용량의 계산과 BIOS 및 ATA 규격의 한계

용량의 계산, CHS

하드디스크의 용량을 계산하는 3요소는 CHS라고 불린다. CHS는 각각 실린더(Cylinder), 헤드(Head), 섹터(Sector)를 의미한다.

하드디스크 내부에는 데이터를 기록하는 금속재질(혹은 유리로 만들어진 것도 있으며, 최근 프라스틱 플래터도 개발되긴 했다.)의 원판이 존재하며 이를 플래터(platter)라고 부른다. 최신 제품의 경우 플래터당 40GB 혹은 60GB의 용량을 가지고 있는 것도 볼 수 있다. 하드디스크 드라이브의 내부에는 이러한 플래터가 적게는 한장에서 많게는 네장까지, 그리고 하프 하이트 하드디스크 드라이브의 경우는 열장까지 사용된다.(하프 하이트 하드디스크 드라이브는 이제 제조되지 않고 있다.)

플래터 상에서 데이터의 기록영역은 트랙과 섹터로 나뉘어진다. 트랙은 운동장에서 트랙이라는 것이 운동장 주변을 두르고 있는 것처럼, 플래터의 축을 중심으로 하는 동심원들을 의미한다. 가장 바깥쪽에 있는 것이 0번 트랙이며, 플래터의 중심으로 갈수록 트랙 번호는 증가한다. 섹터는 트랙을 나누어 놓은 것으로써, 하나의 섹터는 위 일러스트에서 보이듯, 자주색의 부채꼴 영역을 의미한다. 섹터는 1번부터 시작되서 반시계 방향으로 번호가 증가한다. 그래서 플래터 상에서 데이터가 있는 구역은 섹터 번호와 트랙 번호를 지정함으로써 알 수 있다.

그러나 플래터도 앞면과 뒷면이 있으며, 또한 플래터 자체가 여러장이기 때문에 데이터의 위치를 규정하기 위해서는 하나의 요소가 또 필요하다. 바로 헤드이다. 헤드는 플래터 표면의 정보를 읽어내고 정보를 기록하는 역할을 하는데, 하나의 헤드는 플래터의 한 면에서만 읽고 쓰는 것이 가능하며 따라서, 모든 면에 하나씩의 헤드가 필요하다. 맨 아래에 있는 것이 0번 헤드이며, 위로 올라갈수록 하나씩 증가한다. 그래서 플래터가 2개일 경우는 헤드는 4개 혹은 3개(마지막 면은 사용하지 않을경우)라는 식이다.

이렇게 여러장의 플래터를 다루기 때문에 트랙의 개념을 확장해서 실린더라는 개념이 사용된다. 실린더는 수직 방향으로 같은 위치에 있는 트랙들의 집합이며, 원통의 형태를 가진다고 보면 된다. 당연히 번호는 트랙과 같은 방법으로 매겨져서 가장 바깥쪽 실린더가 0번, 안쪽으로 들어갈수록 번호는 증가한다.

그래서, 하드디스크 내에서 데이터의 위치를 지정하는데에는 데이터의 기록면(헤드 번호), 기록되어 있는 트랙(실린더 번호), 기록된 섹터(섹터 번호)라는 세가지 정보가 필요하며, 이들 세가지 정보의 조합으로써 하드디스크 드라이브의 용량이 결정된다. 한개의 섹터에는 512byte가 들어가므로, 이를 바탕으로 CHS(Cylinder, Head, Sector) 수치를 알면 용량을 계산할 수 있다.

예를 들어서, 128개의 실린더와 8개의 헤드, 63개의 섹터를 가지는 하드디스크 드라이브라면 용량은 다음과 같이 계산된다.

128 × 8 × 63 x 512byte = 33,030,144byte = 32,256kB = 31.5MB

그러나 이러한 물리적 CHS 수치는 최근의 하드디스크 드라이브에서는 사실상 의미가 없어졌다. 기록밀도의 지속적인 증가로 인해서 트랙밀도 및 트랙의 선밀도 등이 급격하게 증가했을뿐더러 하드디스크 내부의 기록방법도 표준 레코딩 기법에서 존드-비트(zoned-bit) 레코딩으로 변경되었기 때문에 CHS 수치가 실제 하드디스크 드라이브의 CHS 수치와는 큰 차이를 보인다.

위의 일러스트 중 왼쪽은 표준 레코딩 기법을 의미한다. 하드디스크 드라이브의 전 영역에 걸쳐서 하나의 트랙에는 동일한 수의 섹터만이 존재한다. 이러한 방식을 사용하면 CHS 수치를 적용시키기는 쉽지만, 하드디스크의 외주 쪽에서는 데이터의 기록밀도가 낮아진다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결한 것이 존드-비트(zoned-bit) 레코딩 기법이다. 이 방법은 하드디스크의 전 영역에 걸쳐서 데이터의 기록밀도를 유사하게 유지하기 위해서 트랙마다 존재하는 섹터의 수가 틀리다. 위 일러스트를 보면, 가장 안쪽의 트랙에서는 동일한 숫자의 섹터만이 존재하지만, 바깥쪽으로 갈수록 존드 비트 레코딩에서는 하나의 트랙에 보다 많은 섹터가 존재한다. 이러한 방법을 통해서 전 영역에서의 데이터 기록밀도를 높게 유지함으로써 보다 높은 용량의 달성이 가능하다. 한편, 하드디스크 드라이브의 스핀들 모터의 RPM은 항상 일정하기 때문에 플래터가 한번 회전할 때 안쪽보다는 바깥쪽 트랙에서 보다 많은 섹터가 읽혀질 수 있다. 그래서 하드디스크 드라이브들은 바깥쪽에서의 데이터 전송속도가 더 빠르다.

얼마전 포스팅된 HDD 벤치마크의 데이터 전송률을 보면, 앞쪽에서의 데이터 전송이 뒤쪽보다 현격히 빨리 일어나는데, 이것은 앞쪽의 트랙(플래터에서는 바깥쪽)에서의 선속도가 더 빠르기 때문이다. 또한 갑자기 속도가 떨어지는 부분은 그 부분을 기점으로 트랙당 섹터의 숫자가 줄었다는 것이다.

BIOS와 ATA 규격에서의 한계

바이오스는 하드디스크 드라이브에 접근하기 위해서 13h의 인터럽트(int 13h)를 사용한다. int13h를 사용하면 하드디스크 드라이브에 섹터 단위의 접근이 가능해진다. 이렇게 섹터 단위에 접근하기 위해서 필요한 것이 바로 앞서 언급한 CHS이다. CHS를 사용한 데이터 위치정보(CHS 어드레싱)의 수치는 데이터가 있는 위치를 지정하며, 바이오스는 이를 사용해서 데이터를 찾아낸다.

그런데, 기존에 사용되던 AT 바이오스에서는 이러한 주소를 사용하기 위해서 총 24bit의 정보를 사용하였는데, 24bit의 정보는 실린더에 10bit, 헤드에 8bit, 섹터에 6bit 씩 할당된다. 결국, 바이오스 상에서 사용할 수 있는 CHS 수치는 다음과 같았다.

한편, ATA 규격 자체에도 한계가 존재한다.

ATA규격이 처음 발효되었을 당시, ATA-1 규격에서는 CHS 어드레싱을 위한 정보에 28bit를 사용하였다. 이 28bit의 정보는 실린더에 16bit, 헤드에 4bit, 섹터에 8bit가 사용되어서, ATA 규격이 허용할 수 있는 CHS 수치는 다음과 같았다.

이러한 두가지 한계점은 사용자가 쓸 수 있는 HDD용량에 새로운 한계점을 던져주었다. 어떠한 배리어가 생겼나를 다음 페이지에서 살펴보자.