitionsbereichs geplant. Beispielsweise, wie die Speicherung von Dateidaten angeordnet wird, wo Dateiattribute gespeichert werden, wie die Verzeichnisstruktur gespeichert wird usw. Nachdem die Partition formatiert wurde, können Dateien gespeichert werden. Der Formatierer gruppiert alle Sektoren in der Partition vom Anfang bis zum Ende in „Cluster“ fester Größe und nummeriert sie der Reihe nach. Jeder „Cluster“ kann einen oder mehrere Sektoren enthalten, und die Anzahl der Sektoren beträgt immer 2 hoch n. Nach der Formatierung wird die Partition als kleinste Einheit im „Cluster“ gelesen und geschrieben. Die Daten, Attribute und sonstigen Informationen der Datei müssen im „Cluster“ gespeichert werden.

Warum eine Partitionsausrichtung notwendig ist

Beim Partitionieren einer Festplatte wird diese in Einheiten logischer Sektoren unterteilt. Die Partition kann bei jeder logischen Sektornummer beginnen. Wenn die Startposition der Partition nicht am Rand eines physischen Sektors ausgerichtet ist, werden nach der Formatierung nicht alle „Cluster“ am Rand des physischen Sektors ausgerichtet. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, besteht jeder physische Sektor aus 4 logischen Sektoren. Die Partition beginnt ab Sektor 3. Nach der Formatierung belegt jeder Cluster 4 Sektoren, und diese Cluster sind nicht an den Rändern der physischen Sektoren ausgerichtet, d. h. jeder Cluster erstreckt sich über 2 physische Sektoren.

Da die Festplatte immer in Einheiten physischer Sektoren gelesen und geschrieben wird, müssen Sie in einer solchen Partitionssituation, wenn Sie einen bestimmten Cluster lesen möchten, eigentlich immer einen weiteren physischen Datensektor lesen. Wenn Sie beispielsweise Daten aus insgesamt 4 logischen Sektoren im Cluster 0 lesen möchten, müssen Sie bei der tatsächlichen Ausführung der Festplatte Daten aus insgesamt 8 logischen Sektoren in den physischen Sektoren 0 und 1 lesen. Das Gleiche gilt auch für den Schreibvorgang von „Cluster“. Offensichtlich führt dies zu einer erheblichen Verschlechterung der Lese- und Schreibleistung.

Schauen wir uns die Ausrichtung unten an. Wie in der Abbildung unten gezeigt, beginnt die Partition bei Sektor 4, der am Rand des physischen Sektors 1 ausgerichtet ist. Nach der Formatierung belegt jeder Cluster auch 4 Sektoren, und diese Cluster werden am Rand des physischen Sektors ausgerichtet.

Mit dieser Ausrichtung muss die Festplatte beim Lesen eines bestimmten Clusters während der tatsächlichen Ausführung keine zusätzlichen Sektoren lesen und die Lese- und Schreibleistung der Festplatte kann vollständig genutzt werden. Offenbar ist es das, was wir brauchen.

Es ist ersichtlich, dass bei Festplatten, deren physische Sektorgröße und logische Sektorgröße inkonsistent sind, nur die 4K-Partitionsausrichtung die Lese- und Schreibleistung der Festplatte voll ausschöpfen kann. Wenn die Ausrichtung fehlschlägt, verringert sich die Lese- und Schreibleistung der Festplatte.

Wie man ausrichtet

Anhand der beiden Beispiele in der vorherigen Abbildung können Sie erkennen, dass der Formatierer auch jeden Cluster ausrichtet, solange die Startposition der Partition am Rand des physischen Sektors ausgerichtet ist zum Rand des physischen Sektors, wodurch eine Partitionsausrichtung erreicht wird. Die Ausrichtung ist eigentlich sehr einfach.

So ermitteln Sie die Größe des physischen Sektors

Um beim Teilen von Partitionen eine 4K-Ausrichtung zu erreichen, müssen Sie zunächst die Größe des physischen Sektors der Festplatte kennen. Wie also abfragen?

Öffnen Sie die DiskGenius-Software, klicken Sie auf die zu erkennende Festplatte und in der Festplattenparametertabelle auf der rechten Seite der Softwareoberfläche finden Sie „Sektorgröße“ und „Physische Sektorgröße“. Die „Sektorgröße“ bezieht sich auf die Größe des logischen Sektors. Wie in der Abbildung gezeigt, beträgt die physische Sektorgröße dieser Festplatte 4096 Byte. Durch Berechnung ist bekannt, dass sie 8 logische Sektoren enthält.

Wie viele Sektoren sind richtig ausgerichtet?

Wenn Sie die „Sektorgröße“ und die „physische Sektorgröße“ kennen, dividieren Sie die „physische Sektorgröße“ durch die „Sektorgröße“, um jeweils die Anzahl der logischen Sektoren zu erhalten in physischen Sektoren enthalten. Dieser Wert ist die Mindestanzahl an Sektoren, die wir ausrichten möchten. Richten Sie einfach die Startposition der Partition auf ein ganzzahliges Vielfaches dieses Werts aus. Wenn beispielsweise die Größe des physischen Sektors 4096 Byte und die Größe des logischen Sektors 512 Byte beträgt, dann ist 4096 geteilt durch 512 gleich 8. Wir müssen lediglich die Startposition der Partition an einem Sektor ausrichten, der ein ganzzahliges Vielfaches von 8 ist, um die Anforderungen an die Partitionsausrichtung zu erfüllen. Richten Sie es beispielsweise auf 8, 16, 24, 32, ... 1024, 2048 usw. aus. Solange die Startsektornummer durch 8 teilbar ist, ist das in Ordnung. Es gilt nicht, dass es umso besser ist, je größer der Divisorwert ist. Die Standardanzahl ausgerichteter Sektoren in Windows-Systemen beträgt 2048. Dieser Wert kann grundsätzlich die 4K-Ausrichtungsanforderungen fast aller Festplatten erfüllen.

Warum sagen alle 4K-Ausrichtung

Es ist nur eine Gewohnheit. Denn als das Konzept der physischen Sektoren aufkam, betrug die physische Sektorgröße der meisten Festplatten 4096, was 4 KB entspricht. In der Praxis wurde dies allgemein als 4 KB-Ausrichtung bezeichnet. Bei der tatsächlichen Partitionierung müssen Sie dennoch die Größe der physischen Sektoren überprüfen, da die physischen Sektoren einiger Festplatten 4, 8, 16 oder mehr logische Sektoren enthalten können (immer 2 hoch n-te Potenz). Nachdem Sie die Größe des physischen Sektors kennen, befolgen Sie die gerade erwähnte Berechnungsmethode und verwenden Sie die Anzahl der im physischen Sektor enthaltenen logischen Sektoren als Benchmark, um sie an die tatsächliche Größe des physischen Sektors anzupassen. Wenn die physische Sektorgröße 8192 Byte beträgt, muss sie nach 8192 Byte ausgerichtet werden. Streng genommen kann dies nicht als 4K-Ausrichtung bezeichnet werden.

So bedienen Sie die Partitionsausrichtung beim Teilen von Partitionen

Nehmen Sie die DiskGenius-Software als Beispiel: Aktivieren Sie beim Erstellen einer neuen Partition die Option „An ganzzahligen Vielfachen der folgenden Sektornummern ausrichten“ im Dialogfeld „Neue Partition erstellen“. und wählen Sie dann die Anzahl der Sektoren aus, die ausgerichtet werden müssen. Die nach dem Klicken auf „OK“ erstellte Partition wird ausgerichtet. Wie in der Abbildung unten gezeigt:

Die Software listet im Dropdown-Feld „Anzahl der Sektoren“ viele Optionen auf. Sie können eine beliebige Anzahl von Sektoren auswählen, die größer als die physische Sektorgröße sind und die Ausrichtungsanforderungen erfüllen können. . Die Tatsache, dass die Software so viele Sektornummernoptionen auflistet, erhöht nur den Grad der Wahlfreiheit. Dies bedeutet nicht, dass je größer die Nummer, desto besser. Die Verwendung eines zu großen Werts kann zur Verschwendung von Speicherplatz führen. Die Standardeinstellungen der Software können bereits die 4K-Ausrichtungsanforderungen fast aller Festplatten erfüllen.

Zusätzlich zum Dialogfeld „Neue Partition erstellen“ verfügt die DiskGenius-Software auch über die Funktion „Schnellpartition“, die ebenfalls über dieselben Ausrichtungseinstellungen verfügt. Wie in der Abbildung unten gezeigt:

So erkennen Sie die Ausrichtung

Als leistungsstarke Partitionsverwaltungssoftware bietet DiskGenius auch die Funktion zur Erkennung der Partitions-4K-Ausrichtung. Damit können Sie prüfen, ob die Partitionen Ihrer Festplatte ausgerichtet sind. Die Verwendung ist sehr einfach. Wählen Sie nach dem Öffnen der Software zunächst die zu erkennende Festplatte auf der linken Seite der Software aus und wählen Sie dann im Menü „Extras“ die Option „Partition 4KB Sector Alignment Detection“. Die Erkennungsergebnisse sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die Partition mit „Y“ in der Spalte „Ausrichtung“ ganz rechts ist die ausgerichtete Partition, andernfalls ist sie nicht ausgerichtet. Nicht ausgerichtete Partitionen werden in roter Schrift angezeigt.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in der Spalte „FAQ“!

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