論理ブロックアドレス

論理ブロック アドレス指定( LBA ) は、コンピュータのストレージデバイス (通常はハード ディスク ドライブなどの二次ストレージシステム)に保存されるデータ ブロックの場所を指定するために使用される一般的な方式です。LBA は特に単純な線形アドレス指定方式です。ブロックは整数インデックスによって配置され、最初のブロックは LBA 0、2 番目のブロックは LBA 1 というようになります。

IDE標準にはオプションとして 22 ビット LBA が含まれていましたが、ATA-1 (1994) のリリースでさらに 28 ビットに拡張され、ATA-6 (2003) のリリースで 48 ビットに拡張されました。一方、アドレスを保持するディスク上およびメモリ内のデータ構造のエントリのサイズは、通常 32 ビットまたは 64 ビットです。1996 年以降にリリースされたほとんどのハード ディスク ドライブは、論理ブロック アドレス指定を実装しています。

論理ブロック アドレス指定では、データのアドレス指定に 1 つの数字のみが使用され、各線形ベース アドレスは 1 つのブロックを表します。

LBA 方式は、ストレージ デバイスの物理的な詳細をオペレーティング システムのソフトウェアに公開していた以前の方式に代わるものです。これらの方式の中で最も重要なのはシリンダー ヘッド セクタ(CHS) 方式で、ブロックは、ハード ディスク上のシリンダー、ヘッド、セクタを定義するタプルによってアドレス指定されていました。CHS は、ハード ディスク以外のデバイス (テープやネットワーク ストレージなど) には適切にマップされなかったため、通常はそれらのデバイスには使用されませんでした。CHS は初期のMFMおよびRLLドライブで使用され、その後継である拡張シリンダー ヘッド セクタ (ECHS) はどちらも最初のATAドライブで使用されました。ただし、現在のディスク ドライブはゾーン ビット記録を使用しており、トラックあたりのセクタ数はトラック番号によって異なります。ディスク ドライブは一部の CHS 値をトラックあたりのセクタ数 (SPT) やシリンダーあたりのヘッド数 (HPC) として報告しますが、それらはディスク ドライブの実際のジオメトリとはほとんど関係がありません。

LBA は、 SCSIの前身であるSASIによって、1981 年に抽象化として初めて導入されました。ドライブ コントローラは依然としてデータ ブロックを CHS アドレスでアドレス指定しますが、この情報は通常、SCSI デバイス ドライバ、OS、ファイル システム コード、または「raw」ディスクにアクセスするアプリケーション (データベースなど) では使用されません。ブロック レベルの I/O を必要とするシステム コールは、LBA 定義をストレージ デバイス ドライバに渡します。単純なケース (1 つのボリュームが 1 つの物理ドライブにマップされるケース) では、この LBA はドライブ コントローラに直接渡されます。

冗長独立ディスクアレイ(RAID) デバイスおよびストレージ エリア ネットワーク(SAN) では、論理ドライブ (論理ユニット番号、LUN) が LUN 仮想化および集約によって構成されているため、個々のディスクの LBA アドレス指定はソフトウェア レイヤーによって変換され、ストレージ デバイス全体に均一な LBA アドレス指定が提供されるはずです。

ウエスタンデジタルの以前のIDE規格では22ビットのLBAが導入されました。1994年にATA-1規格はLBAとCHSモードの両方で28ビットのアドレスを許可しました。CHS方式では、シリンダに16ビット、ヘッドに4ビット、セクターに8ビットを使用し、セクターを1から255までカウントしました。つまり、報告されるヘッドの数は16（0～15）を超えることはなく、セクターの数は255（1～255、ただし63が使用されることが多い最大数）で、シリンダの数は65,536（0～65535）までで、ディスクサイズは512バイトのセクターと仮定して128 GiB（≈137.4 GB）に制限されます。これらの値にアクセスするには、ATAコマンド「Identify Device」（ECh）をドライブに発行します。^{[1] :  87}

しかし、INT 13hディスクアクセスルーチンで定義されたIBM BIOS実装では、CHSアドレス指定にまったく異なる24ビット方式が使用されており、シリンダに10ビット、ヘッドに8ビット、セクタに6ビット、つまり1024シリンダ、256ヘッド、63セクタでした。^[2]このINT 13h実装はATA標準より前のもので、IBM PCにフロッピーディスクストレージしかなかったときに導入され、 IBM PC/XTにハードディスクドライブが導入されたときには、下位互換性の問題によりINT 13hインターフェイスを実質的に再設計することはできませんでした。 ATA CHS マッピングと BIOS CHS マッピングを重複させることで、10:4:6 ビット、つまり 1024 シリンダ、16 ヘッド、63 セクターという最小公分母が生成され、512 バイト セクターを想定すると、1024×16×63 セクターと 528 MB (504  MiB ) という実用的な制限が得られました。  

BIOS がこの制限を克服し、より大きなハード ドライブで正常に動作するために、BIOS ディスク I/O ルーチンにCHS 変換スキームを実装する必要がありました^{[いつ? ]。これは、INT 13h で使用される 24 ビット CHS と ATA で使用される 28 ビット CHS 番号を変換します。この変換スキームは、}ラージ変換またはビット シフト変換と呼ばれます。この方法では、16:4:8 ビットの ATA シリンダーとヘッドが、INT 13h で使用される 10:8:6 ビット スキームに再マップされ、物理ディスクが報告するよりもはるかに多くの「仮想」ドライブ ヘッドが生成されます。これにより、実質的な制限が 1024×256×63 セクター、つまり 8.4  GB (7.8  GiB ) に増加しました。

この制限をさらに克服するために、INT 13h 拡張機能がBIOS 拡張ディスク ドライブ サービスで導入されました^{[いつ? ] 。これにより、} Windows 95のDOS 7.0コンポーネントなど、この新しいインターフェイスを認識するオペレーティング システムのディスク サイズの実質的な制限がなくなりました。この拡張 BIOSサブシステムは、 LBAまたはLBA 補助方式による LBA アドレッシングをサポートします。この方式では、ネイティブ 28 ビット LBA を使用して ATA ディスクをアドレッシングし、必要に応じて CHS 変換を実行します。

通常またはなしの方法では、 528 MB を超えるアドレス指定をサポートしない以前の 10:4:6 ビット CHS モードに戻ります。  

1996 年に ATA-2 標準がリリースされるまで、LBA アドレス指定をサポートしない大容量ハード ドライブがいくつかあったため、大容量または通常の方法しか使用できませんでした。ただし、大容量の方法を使用すると移植性の問題も発生しました。異なる BIOS では互換性のない異なる変換方法が使用されることが多く、特定のベンダーの BIOS を搭載したコンピューターでパーティション分割されたハード ドライブは、異なるメーカーの BIOS を搭載したコンピューターでは読み取れないことがよくありました。解決策は、OnTrack Disk Manager、Micro House EZ-Drive/EZ-BIOS などの変換ソフトウェアを使用することでした。これらのソフトウェアは、ディスクのOS ローダーにインストールされ、起動時に INT 13h ルーチンをカスタム コードに置き換えます。このソフトウェアを使用すると、LBA 非対応の BIOS を搭載した古いコンピューターでも LBA および INT 13h 拡張のサポートが可能になります。

BIOS が LBA アシスト変換モードでディスクを使用するように設定されている場合、BIOS は LBA モードを使用してハードウェアにアクセスしますが、変換された CHS ジオメトリを INT 13h インターフェイス経由で提示します。変換されたジオメトリ内のシリンダ、ヘッド、およびセクターの数は、次の表に示すように、ディスクの合計サイズによって異なります。^[3]

現在の 48 ビット LBA 方式は 2002 年にATA-6標準で導入され、^[4]アドレス指定の制限が 2 ⁴⁸  × 512 バイトに引き上げられました。これは正確には 128 PiB、つまり約 144 PBです。現在の PC 互換コンピュータは INT 13h 拡張をサポートしています。これは LBA アドレス指定に 64 ビット構造を使用し、LBA アドレス指定の将来の拡張も網羅するはずですが、最近のオペレーティングシステムは直接ディスクアクセスを実装しており、ブートロード時を除いてBIOSサブシステムを使用しません。ただし、一般的なDOSスタイルのマスター ブート レコード(MBR) パーティション テーブルは、最大 2 TiB のサイズのディスク パーティションのみをサポートします。より大きなパーティションの場合は、これを別の方式、たとえば現在の INT 13h 拡張と同じ 64 ビット制限を持つGUID パーティション テーブル(GPT) に置き換える必要があります。Windows XP SP2 はLBA48 をサポートしていることが知られています (デフォルトで有効になっています)。    

LBA アドレス指定方式では、セクターは整数インデックスとして番号付けされます。CHS (シリンダ-ヘッド-セクター)タプルにマッピングされると、LBA の番号付けは最初のシリンダ、最初のヘッド、トラックの最初のセクターから始まります。トラックが使い果たされると、番号付けは最初のシリンダ内にとどまりながら 2 番目のヘッドまで続きます。最初のシリンダ内のすべてのヘッドが使い果たされると、番号付けは 2 番目のシリンダから続行されます。したがって、LBA 値が低いほど、物理セクターはハードドライブの最初の (つまり、最も外側の^[5] ) シリンダに近くなります。

CHSタプルは、次の式でLBAアドレスにマッピングできます。^{[6] [7]}

LBA = ( C × HPC + H ) × SPT + (S − 1)

どこ

• C、H、Sはシリンダ番号、ヘッド番号、セクター番号です。
• LBAは論理ブロックアドレスです
• HPC はシリンダあたりのヘッドの最大数です (ディスク ドライブによって報告され、通常 28 ビット LBA の場合は 16 です)
• SPT はトラックあたりの最大セクター数です (ディスク ドライブによって報告され、通常 28 ビット LBA の場合は 63)

LBA アドレスは、次の式を使用して CHS タプルにマッピングできます (「mod」はモジュロ演算、つまり剰余、「÷」は整数除算、つまり小数部分を破棄した除算の 商です)。

C = LBA ÷ ( HPC × SPT )

H = ( LBA ÷ SPT ) mod HPC

S = ( LBA mod SPT ) + 1

ATA 仕様によれば、「ワード (61:60) の内容が 16,514,064 以上の場合、ワード 1 の内容 (論理シリンダ数) は 16,383 に等しくなければなりません。」^{[1] :  20}したがって、LBA 16450559 の場合、ATA ドライブは実際には CHSタプル(16319、15、63) で応答する可能性があり、この方式のシリンダ数は INT 13h で許可されている 1024 よりはるかに大きくなければなりません。^[a]

BIOS が報告するドライブ ジオメトリに敏感なオペレーティング システムに は、 Solaris、DOS、Windows NT ファミリが含まれます。これらのオペレーティング システムでは、 NTLDR ( NT、2000、XP、Server 2003 ) またはBOOTMGR ( Vista、Server 2008、Windows 7、Server 2008 R2 )が、CHS を使用してディスクをアドレス指定するマスター ブート レコードを使用します。Windows のx86-64およびItaniumバージョンは、LBA アドレス指定を使用するGUID パーティション テーブルを使用してドライブをパーティション分割できます。

一部のオペレーティング システムでは、ブート ローダーで BIOS によって報告されたジオメトリを使用しないため、変換は必要ありません。このようなオペレーティング システムには、 BSD、Linux、macOS、OS/2、ReactOSなどがあります。

• ブロック（データストレージ）
• シリンダーヘッドセクター（CHS）
• ディスクのフォーマット
• ディスクのパーティション分割
• ディスクストレージ

• LBA の説明 2021-02-25 にWayback Machineでアーカイブされました
• LBA および CHS 形式、LBA マッピング
• CHS から LBA への翻訳チュートリアル
• NT 4.0 の 7.8 GB 制限に関する Microsoft の記事
• ハードドライブのサイズ制限と障壁 2021-02-25 にWayback Machineにアーカイブされました
• PC のアップグレードと修理、Scott Mueller 著。524 ～ 531 ページ。
• AT アタッチメント 8 - ATA/ATAPI コマンド セット (ATA8-ACS)