실린더-헤드-섹터

3. CHS → LBA 매핑

2002년에 ATA-6 사양이 선택적으로 48비트 논리 블록 주소 지정(LBA)을 도입하면서 CHS 주소 지정은 더 이상 권장되지 않게 되었지만, 기존 ATA-5 방식의 변환 구현은 허용되었다.^[18][13] ATA-5 사양에서는 CHS 지원이 최대 16,514,064 섹터까지는 필수였고, 그보다 큰 디스크에 대해서는 선택 사항이었다. 이 ATA-5 제한은 CHS 튜플 `16383 16 63` 또는 이와 동일한 디스크 용량(16,514,064 = 16383 × 16 × 63 = 1032 × 254 × 63)에 해당하며, 주소 지정에 총 24비트(14 + 4 + 6 비트, 16383 + 1 = 2¹⁴)가 필요하다.^[19][14]

CHS 튜플 (''c'', ''h'', ''s'')는 다음 공식을 사용하여 LBA 주소 ''A''로 변환될 수 있다. 이 공식은 마지막 ATA-5 CHS 변환과도 일치한다.

:''A'' = (''c'' × ''N''_heads + ''h'') × ''N''_sectors + (''s'' − 1)

여기서 ''A''는 LBA 주소, ''N''_heads는 디스크의 총 헤드 수, ''N''_sectors는 트랙당 최대 섹터 수, (''c'', ''h'', ''s'')는 CHS 주소를 나타낸다.

ECMA-107^[3] 및 ISO/IEC 9293:1994^[15](ISO 9293:1987^[16] 대체) 표준에서 정의한 '논리 섹터 번호'(LSN, Logical Sector Number) 공식은 위에 제시된 LBA 공식과 정확히 동일하다. 즉, '논리 블록 주소'와 '논리 섹터 번호'는 같은 의미로 사용된다.^[3][15][16] 이 변환 공식은 실린더 수를 직접 사용하지 않고, 디스크의 지오메트리 정보인 헤드 수(''N''_heads)와 트랙당 섹터 수(''N''_sectors)를 필요로 한다. 이는 동일한 CHS 튜플이라도 디스크 지오메트리가 다르면 다른 LBA 주소로 변환되기 때문이다.

'''예시''':

• 1,028,160 섹터 디스크, 지오메트리 `1020 16 63`인 경우: CHS `3 2 1`은 LBA 3150 = ((3 × 16) + 2) × 63 + (1 – 1)
• 1,028,160 섹터 디스크, 지오메트리 `1008 4 255`인 경우: CHS `3 2 1`은 LBA 3570 = ((3 × 4) + 2) × 255 + (1 – 1)
• 1,028,160 섹터 디스크, 지오메트리 `64 255 63`인 경우: CHS `3 2 1`은 LBA 48321 = ((3 × 255) + 2) × 63 + (1 – 1)
• 1,028,160 섹터 디스크, 지오메트리 `2142 15 32`인 경우: CHS `3 2 1`은 LBA 1504 = ((3 × 15) + 2) × 32 + (1 – 1)

• 첫 번째 LBA 섹터는 주소 0이며, 이는 CHS 모델에서의 섹터 번호 1에 해당한다.
• 섹터 번호는 먼저 특정 트랙 내에서 증가하고, 해당 트랙의 모든 섹터가 계산되면 다음 헤드(즉, 다음 트랙)로 넘어간다.
• 특정 실린더 내의 모든 헤드/트랙이 계산되면 다음 실린더로 넘어간다.
• 결과적으로 하드 드라이브의 물리적인 바깥쪽 절반이 논리적인 주소 공간의 첫 번째 절반을 차지하게 된다.

4. 역사

실린더-헤드-레코드(CHR) 형식은 1960년대부터 IBM 메인프레임의 카운트 키 데이터(CKD) 하드 디스크에서 사용되었다. 이는 PC에서 사용되는 실린더-헤드-섹터(CHS) 형식과 유사하지만, 섹터 크기가 고정되지 않고 응용 프로그램의 필요에 따라 트랙마다 다를 수 있다는 차이점이 있었다. 현재 메인프레임에서 보이는 디스크 구조는 스토리지 펌웨어에 의해 가상으로 구현된 것이며, 실제 물리적 디스크 구조와는 직접적인 관련이 없다.

초기 PC에 사용된 하드 드라이브, 예를 들어 변형 주파수 변조(MFM) 방식이나 런 렝스 제한(RLL) 방식 드라이브는 모든 실린더를 동일한 수의 섹터로 나누었다. 따라서 CHS 값(실린더, 헤드, 섹터 수)이 드라이브의 실제 물리적 구조와 정확히 일치했다. 예를 들어 CHS 값이 `500 4 32`인 드라이브는 플래터(원판)당 500개의 트랙, 2개의 플래터(총 4개의 읽기/쓰기 헤드), 트랙당 32개의 섹터를 가졌으며, 총 저장 용량은 32,768,000 바이트 (31.25 MiB)였다.

이후 등장한 ATA/IDE 드라이브는 데이터를 더 효율적으로 저장하여 기존의 MFM 및 RLL 드라이브를 대체했다. 이 드라이브들은 존 비트 기록(ZBR) 기술을 사용하는데, 이는 플래터 표면에서 트랙의 위치(그룹)에 따라 트랙당 섹터 수가 달라지는 방식이다. 플래터의 바깥쪽 가장자리에 가까운 트랙은 중심축(스핀들) 근처의 트랙보다 더 많은 물리적 공간을 가지므로 더 많은 데이터 블록(섹터)을 포함할 수 있다. 결과적으로, 트랙 위치마다 섹터 수가 다른 ZBR 방식 때문에 CHS 주소 지정 방식은 더 이상 드라이브의 실제 물리적 구조와 직접적으로 일치하지 않게 되었다. 이러한 구조적 차이 때문에 많은 드라이브는 총 섹터 수가 정확히 실린더 경계에서 끝나지 않아 드라이브 끝부분에 일부 사용되지 않는 잉여 섹터(1개 실린더보다 작은 크기)를 가지게 되는 경우가 많다.

ATA/IDE 드라이브는 시스템 BIOS 설정에서 드라이브의 총 용량을 넘지 않는 범위 내에서 임의의 실린더, 헤드, 섹터 값 조합으로 설정될 수 있다. 이는 드라이브 컨트롤러가 BIOS에서 받은 논리적인 CHS 값을 실제 하드웨어의 주소로 변환해주기 때문이다. 하지만 이러한 방식은 때때로 호환성 문제를 일으킬 수 있다.

마이크로소프트의 MS-DOS나 초기 버전의 윈도우 같은 운영 체제에서는 하드 디스크 파티션이 반드시 실린더 경계에서 시작하고 끝나야 했다. 윈도우 XP를 포함한 비교적 최신 운영 체제 중 일부는 이 규칙을 무시할 수 있게 되었지만, 이 경우 특히 하나의 드라이브에 여러 운영 체제를 설치하여 사용하는 듀얼 부팅 환경 등에서 호환성 문제가 발생할 여지가 있었다. 마이크로소프트는 윈도우 비스타 이후 버전부터는 자체 디스크 파티션 도구에서 더 이상 이 실린더 경계 규칙을 강제하지 않는다.^[17]

5. 과거의 BIOS 및 운영체제와의 호환성 문제

과거 BIOS와 운영 체제, 특히 MS-DOS는 CHS 주소 지정 방식의 기술적 한계 때문에 특정 용량 이상의 하드 디스크 드라이브를 제대로 인식하지 못하는 문제가 있었다.

IBM-PC 호환 BIOS에서 지원하는 CHS 주소 지정 코드는 최대 256개의 헤드에 8비트를 할당하여 헤드 '''0'''부터 '''255'''까지 계산했다. 그러나 MS-DOS 및 IBM PC DOS의 모든 버전(7.10 포함)에는 256개의 헤드를 가진 디스크를 만나면 부팅 시 운영 체제가 충돌하는 버그가 있었다. 이 때문에 모든 호환 BIOS는 최대 255개의 헤드(00h..FEh)만 사용하는 매핑(예: 가상 255×63 형상)을 사용하게 되었다.

이러한 역사적 제약은 이전 BIOS INT 13h 코드 및 PC DOS 같은 구형 운영 체제에서 인식 가능한 최대 디스크 크기에 영향을 미쳤다. BIOS가 지원하는 실린더(최대 1024개, 10비트), 헤드(최대 255개, 8비트), 트랙당 섹터(최대 63개, 6비트) 제한으로 인해, 512 바이트 섹터 크기를 기준으로 약 8032.5 MB (512 바이트/섹터 × 63 섹터/트랙 × 255 헤드 × 1024 실린더) 까지만 주소 지정이 가능했다. 이는 흔히 '''8 GB''' 제한으로 알려져 있으며, 실제로는 8064 MB (512 × 63 × 256 × 1024) 용량에 해당한다.^[9][7]

더 이전의 시스템에서는 BIOS의 1024 실린더 제한과 ATA 인터페이스의 16 헤드 제한이 결합되어^[11], 인식 가능한 최대 용량이 약 '''504 MB''' (1024 실린더 × 16 헤드 × 63 섹터/트랙 × 512 바이트/섹터)로 더욱 줄어드는 문제가 있었다.^[9]

이러한 용량 제한 문제를 완화하기 위해, ECHS(Extended CHS) 및 '수정된 ECHS'와 같은 BIOS 변환 방식이 사용되었다. 이 방식들은 실제 디스크의 물리적 헤드 수 대신 더 많은 가상 헤드 수(예: 128개 또는 240개)를 운영체제에 보고하고, 대신 실린더와 섹터 수를 줄여서 매핑하는 방식으로 504 MB 제한을 넘어 더 큰 용량을 지원했다. 예를 들어, ECHS는 1024/128/63 (약 4032 MB), 수정된 ECHS는 1024/240/63 (약 7560 MB) 같은 가상 형상을 사용했다.^[9]

이후 ATA-2 (EIDE) 표준에서는 28비트 CHS 주소 지정을 도입하여, 실린더에 16비트(0~65535), 헤드에 4비트(0~15), 섹터에 8비트(1~255)를 할당했다.^[8] 이를 통해 최대 65536 × 16 × 255 = 267,386,880 섹터, 즉 512 바이트 섹터 기준 약 130,560 MB (대략 '''128 GB''')까지 주소 지정이 가능해졌다.^[9][10]

한편, MS-DOS나 초기 윈도우 버전 같은 과거 운영 체제는 디스크 파티션이 반드시 실린더 경계에서 시작하고 끝나야 한다는 제약이 있었다. 윈도우 XP를 포함한 비교적 최신 운영 체제 중 일부는 이 규칙을 무시할 수 있었지만, 이 경우 듀얼 부팅 환경 등에서 호환성 문제가 발생할 가능성이 있었다. 마이크로소프트는 Windows Vista 이후 버전부터는 내부 디스크 파티션 도구에서 이 규칙을 더 이상 강제하지 않는다.^[17]

6. 현대적 관점

과거 마이크로소프트의 MS-DOS나 초기 윈도우 같은 운영 체제에서는 하드 디스크의 파티션을 나눌 때 반드시 실린더 경계에 맞춰 시작하고 끝나도록 해야 했다. 비교적 최신 운영 체제, 예를 들어 Windows XP부터는 이러한 규칙을 반드시 따르지 않아도 되지만, 이 경우 특히 하나의 디스크에 여러 운영 체제를 설치하여 사용하는 듀얼 부팅 환경 등에서 호환성 문제가 발생할 수 있다. 마이크로소프트는 Windows Vista 이후 버전부터는 내장된 디스크 파티션 도구에서 더 이상 실린더 경계 규칙을 적용하지 않고 있다.^[17]

참조

_[1] 웹사이트 Overview and History of the IDE/ATA Interface http://www.pcguide.c[...] 2001-04-17
_[2] 웹사이트 The gen on disc partition alignment http://jdebp.info/FG[...] 2022-11-21
_[3] 웹사이트 Volume and File Structure of Disk Cartridges for Information Interchange https://www.ecma-int[...] Ecma International 2011-07-30
_[4] 웹사이트 Standard Floppy Disk Formats Supported by MS-DOS http://support.micro[...] Microsoft Knowledge Base 2023-06-04
_[5] 웹사이트 Western Digital's Advanced Format: The 4K Sector Transition Begins http://www.anandtech[...] AnandTech 2011-07-29
_[6] 웹사이트 Advanced Format Technology Brief http://www.hitachigs[...] Hitachi 2011-08-01
_[7] 웹사이트 Windows NT 4.0 supports maximum of 7.8-GB system partition http://support.micro[...] Microsoft 2011-07-30
_[8] 웹사이트 5K500.B SATA OEM Specification Revision 1.2 http://www.hitachigs[...] Hitachi 2009-03-17
_[9] 웹사이트 History of BIOS and IDE limits http://tldp.org/HOWT[...] 2011-07-30
_[10] 웹사이트 ATA-2 http://www.t13.org/D[...] INCITS Technical Committee T13 AT Attachment 1996-03-18
_[11] 웹사이트 ATA-1 http://www.t13.org/D[...] INCITS Technical Committee T10 SCSI Storage Interfaces
_[12] 웹사이트 Util-linux 2.25 Release Notes https://www.kernel.o[...] 2016-03-24
_[13] 웹사이트 ATA-6 http://www.t10.org/t[...] INCITS Technical Committee T13 ATA Storage Interface 2011-07-30
_[14] 웹사이트 ATA-5 http://www.t10.org/t[...] INCITS Technical Committee T13 ATA Storage Interface 2011-07-30
_[15] 웹사이트 Information technology -- Volume and file structure of disk cartridges for information interchange http://www.iso.org/i[...] International Organization for Standardization 2012-01-06
_[16] 웹사이트 Information processing -- Volume and file structure of flexible disk cartridges for information interchange http://www.iso.org/i[...] International Organization for Standardization 2012-01-06
_[17] 웹사이트 KB931760 http://support.micro[...] Microsoft Knowledge Base 2011-07-30
_[18] 웹인용 ATA-6 http://www.t10.org/t[...] INCITS Technical Committee T13 ATA Storage Interface 2011-07-30
_[19] 웹인용 ATA-5 http://www.t10.org/t[...] INCITS Technical Committee T13 ATA Storage Interface 2011-07-30