Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ đĩa cứng

Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ đĩa cứng

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA 3

Ổ ĐĨA CỨNG 3

1.1 Tổng quan về ổ đĩa cứng 3

1.2 Lịch sử phát triển của ổ đĩa cứng 4

CHƯƠNG 2 11

CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG 11

2.1 Sơ đồ khối 11

2.2 Nguyên lý làm việc và đặc tính của các khối 12

2.2.1 Đĩa từ 12

2.2.2 Đầu từ, thanh mang đầu từ 16

2.2.3 Bảng mạch điều khiển 19

2.2.4 Bộ khung cơ khí (Vỏ đĩa cứng) 26

2.3 Các chuẩn giao tiếp và cơ chế đọc ghi dữ liệu của ổ cứng 28

2.3.1 Các chuẩn giao tiếp của ổ cứng 28

2.3.2 Cơ chế đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng 41

2.4 Các công nghệ đặc biệt của ổ đĩa cứng 43

2.4.1 S.M.A.R.T 43

2.4.2 Ổ cứng lai 44

2.4.3 Công nghệ định dạng cấp cao(Advanced Format) 45

2.4.4 Ổ lưu trữ thể rắn SSD(Solid State Drive) 47

2.5 Thông số và đặc tính của ổ cứng 48

2.5.1 Dung lượng 48

2.5.2 Tốc độ quay của ổ đĩa cứng 48

2.5.3 Các thông số về thời gian của ổ đĩa cứng 49

2.5.4 Tốc độ truyền dữ liệu 51

2.5.5 Kích thước 52

2.5.6 Sự sử dụng điện năng 54

2.5.7 Độ ồn 55

2.5.8 Chu trình di chuyển 55

2.5.9 Chịu đựng sốc 56

2.5.10 Nhiệt độ và sự thích nghi 56

2.5.11 Các thông số về sản phẩm 57

2.5.12 Hệ số đan xen 58

CHƯƠNG 3 60

CẤU TRÚC LOGIC VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN Ổ ĐĨA CỨNG 60

3.1 Sơ đồ khối 60

3.2 Nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của các khối 60

3.2.1 Master boot record (MBR) 61

3.3.3 FAT (File Allocation Tables) 64

3.2.4 Root Directory 69

3.2.5 Data Area 71

3.3 Tổ chức dữ liệu trên ổ đĩa cứng 71

3.4 Phương pháp truy xuất dữ liệu của ổ đĩa cứng 73

CHƯƠNG 4 76

ỨNG DỤNG THỰC TẾ VỚI Ổ ĐĨA CỨNG 76

4.1 Cài đặt ổ đĩa cứng vào hệ thống máy tính 76

4.1.1 Thiết đặt phần cứng 76

4.1.2 Thiết đặt phần mềm 80

4.2 Một số lỗi thường gặp ở Ổ đĩa cứng và cách xử lý 96

4.2.1 Máy không tìm thấy ổ đĩa 96

4.2.2 Máy không tìm thấy hệ điều hành 98

4.2.3 Khi cài hệ điều hành thì báo lỗi và quá trình cài đặt bị gián đoạn .99

4.2.4 Bad Sector 99

4.3 Một vài cách bảo quản ổ đĩa cứng 108

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin và truyền thông hiệnnay, vai trò của chiếc máy vi tính là cực kì quan trọng Trong số các linhkiện cấu thành lên máy vi tính, chúng ta không thể không nhắc tới Ổ đĩacứng Ổ đĩa cứng là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu của máy vi tính Từxưa, ước muốn con người đã là làm sao bảo quản được các tài liệu quý giádưới sự tác động của thời gian Ngày nay, với sự xuất hiện của máy vi tính,đặc biệt là ổ đĩa cứng, các tài liệu đó đã được lưu trữ, sắp xếp tổ chức khoahọc, thật dễ dàng sử dụng Từ khi ra đời chiếc ổ cứng đầu tiên trên thếgiới(1955) cho tới nay(2011), công nghệ lưu trữ cũng như công nghệ sảnxuất ổ đĩa cứng đã phát triển rất mạnh mẽ Giờ đây, chỉ với số tiền khônglớn, khoảng gần 1 triệu Việt Nam đồng, chúng ta đã có thể sở hữu mộtchiếc ổ cứng với dung lượng 160GB(ổ cứng 3.5 inch gắn trong)

Em chọn đề tài thực tập “Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ đĩacứng” phần nhiều là do ham muốn tìm hiểu về nó, phần nhỏ là do em đãtừng phải thay thế, sửa chữa khả nhiều ổ cứng do chúng bị hỏng

Em xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo NguyễnTuấn Tú vì thầy đã giúp đỡ, hướng dẫn em tận tình trong quá trình em thựchiện đề tài này

Sinh viên thực hiệnĐàm Phương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA

Ổ ĐĨA CỨNG1.1 Tổng quan về ổ đĩa cứng

Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt:HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủvật liệu từ tính Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), cónghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng

Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng chứa dữ liệuthành quả của một quá trình làm việc của những người sử dụng máy tính Những

sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặcthay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứngthường rất khó lấy lại được

Ổ đĩa cứng là một khối duy nhất, các đĩa cứng được lắp ráp cố định trong

ổ ngay từ khi sản xuất nên không thể thay thế được các "đĩa cứng" như với cáchhiểu như đối với ổ đĩa mềm hoặc ổ đĩa quang Ổ cứng thường được gắn liền vớimáy tính để lưu trữ dữ liệu cho dù chúng xuất hiện muộn hơn so với nhữngchiếc máy tính đầu tiên

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, ổ đĩa cứng ngày nay cókích thước càng nhỏ đi đến các chuẩn thông dụng với dung lượng thì ngày càngtăng lên Những thiết kế đầu tiên ổ đĩa cứng chỉ dành cho các máy tính thì ngàynay ổ đĩa cứng còn được sử dụng trong các thiết bị điện tử khác như máy nghenhạc kĩ thuật số, máy ảnh số, điện thoại di động thông minh (SmartPhone), máyquay phim kĩ thuật số, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân

Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, ổ đĩa cứng đã có những bước

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

1.2 Lịch sử phát triển của ổ đĩa cứng

Năm 1955, ổ cứng đầu tiên trên thế giới có là IBM 350 Disk File được

chế tạo bởi Reynold Johnson ra mắt năm 1955 cùng máy tính IBM 305 Ổ cứngnày có tới 50 tấm đĩa kích thước 24" với tổng dung lượng là 5 triệu kí tự Mộtđầu từ được dùng để truy nhập tất cả các tấm đĩa khiến cho tốc độ truy nhậptrung bình khá thấp

Hình 01: Ổ cứng IBM 350 Disk File

Năm 1961, thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301 ra mắt năm 1961 bắt đầu sử

dụng mỗi đầu từ cho một mặt đĩa Ổ đĩa đầu tiên có bộ phận lưu trữ tháo lắpđược là ổ IBM 1311 Ổ này sử dụng đĩa IBM 1316 có dung lượng 2 triệu kí tự

Hình 02: thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301

Năm 1973, IBM giới thiệu hệ thống đĩa 3340 "Winchester", ổ đĩa đầu tiên

sử dụng kĩ thuật lắp ráp đóng hộp (sealed head/disk assembly - HDA) Kĩ sưtrưởng dự án/chủ nhiệm dự án Kenneth Haughton đặt tên theo "súng trườngWinchester" 30-30 sau khi một thành viên trong nhóm gọi nó là "30-30" vì cáctrục quay 30 MB của ổ đĩa cứng Hầu hết các ổ đĩa hiện đại ngày nay đều sửdụng công nghệ này, và cái tên "Winchester" trở nên phổ biến khi nói về ổ đĩacứng và dần biến mất trong thập niên 1990 Trong một thời gian dài, ổ đĩa cứng

có kích thước lớn và cồng kềnh, thích hợp với một môi trường được bảo vệ củamột trung tâm dữ liệu hoặc một văn phòng lớn hơn là trong môi trường côngnghiệp khắc nghiệt (vì sự mong manh), hay văn phòng nhỏ hoặc nhà riêng (vìkích cỡ quá khổ và lượng điện năng tiêu thụ) Trước thập niên 1980, hầu hết ổđĩa cứng có các tấm đĩa cỡ 8" (20 cm) hoặc 14-inch (35 cm), cần một giá thiết bịcũng như diện tích sàn đáng kể (tiêu biểu là các ổ đĩa cứng lớn có đĩa tháo lắpđược, thường được gọi là "máy giặt"), và trong nhiều trường hợp cần tới điệncao áp hoặc thậm chí điện ba pha cho những mô tơ lớn chúng dùng Vì lí do đó,các ổ đĩa cứng không được dùng phổ biến trong máy vi tính đến tận năm 1980,

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Hình 03: hệ thống đĩa 3340 "Winchester"

Thập niên 1990, đa số các ổ đĩa cứng cho máy vi tính đầu thập kỷ 1980

không bán trực tiếp cho người dùng cuối bởi nhà sản xuất mà bởi các OEM nhưmột phần của thiết bị lớn hơn (như Corvus Disk System và Apple ProFile).Chiếc IBM PC/XT được bán ra đã có một ổ đĩa cứng lắp trong nhưng xu hướng

tự cài đặt nâng cấp bắt đầu xuất hiện Các công ty chế tạo ổ đĩa cứng bắt đầutiếp thị với người dùng cuối bên cạnh OEM và đến giữa thập niên 1990, ổ đĩacứng bắt đầu xuất hiện trong các cửa hàng bán lẻ Ổ đĩa lắp trong ngày càngđược sử dụng nhiều trong PC trong khi các ổ đĩa lắp ngoài tiếp tục phổ biến trênmáy Macintosh của hãng Apple và các nền tảng khác Mỗi máy Mac sản xuấtgiữa giữa các năm 1986 và 1998 đều có một cổng SCSI phía sau khiến cho việclắp đặt thêm phần cứng mới trở nên dễ dạng; tương tự như vậy, "toaster" (máynướng bánh) Mac không có chỗ cho ổ đĩa cứng (hay trong Mac Plus không cóchỗ lắp ổ đĩa cứng), các đời tiếp theo cũng vậy thế nên ổ SCSI lắp ngoài là cóthể hiểu được Các ổ đĩa SCSI lắp ngoài cũng phổ biến trong các máy vi tính cổnhư loạt Apple II và Commodore 64, và cũng được sử dụng rộng rãi trong máychủ cho đến tận ngày nay Sự xuất hiện vào cuối thập niên 1990 của các chuẩngiao tiếp ngoài như USB và FireWire khiến cho ổ đĩa cứng lắp ngoài trở nên phổbiến hơn trong người dùng thông thường đặc biệt đối với những ai cần di chuyểnmột khối lượng lớn dữ liệu giữa hai địa điểm Vì thế, phần lớn các ổ đĩa cứngsản xuất ra đều có trở thành lõi của các vỏ lắp ngoài

Hình 04: Ổ đĩa SCSI

Ngày nay, dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với thời gian.

Đối với những máy PC thế hệ đầu, ổ đĩa dung lượng 20 megabyte được coi làlớn Cuối thập niên 1990 đã có những ổ đĩa cứng với dung lượng trên 1gigabyte Vào thời điểm đầu năm 2005, ổ đĩa cứng có dung lượng khiêm tốnnhất cho máy tính để bàn còn được sản xuất có dung lượng lên tới 40 gigabytecòn ổ đĩa lắp trong có dung lượng lớn nhất lên tới một nửa terabyte (500 GB), vànhững ổ đĩa lắp ngoài đạt xấp xỉ một terabyte Cùng với lịch sử phát triển của

PC, các họ ổ đĩa cứng lớn là MFM, RLL, ESDI, SCSI, IDE và EIDE, và mớinhất là SATA Ổ đĩa MFM đòi hỏi mạch điều khiển phải tương thích với phầnđiện trên ổ đĩa cứng hay nói cách khác là ổ đĩa và mạch điều khiền phải tươngthích RLL (Run Length Limited) là một phương pháp mã hóa bit trên các tấmđĩa giúp làm tăng mật độ bit Phần lớn các ổ đĩa RLL cần phải tương thích với

bộ điều khiển nó làm việc với ESDI là một giao diện được phát triển bởiMaxtor làm tăng tốc trao đổi thông tin giữa PC và đĩa cứng SCSI (tên cũ làSASI dành cho Shugart (sic) Associates), viết tắt cho Small Computer SystemInterface, là đối thủ cạnh tranh ban đầu của ESDI Khi giá linh kiện điện tử giảm(do nhu cầu tăng lên) các chi tiết điện tử trước kia đặt trên cạc điều khiển đãđược đặt lên trên chính ổ đĩa cứng Cải tiến này được gọi là ổ đĩa cứng tích hợplinh kiện điện tử (Integrated Drive Electronics hay IDE) Các nhà sản xuất IDE

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

cách nào khác là phải thay giao diện kiểu "song song" bằng kiểu "nối tiếp", vàkết quả là sự ra đời của giao diện SATA Tuy nhiên, hiệu suất làm việc của các

ổ đĩa cứng SATA thế hệ đầu và các ổ đĩa PATA không có sự khác biệt đáng kể

Hiện nay, ổ đĩa cứng giao diện SATA là thông dụng hơn cả trên toàn thếgiới Hãng Western Digital đã đưa ra ổ cứng WD Caviar Green 3TB sử dụnggiao tiếp SATA với giá bán là khoảng 4,7 triệu VND (239 USD) và phiên bản2,5 TB sử dụng giao tiếp SATA sẽ có giá bán 3,7 triệu VND (189 USD) Ổ đĩanày có kích thước 3,5 inch sử dụng 4 lớp đĩa có dung lượng 750GB, có mức tiêuthụ điện năng thấp, nhiệt độ hoạt động cũng thấp hơn và ổ đĩa cũng hoạt độngyên tĩnh hơn

Hình 05: Ổ đĩa cứng giao diện IDE(hay còn gọi là PATA)

Hình 06: Ổ đĩa cứng giao diện SATA

Trên thị trường hiện nay còn xuất hiện ổ lưu trữ thể rắn và ổ cứng gắnngoài(External Drive) Ổ lưu trữ thể rắn SSD(Solid State Drive) là một thiết bịlưu trữ sử dụng bộ nhớ trạng thái rắn để lưu trữ dữ liệu trên máy tính một cáchbền vững Loại ổ cứng này lưu trữ dữ liệu dựa vào các tế bào nhớ, ở thể rắn, do

đó gần như không gây tiếng ồn, không có độ trễ cơ học nên mang lại tốc độ truycập cao hơn Đồng thời không mất thời gian khởi động như ổ đĩa cứng (HardDisk Drive) Ổ SSD sử dụng SRAM hoặc DRAM hoặc bộ nhớ FLash để lưu dữliệu SSD không có bộ phận chuyển động, vì vậy không giống như các ổ đĩacứng truyền thống, ít có khả năng bị phá hủy do di chuyển và tạo ra rất ít nhiệthoặc thậm chí không có nhiệt Chúng tương tự như các thẻ nhớ SD được tìmthấy trong máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị khác, hoặc bộ nhớ trong củaiPhone, PSP Go, và các thiết bị cầm tay khác SSD đang dần đc biết tới, tuynhiên vẫn hạn chế nhất định Hiện tại SSD có giả cả vẫn khá cao so với ổ cứngbình thường.(ổ SSD G.Skill dung lượng 60GB có giá gần 5 triệu đồng ViệtNam)

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Hình 07: Ổ lưu trữ thể rắn

Ổ cứng gắn ngoài hiện nay có giá đắt hơn ổ cứng gắn trong(một chiếcSamsung 160GB có giá khoảng 850000 đồng Việt Nam)

Hình 08: Một ổ cứng gắn ngoài của hãng Western Digital

Giờ đây(2011), người dùng máy tính có thể mua một ổ cứng giao diệnSATA có dung lượng 160GB với giá khá rẻ, khoảng hơn bảy trăm ngàn đồngViệt Nam (so với năm 2007 là gần một triệu đồng Việt Nam) Các nhà phânphối linh kiện máy tính ở Việt Nam hầu hết chỉ nhập về ổ cứng với dung lượngnhỏ nhất là 160GB, ổ cứng dung lượng 80GB hiện giờ chỉ có thể mua hàng cũ

đã qua sử dụng

Western Digital vừa chính thức công bố phiên bản nâng cấp của dòng ổcứng Caviar Blue 3,5 inch với giao tiếp SATA 6.0 Gbps Theo đó ổ cứng mới

sector 4K Western Digital 6.0 Gbps sẽ có sẵn với các mức dung lượng lưu trữ là

250 GB, 320 GB, 500 GB, 750 GB và 1 TB Và có bộ nhớ đệm 16 MB (phiênbản 500 GB và thấp hơn) hoặc 32 MB (phiên bản 750 GB và 1 TB) Hiện ổcứng này đã có mặt tại thị trường Châu Âu với mức giá tương ứng là 43,4 USD(250 GB), 44 USD (320 GB), 46 USD (500 GB), 60 USD (750 GB) và 71 USD(1 TB)

Một số nhà sản xuất ổ đĩa cứng hàng đầu thế giới phải kể đến là: WesternDigital, Seagate, Hitachi, Samsung,… Các hãng này hiện đang cạnh tranh nhaugay gắt về giá cả cũng như dung lượng, tính năng của ổ đĩa cứng

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG

2.1 Sơ đồ khối

Hình 09: Sơ đồ khối của ổ đĩa cứng

2.2 Nguyên lý làm việc và đặc tính của các khối

2.2.1 Đĩa từ

Đĩa từ (platter) của ổ cứng là các đĩa bằng nhôm, thuỷ tinh, hoặc sứ có

chế độ hoạt động tương đối năng, trên bề mặt được phủ một lớp vật liệu từ tính

là nơi chứa dữ liệu Đĩa từ được coi là vật liệu từ Từ tính gây ra bởi lực từ, lực

từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên, nó đượcsinh ra do chuyển động của các hạt có điện tích Trên bề mặt đĩa từ có các điểm

từ tính Khi các điểm từ tính đó suy giảm hoặc mất khả năng từ tính thì hệ thốnggọi hiện tượng đó là bad sector Vì các điểm từ tính đó là các hạt từ tính đượcgắn kết lên platter bằng công nghệ và hóa chất đặc biệt, không dễ gì loại bỏ hay

bổ xung khả năng từ tính cho nó Đĩa từ được chế tạo rất đặc biệt giúp cho nó cókhả năng lưu trữ tốt, an toàn và không bị “nhão” (nhả từ) như các thiết bị đọcghi bằng từ tính khác (tuy nhiên cũng có một số loại đĩa từ sản xuất không đạttiêu chuẩn qua thời gian có hiện tượng bị “nhão”) Đĩa được phủ vật liệu từ ở cảhai mặt (môi trường lưu trữ thực) và bao bọc bằng lớp vỏ bảo vệ Sau khi đãhoàn tất và đánh bóng, các đĩa này được xếp chồng lên nhau và ghép nối vớimôtơ quay, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạtđộng Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng và côngnghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau, có một số loại đĩa cứng chỉ có một đĩa

từ Trước khi chồng đĩa được lắp cố định vào khung, cơ cấu các đầu từ đượcghép vào giữa các đĩa

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

âm nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này không có các gờphân biệt và chúng là các vòng tròn đồng tâm chứ không nối tiếp nhau thànhdạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa Track trên ổ đĩa cứng không cố định từ khi sảnxuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi định dạng cấp thấp ổ đĩa (low format).Thông thường,mỗi đĩa có từ 312 đến 2048 rãnh Track là một tập hợp bao gồmmột số sector nhất định nhưng dung lượng từng track khác nhau có độ lớn từtrong ra ngoài (Track 0>track 1 >track 2 >…>track N>track N+1)

Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểmtra bằng các phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (bad block) thì cónghĩa là phần cơ của nó đã rơ rão và làm việc không chính xác như khi mới sảnxuất, lúc này thích hợp nhất là format cấp thấp cho nó để tương thích hơn vớichế độ làm việc của phần cơ

Cylinder bao gồm những track có chung một tâm và đồng trục nằm trên

những mặt đĩa từ Tập hợp các track cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các mặtđĩa khác nhau thành các cylinder

Hình 11: Hình mô tả Cylinder

Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu tiên làm việc tại mộttrack nào thì tập hợp toàn bộ các track trên các bề mặt đĩa còn lại mà các đầuđọc còn lại đang làm việc tại đó gọi là cylinder (cách giải thích này chính xáchơn bởi có thể xảy ra thường hợp các đầu đọc khác nhau có khoảng cách đếntâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế tạo) Trên một ổ đĩa cứng có nhiều

Hình 12: Mô tả Track/Cluster/Sector(cung từ)

Mô tơ trục quay là bộ phận để gắn các đĩa từ lên nó, chúng được nối trực

tiếp với động cơ quay đĩa cứng Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển độngquay từ động cơ đến các đĩa từ Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ(như hợp kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâmcủa chúng không được sai lệch - bởi chỉ một sự sai lệch nhỏ có thể gây lên sựrung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trìnhđọc/ghi không chính xác

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

là 3600 vòng/phút) Môtơ trục (spindle môtơ) có chức năng làm quay các đĩa từ.Môtơ trục là loại môtơ không có chỗi quét, chiều cao thấp, dùng điện một chiều,tương tự như môtơ trong ổ đĩa mềm Khi môtơ được cấp điện, một từ trườngđược tạo ra trong các cuốn dây môtơ Khi điện cắt, năng lượng từ trường lưu trữtrong các cuộn dây môtơ được giải phóng dưới dạng xung điện thế ngược Kỹthuật Hãm động (dynamic braking) sẽ sử dụng năng lượng của xung điện thếngược đó để làm dừng đĩa lại

Tốc độ quay của motor trục quay: Thông thường thì các loại đĩa cứnghiện nay có tốc độ quay từ 5200rpm đến 7200rpm(rpm viết tắt của round perminute, nghĩa là số vòng quay trong một phút) Không chỉ có thế trên thị trườnghiện nay đã có những loại ổ cứng chuyên dụng với khả năng có tốc độ đến10000rpm hoặc 15000rpm Tốc độ quay giữ một vai trò thiết yếu đến tốc độ truyxuất dữ liệu của ổ cứng, quay càng nhanh thì đọc và ghi càng nhanh nhưng nhưthế cũng đồng nghĩa là ổ cứng sẽ kêu to hơn và mau nóng hơn Khi ổ cứng nónglên (có nghĩa là đĩa từ cũng sẽ nóng lên theo) sẽ làm cho lực từ bị hao hụt và

“nhiễu” lúc đó dữ liệu đọc và ghi sẽ có rất nhiều vấn đề Với những loại ỗ cứng

có tốc độ cao như thế này thì các nhà sản xuất luôn khuyến cáo người tiêu dùngnên trang bị thêm quạt giải nhiệt để kéo dài tuổi thọ và dữ liệu của ổ cứng Nhờ

có tốc độ cao như thế mà các ổ cứng thế hệ sau này đều có khả năng đọc hết tất

cả mọi sector trên cùng một track chỉ bằng một vòng quay Tốc độ của motortrục quay luôn luôn là một hằng số, nếu nó bị thay đổi có nghĩa là ổ cứng đókhông thể sử được nữa

2.2.2 Đầu từ, thanh mang đầu từ

Đầu từ của ổ đĩa cứng thường được chế rao như trong ổ đĩa mềm, lõi sắt

mềm cộng với 8 đến 34 (hoặc hơn) vòng dây đồng mảnh Các đầu từ này có kíchthước lớn và tương đối năng làm hạn chế số rãnh có thể có trên mặt đĩa mà hệthống chuyển dịch đầu từ phải khắc phục Hiện nay, các thiết kế đầu từ đã loại

bỏ các kiểu quấn dây cổ điển mà dùng loại đầu từ màng mỏng Nó được chế tạogiống như vi mạch dùng công nghệ quang hóa Do kích thước nhỏ và nhẹ nên độrộng của rãnh ghi cũng nhỏ hơn và thời gian dịch chuyển đầu tư nhanh hơn.Trong cấu trúc tổng thể, các đầu từ này được gắn vào các cánh tay kim loạidài(gọi là thanh mang đầu từ) điều khiển bằng môtơ Các vi mạch tiền khuếch

chuyển đầu từ Toàn bộ cấu trúc này được bọc kín trong hộp đĩa Hộp được đậykín bằng nắp kim loại có gioăng lót

Hình 14: Đầu từ(head)

Đầu từ đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộndây (giống như nam châm điện) Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho ổ đĩacứng hoạt động với mật độ xít chặt hơn như: chuyển các hạt từ sắp xếp theophương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc được thiết kế nhỏ gọn và phát

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Trên mỗi mặt đĩa từ của ổ cứng thì đều có một đầu từ riêng biệt, nhữngđầu từ này có vai trò đọc/ghi dữ liệu lên bề mặt đĩa từ

Thanh mang đầu từ là thiết bị mà đầu từ gắn vào nó Thanh mang đầu từ

có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cáchnhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu từ tại các vị trí từ mép đĩa đếnvùng phía trong của đĩa (phía trục quay) Các thanh mang đầu từ di chuyển đầu

từ được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trụcquay(đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dướinếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng vị trí tươngứng ở các bề mặt đĩa từ còn lại

Hình 15: Thanh mang đầu từ

Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ đóng một vai trò rất quan trọng

trong việc đọc ghi của đầu từ Tốc độ của motor này phải đồng bộ với tốc độ của

mô tơ chính (mô tơ quay đĩa từ) nếu không sẽ không thể đọc chính xác được dữliệu Cấu trúc mô tơ này khá đơn giản, nó không như một mô tơ thông thường

mà chỉ đơn thuần là một bộ phận chuyển động có giới hạn trong một góc quaynhất định Mô tơ này chỉ là một bộ khung có quấn cuộn cảm phát sinh lực từ đểchuyển động và một nam châm có lực hút rất mạnh được gắn vào khung điềukhiển của đầu đọc Ở trạng thái binh thường không hoạt động, mô tơ này sẽ tựđộng đưa đầu đọc vào khoang trống, một khoảng không trống có khung bảo vệbên ngoài các đĩa từ, để tránh rủi ro tối đa cho các đầu từ cực nhỏ được gắn trên

và chống ẩm Giữa đầu từ và mặt đĩa từ có một khoảng không gian cực nhỏ cóthể nói là siêu nhỏ “Ở giữa mặt đĩa từ và đầu từ là một khoảng không gian siêunhỏ trong môi trường chân không bên trong ổ cứng” chứ không phải là “giữa ổcứng và đầu đọc có một lớp đệm không khí hoặc lớp đệm từ trường” như một sốbài báo và sách đã đề cập đến Tốc độ mô tơ quay đĩa từ rất cao khi quay sẽ tạo

ra gió nếu như ta mở nắp đậy ổ cứng ra, nếu có không khí bên trong ổ cứng thìkhi đĩa từ quay với tốc độ cao như thế sẽ tạo gió làm rung và có thể thổi bayluôn cả những đầu đọc đồng thời trong không khí có rất nhiều bụi bẩn trong khi

đó mặt đĩa từ phải luôn luôn sạch bóng Do đó bên trong ổ cứng phải là môitrường chân không Ổ cứng là một thiết bị lưu trữ dữ liệu bằng từ tính, đầu từđọc và ghi bằng từ tính và mặt đĩa từ cũng có độ nhạy từ rất cao như thế thìkhông thể nào ở giữa đầu đọc và đĩa từ lại có thêm một lớp đệm từ trường

để truyền tải các tín hiệu điều khiển và dữ liệu với bộ giao diện vật lý riêng, điềukhiển đầu từ, thực hiện đọc/ghi theo yêu cầu và để quay các đĩa từ Mỗi mộtchức năng kể trên phải được thực hiện hoàn hảo với độ chính xác cao

Hình 17: Toàn bộ bảng mạch điều khiển của ổ đĩa cứng

Bảng mạch điều khiển bao gồm chip điều khiển toàn mạch, chip điềukhiển vào/ra, bộ nhớ đệm cho ổ cứng (HDD cache), một ổ cắm nguồn 5+ 5- 12-12+, và chân cắm chuẩn IDE hoặc SATA

Bộ nhớ đệm là nơi tạm lưu dữ liệu trong quá trình đọc/ghi dữ liệu Dữliệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện Đối với cácthế hệ ổ cứng trước đây bộ nhớ đệm rất thấp chỉ có từ 512kb trở xuống còn vớicác thế hệ ổ cứng hiện đại sau này thì số lượng cache rất cao từ 1Mb trở lên.Trong bo mạch của ổ cứng thì motor , chip controller và bộ nhớ đệm đóng vaitrò rất quan trọng Độ lớn của bộ nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suấthoạt động của ổ đĩa cứng bởi việc đọc/ghi không xảy ra tức thời (do phụ thuộcvào sự di chuyển của đầu đọc/ghi, dữ liệu được truyền tới hoặc đi) sẽ được đặttạm trong bộ nhớ đệm Đơn vị thường bính bằng kB hoặc MB Bộ nhớ đệm càngcao thì tốc độ truy xuất dữ liệu trên ổ cứng sẽ nhanh hơn rất nhiều và vấn đề saisót dữ liệu cũng rất thấp Tương tự , tốc độ quay của motor và khả năng điềukhiển của bộ controller cũng không kém phần quan trọng, nếu tốc độ của ổ cứng(rpm - revolution per minute - số vòng trên phút) càng cao thì tốc độ truy xuất

dữ liệu sẽ càng nhanh

Trong thời điểm năm 2007, dung lượng bộ nhớ đệm thường là 2 hoặc 8

MB cho các loại ổ đĩa cứng dung lượng đến khoảng 160 GB, với các ổ đĩa cứngdụng lượng lớn hơn chúng thường sử dụng bộ nhớ đệm đến 16 MB hoặc caohơn Bộ nhớ đệm càng lớn thì càng tốt, nhưng hiệu năng chung của ổ đĩa cứng

sẽ chững lại ở một giá trị bộ nhớ đệm nhất định mà từ đó bộ nhớ đệm có thểtăng lên nhưng hiệu năng không tăng đáng kể Hệ điều hành cũng có thể lấy mộtphần bộ nhớ của hệ thống (RAM) để tạo ra một bộ nhớ đệm lưu trữ dữ liệu đượclấy từ ổ đĩa cứng nhằm tối ưu việc xử lý đối với các dữ liệu thường xuyên phảitruy cập, đây chỉ là một cách dùng riêng của hệ điều hành mà chúng không ảnhhưởng đến cách hoạt động hoặc hiệu suất vốn có của mỗi loại ổ đĩa cứng Có rấtnhiều phần mềm cho phép tinh chỉnh các thông số này của hệ điều hành tuỳthuộc vào sự dư thừa RAM trên hệ thống

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

dụng truy nhập Chính việc lưu trữ những thông tin này trên RAM, bộ đệm đãgiúp tốc độ truy xuất dữ liệu nhanh hơn và giúp kéo dài tuổi thọ của ổ cứng.Nguyên tắc hoạt động của bộ đệm khá đơn giản: những dữ liệu thường xuyênđược truy nhập sẽ được lưu trữ trong RAM khi đó nếu có ứng dụng yêu cầu truycập những dữ liệu này thì những dữ liệu này sẽ được lấy ra trực tiếp từ RAMchứ không cần ổ cứng phải làm những công vịêc như: quay đĩa, xác định vị tríđầu đọc, tìm kiếm…

Có 4 kiểu bộ đệm ổ cứng chính:

- Bộ đệm “mềm” (Software disk caches): sử dụng một phần bộ nhớ chính củamáy (PC RAM – main memory) để truy xuất và lưu trữ tạm thời một phần dữliệu của ổ cứng Loại bộ đệm này do một chương trình tao và quản lý cho nênkhông cần đế những phần cứng hỗ trợ đặc biệt VCACHE chính là một ví dụthực tế về bộ đệm mềm

- Bộ đệm “cứng” (on-board disk caches): sử dụng bộ nhớ và bộ điều khiển cacheđược thiết kế ngay trên board mạch của ổ cứng Mặc dù nó không hề sử dụngbất cứ một phần RAM nào của bộ nhớ chính (computer RAM) để làm công việclưu trữ tạm thời nhưng chúng có dung lượng rất thấp (128KB->2MB cá biệt cóthể lên đến 4MB) và cực kỳ đắt tiền

- Bộ đệm “riêng” (disk caching controllers): tương tự như bộ đệm cứng, bộ đệmriêng sử dụng bộ nhớ riêng (có cấu trúc khác RAM) nhưng bộ nhớ và bộ điềukhiển mà bộ đệm này sử dụng là bộ nhớ và chíp điều khiển được gắn riêng rẽtrên một card điều khiển chứ không phải là trên board mạch của ổ cứng và lẽ dĩnhiên giá thành của chúng cực kì đắt Tuy nhiên, bộ đệm riêng lại hoạt động tốt

và nhanh hơn rất nhiều so với bộ đệm cứng vì nó vượt qua được một số giới hạncủa những phần của ổ cứng mà bộ đệm cứng luôn bị ảnh hưởng

- Buffers : ở đây ta không dịch hẳn từ buffer mà để nguyên như thế vì giữabuffers và cache có những điểm rất giống nhau Có rất nhiều tài liệu biên dịchhoặc nguyên bản hoàn toàn không phân biệt giữa 2 khái niệm “cache” và

“buffers” mà lại để nguyên là “bộ đệm” – như vậy là không chính xác! Vậy giữacache và buffers có gì khác nhau và giống nhau? Có một điểm duy nhất giốngnhau giữa cache và buffers chính là “chúng đều là bộ nhớ đệm có tác dụng lưutrữ tạm thời một số dữ liệu trên ổ cứng nhằm tăng tốc tốc độ truy xuất dữ liệu và

+ Cache có tốc độ cao hơn nhiều so với buffers

+ Cache phải cần đến bộ điều khiển cache - nếu là “cứng” thì cần phài cóchíp điều khiển, còn “mềm” thì phải cần phần mềm điều khiển – trong khi đóbuffers chỉ là một con chíp nhớ đơn giản không cần bộ điều khiển riêng

+ Buffers gặp rất nhiều giới hạn trong các quá trình giao tiếp và chuyểnđổi dữ liệu bởi vì khả năng quản lý dữ liệu của nó rất kém Khi lưu trữ dữ liệutạm thời, buffer lưu trữ một lúc cả một track vì thế nếu muốn tìm một sector nàotrên track này thì hệ điều hành lại phải tiếp tục tìm kiếm trên track mà buffercung cấp - chậm hơn hẳn so với cache

Những điều cần chú ý đến Cache : “ổ cứng có cache lớn không có nghĩa

là sẽ truy xuất dữ liệu nhanh hơn ổ cứng có cache nhỏ (hai cái cùng loại có cùngtốc độ và dung lượng)” Điều này thì cũng không có gì là bất thường lắm, cache

là bộ nhớ do đó tốc độ truy xuất của bộ nhớ làm cache càng nhanh thì càng tốt ,tuỳ thuộc vào mức độ thôn minh và khả năng quản lý của “chíp điều khiển”(cache controllers chip) và cuối cùng là tổ chức của bộ nhớ làm cache (cho phépđọc/ghi dữ liệu tuỳ ý hoặc chỉ có thể đọc hoặc ghi từ đầu đến cuối) Tuy nhiêntác dụng của bộ cache sẽ mất hoặc giảm đi rất nhiều nếu như ổ cứng đã đượcdefragment (phần này chúng tôi sẽ nói kỹ hơn ở phần Cấu trúc File System)

VCACHE: Windows có một driver ảo gọi là VCACHE có nhiệm vụ quảntrị bộ nhớ đệm cho ổ cứng VCACHE chính là một sự thay thế cho “bộ đệmmềm” của DOS và các version Windows trước đó (thường được gọi làSmartDrive) VCACHE có khả năng thay đổi rất nhanh dung lượng bộ nhớ mà

nó sử dụng, điều mà các trình quản lý bộ đệm trong DOS không thể làm được.Khi đĩa cứng hoạt động liên tục (chép file hoặc đọc file lớn) trong khi đó việctruy cập bộ nhớ lại thấp thì nó sẽ tự động điều chỉnh kích thước bộ đệm (tănglên) cho phù hợp để RAM có thể chia sẻ bớt một phần công việc của đĩa cứng.Nguợc lại, khi ổ cứng ít hoạt động (ít truy xuất dữ liệu) nhưng RAM lại liên tục

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

- Đọc trước (read-ahead) : là một phương pháp xem xét thử phần dữ liệu nào sẽđược ứng dụng yêu cầu truy xuất kế tiếp rồi đọc nó vào bộ nhớ, nó luôn luônđược kích hoạt khi máy vi tính đang trong trạng thái nghỉ ngơi (Standby) hoặc íthoạt động (Idle) Kết quả của phương pháp này là giảm được nhiều chuyển độngcủa đầu đọc và đĩa cứng hoạt động êm hơn (không đọc nhiều nên không gâytiếng ồn)

- Ghi từ cache xuống (write-behind caching): cũng cho kết quả tương tự nhưng

nó còn bao gồm luôn công việc giữ phần dữ liệu trong cache để chúng đuợc ghixuống đĩa cứng hoàn toàn cho đến khi máy vi tính nghỉ ngơi (shutdown) Mộtvấn đề với phương pháp này là “nếu như máy tính mất điện đột ngột thì nhữngphần dữ liệu chưa được ghi từ cache xuống ổ cứng sẽ mất trắng không tìm lạiđược vì cache là một dạng bộ nhớ cần nguồn nuôi”

Jump cấp nguồn: cung cấp điện cho ổ đĩa cứng Ổ đĩa cứng sử dụng một

trong 2 loại jump cấp nguồn với 2 chuẩn cho ổ giao diện ATA và giao diệnSATA

Hình 19: Jump cấp nguồn cho ổ cứng SATA

Hình 20: Jump cấp nguồn cho ổ cứng ATA

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Hình 22: Loại jack nguồn cấp điện cho ổ cứng SATA

Jumper chuyển mạch: thiết đặt chế độ làm việc của ổ đĩa cứng: lựa chọn

chế độ làm việc của ổ đĩa cứng (SATA 150 hoặc SATA 300) hay thứ tự trên cáckênh trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông

số làm việc khác

Hình 23: Mô tả jumper thiết lập của ổ cứng

2.2.4 Bộ khung cơ khí (Vỏ đĩa cứng)

Bộ khung cơ khí rất quan trọng đối với hoạt động chính xác của ổ đĩacứng, ảnh hưởng đến sự hợp nhất về cấu trúc, về nhiệt và về điện của ổ đĩa.Khung cần phải cứng và tạo nên một cái nền vững chắc để lắp ráp các bộ phậnkhác Các ổ đĩa cứng thường dùng khung nhôm đúc, nhưng các ổ cứng loại nhỏcủa máy tính xách tay thường dùng vo plastic Vật liệu vỏ cụ thể phụ thuộc vàoyếu tố hình dạng (form factor) tức là kích thước của ổ cứng.

Vỏ đĩa cứng gồm các phần: phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phầnnắp đậy lại để bảo vệ các linh kiện bên trong Vỏ đĩa cứng có chức năng chínhnhằm định vị các linh kiện và đảm bảo độ kín khít để không cho phép bụi đượclọt vào bên trong của ổ đĩa cứng Ngoài ra, vỏ đĩa cứng còn có tác dụng chịuđựng sự va chạm (ở mức độ thấp) để bảo vệ ổ đĩa cứng Do đầu từ chuyển độngrất sát mặt đĩa nên nếu có bụi lọt vào trong ổ đĩa cứng cũng có thể làm xước bềmặt, mất lớp từ và hư hỏng từng phần (xuất hiện các khối hư hỏng (badblock)) Thành phần bên trong của ổ đĩa cứng là không khí có độ sạch cao, đểđảm bảo áp suất cân bằng giữa môi trường bên trong và bên ngoài, trên vỏ bảo

vệ có các hệ lỗ thoáng đảm bảo cản bụi và cân bằng áp suất

Hình 24: Phần đế của ổ đĩa cứng

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Hình 25: Phần nắp của ổ đĩa cứng

2.3 Các chuẩn giao tiếp và cơ chế đọc ghi dữ liệu của ổ cứng

2.3.1 Các chuẩn giao tiếp của ổ cứng

Có rất nhiều chuẩn giao tiếp đã ra đời và phát triển để xác định nguyên tắclàm việc giữa ổ cứng và CPU Sự đa dạng này một phần xuất phát từ yêu cầu tốc

độ đọc/ghi dữ liệu khác nhau giữa các hệ thống máy tính, phần còn lại các ổgiao tiếp nhanh có giá thành cao hơn nhiều so với các chuẩn thông dụng Nhữngchuẩn dưới đây đại diện cho những chuẩn thông dụng nhất thường được sử dụnggiữa bộ điều khiển và ổ cứng:

- ST-506/412 : tiêu chuẩn giao tiếp được phát triển bởi hãng Seagate và được sửdụng vào thời kì những máy IBM sơ khai(1980) Chuẩn này ngày nay đã hoàntoàn được thay thế bởi các chuẩn nhanh hơn như IDE, EIDE và SCSI

Hình 26: Khe cắm chuẩn giao tiếp ST-512 của ổ cứng

- Enhanced Small Device Interface (ESDI): giao diện bộ điều khiển ổ cứng phảicần một thiết bị trợ giúp riêng biệt, là một chuẩn thay thế cho ST-506/412 tuynhiên nó cũng đã lỗi thời và đã bị IDE, EIDE và SCSI thay thế Chuẩn ST-506/412 và ESDI là rất khó chịu với ổ cứng và phải cần bộ điều khiển riêng biệt.Những chuẩn này không chỉ đơn thuần khác biệt ở chỗ dung lượng mà nó có thểtruy xuất được mà còn là tốc độ của chúng Ví dụ ST-506/412 có thể truyền đikhoảng 5-7.5 megabit/giây trong khi đó EIDE có thể truyền đi đến 16.6 megabit/giây

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Hình 27: Cổng giao tiếp ESDI

- Small Computer System Interface (SCSI): vẫn thường được gọi vui là

“skuzzy” (từ chữ SCSI mà ra), là một loại chuẩn giao tiếp thường được dùng đểkết nối máy tính cá nhân đến thiết bị khác như là ổ cứng, máy in, scanner vàCD-ROM Hầu hết các card SCSI đều không cần phải biết về kiểu thiết bị mà nóliên kết mà chỉ cần biết duy nhất một điều “thiết bị đó làm việc được với SCSI”

Ta có thể kết nối lên đến 7 thiết bị SCSI chung với nhau và rồi kết nối chúng đếmột cổng (port) SCSI trên máy vi tính, cứ như là một cấu hình thường được gọi

là “dây chuyền bậc nhất” (daisy chain)

Hình 28: Ổ cứng sử dụng giao tiếp SCSI

- Intergrated Drive Electronics (IDE): giao diện bộ điều khiển ổ cứng kết hợpvới bộ điều khiển điện tử trên board của ổ cứng Giao tiếp EIDE là một pháttriển gần nhất của IDE IDE kết hợp chặt chẽ những hoạt động trước kia thuộcquyền của của card điều khiển riêng bây giờ đã được tích hợp trực tiếp vào bêntrong ổ cứng (nằm trên board) Kết quả là một ổ cứng IDE có thể sử dụng bộ kếtnối IDE trên bo mạch chủ mà không cần đến bus slot Máy vi tính chỉ cần IDEcard khi và chỉ khi trên bo mạch chủ không được tích hợp bộ kết nối IDE CardIDE cung cấp một kết nối vật lý thông qua một bus slot và có thể cung cấp thêmcác chức năng điều khiển Một ổ cứng IDE chỉ có thể chứa được cao nhất là 528

MB dữ liệu Với chuẩn giao tiếp mới hơn, Enhanced IDE (EIDE), ổ cứng có thểchứa đến 8.4 GB Những ổ cứng IDE có dung lượng vượt quá 504MB đôi lúcphải cần đến những phần mềm chuyên biệt như là Ontrack’s Disk Manager hoặc

là Micro House’s EZ-Drive, bởi vì có rất nhiều máy vi tính không có BIOS hoặccontroller hỗ trợ những ổ cứng IDE dung lượng lớn

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Hình 29: Cổng giao tiếp IDE của ổ cứng

- Extended Intergrated Drive Electronics (EIDE)(Parallel ATA (PATA) cũngđược gọi là EIDE): chuẩn này còn được gọi là “Enhance IDE”, là một chuẩngiao tiếp gíup cho bộ điều khiển ổ cứng có thể kết nối khá nhiều thiết bị lưu trữ (

ổ cứng dung lượng lớn, CD-ROM và băng từ) với máy tính EIDE là một bướcphát triển của chuẩn IDE Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 100 MB/giây Các

bo mạch chủ mới nhất hiện nay gần như đã bỏ hẳn chuẩn kết nối này, tuy nhiên,người dùng vẫn có thể mua loại card PCI EIDE Controller nếu muốn sử dụngtiếp ổ cứng EIDE Ổ cứng PATA (IDE) với 40-pin kết nối song song, phần thiếtlập jumper (10-pin với thiết lập master/slave/cable select) và phần nối kết nguồnđiện 4-pin, độ rộng là 3,5-inch Có thể gắn 2 thiết bị IDE trên cùng 1 dây cáp, cónghĩa là 1 cáp IDE sẽ có 3 đầu kết nối, 1 sẽ gắn kết vào bo mạch chủ và 2 đầucòn lại sẽ vào 2 thiết bị IDE

Ổ cứng SCSI là ổ cứng có tốc độ nhanh nhất trong các chuẩn ổ cứng bởi

vì bộ điều khiển SCSI (hoặc host adapter) có CPU riêng để quản lý việc truyềnnhận dữ liệu và công việc của các thiết bị liên quan mà không cần sự giúp đỡcủa CPU chính của hệ thống Hệ thống của bạn sẽ chạy nhanh hơn rất nhiều doCPU chính không cần phải quan tâm đến việc truyền tải mà dành sức cho cáccông việc khác (đây lý do chính khíên cho các thiết bị chuẩn SCSI luôn luôn

và không mắc phải lỗi dịch sector (điều cho đến bây giờ vẫn mắc phải trên ổcứng EIDE).

Đâu là chỗ khác biệt giữa SCSI và EIDE ? Ngoài một điểm khác biệt khá

rõ đã được trình bày ở phần trên còn điểm sau: SCSI thể hiện sức mạnh quaviệc cho phép một loạt thiết bị có thể khai thác một đường bus trong cùng mộtthời điểm và không cần sử dụng bus nếu thiết bị không yêu cầu Đây là mộtđiểm rất lợi thế của SCSI ! Trái lại so với SCSI thì EIDE chia thành 2 kênh baogồm Primary và Secondary và hai kênh này sử dụng hai đường bus khác nhau.Tuy nhiên trong mỗi kênh EIDE lại chia thành 2 cấp Master và Slaver cho 2thiết bị được gắn cùng một cáp trên một kênh Vì cả 2 thiết bị chỉ được phép sửdụng 1 đường bus mà EIDE lại không có khả năng cho phép nhiều thiết bị cùng

sử dụng 1 đường bus trong cùng một lúc nên các thiết bị này sẽ tuần tự lần lượtđược cấp phép sử dụng bus Đây là một điểm rất hạn chế của EIDE đặc biệt nếubạn gắn ổ cứng chung với CD-ROM trên cùng 1 kênh thì tốc độ sẽ giảm đi rấtnhiều lý do như sau : ổ CD-ROM có tốc độ rất chậm như vậy thời gian màCD_ROM sử dụng đường bus sẽ rất lâu từ đó việc cấp quyền sử dụng cho ổcứng sẽ bị hạn chế dẫn đến tốc độ của máy châm hẳn đi Đây cũng là lý do giảithích việc người ta vẫn khuyên bạn nên gắn ổ cứng của mình và kênh Primary ổCD-ROM vào kênh Secondary và nếu có từ 2 cổ cứng trở lên thì tốt nhất là nêngắn các ổ cứng có tốc độ tương đương với nhau trên cùng 1 kênh

Ngoài ra chuẩn SCSI còn có nhiều kiểu khác nhau: loại 8bit thì cần cáp 50sợi, loại 16 bit thì cần cáp 68 sợi (SCSI mở rộng) Nhịp (clock) có thể là 5 MHz(SCSI 1) , 10MHz (FAST SCSI) , 20 MHz (Fast20 – ultra SCSI) , 40 MHz(Ultra 2-SCSI) hoặc 80Mhz (Ultra 3-SCSI)

Sau đây là thống kê khả năng truyền dẫn dữ liệu của chuẩn SCSI:

-SCSI Bus Clock | 8 bit 50 sợi -| -16 bit 68 sợi-(mở rộng)—

5 MHz (SCSI 1) 5 Mgbyte/s Không hỗ trợ

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

Hình 30: Jump tín hiệu của ổ cứng giao diện SATA

Kể từ khi được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2001, chuẩn giao tiếpSATA (Serial Advanced Technology Attachment) đã dần thay thế giao tiếpPATA (Parallel ATA) và trở thành giao tiếp chủ yếu cho các thiết bị lưu trữ gắntrong máy tính để bàn cũng như máy tính xách tay Chuẩn này giúp kết nối bomạch chủ với các thiết bị lưu trữ như đĩa cứng, ổ lưu trữ thể rắn (SSD), ổ quanghay các thiết bị băng từ di động

Chuẩn giao tiếp SATA sử dụng cáp dữ liệu gồm 7 dây dẫn (3 dây nối đất

và 4 dây dữ liệu chia thành 2 cặp), có đầu nối rộng 8mm ở hai đầu SATA sửdụng cấu trúc điểm-điểm (point-to-point) để truyền dữ liệu, kết nối trực tiếpgiữa chip điều khiển và thiết bị lưu trữ, nên không cần cấu hình theo mô hìnhmaster/slave phức tạp như giao tiếp PATA Cáp SATA thường có chiều dài lênđến 1m, và một cáp chỉ kết nối trực tiếp bo mạch chủ với một thiết bị lưu trữduy nhất, không giống như giao tiếp PATA, một cáp có thể kết nối bo mạch chủvới 2 thiết bị lưu trữ, sử dụng cáp gồm 40 hay 80 dây dẫn, độ dài giới hạn 45cm(hiện nay cũng có cáp PATA dài đến 90cm) Với ưu điểm sử dụng cáp bản nhỏ,cáp SATA phù hợp với không gian chật hẹp và không làm cản trở không khí lưuthông bên trong thùng máy Đầu cắm SATA ngày nay được thiết kế thêm chấu

nối trên bo mạch chủ cũng như trên thiết bị lưu trữ khi đang trong quá trình saolưu dữ liệu.

Chuẩn SATA cũng sử dụng cáp nguồn khác với chuẩn đầu cắm nguồn 4chân của Molex đã tồn tại hàng chục năm nay Tương tự như cáp dữ liệu, cápnguồn SATA cũng nhỏ dẹp, sử dụng đầu cắm 15 chân và cung cấp 3 mức nguồn3,3V, 5V và 12V

Hình 31: Jump cấp nguồn cho ổ cứng giao diện SATA

Các chip điều khiển SATA sử dụng giao tiếp AHCI (Advanced HostController Interface) làm giao tiếp chuẩn, hỗ trợ các tính năng cao cấp củaSATA như tháo lắp nóng và NCQ (Native Command Queuing) Tất cả thiết bịSATA đều hỗ trợ tháo lắp nóng, tuy nhiên tính năng này chỉ được hỗ trợ khithiết bị chạy chế độ AHCI Một số HĐH cũ không hỗ trợ AHCI, trong đó cóWindows XP Các HĐH mới sau này như Windows Vista, Windows 7,FreeBSD, Linux kernel 2.6.19 trở lên, cũng như Solaris và OpenSolaris đều hỗtrợ AHCI

(SATA-Nhờ tính năng tương thích ngược với các chuẩn giao tiếp SATA 1.0 và2.0, nên các chuẩn đầu cắm và cáp kết nối hiện đang dùng cho phiên bản SATA2.0 đều sử dụng được cho SATA 3.0 Điều này không những giúp người dùnggiảm thiểu chi phí sắm cáp mới khi nâng cấp lên SATA 3.0 mà còn giúp cáchãng sản xuất duy trì chính sách đầu tư của họ.

Đặc tả SATA 3.0 có nhiều tính năng cải tiến so với phiên bản trước, baogồm:

- Giao thức điều khiển dòng dữ liệu NCQ mới cho các ứng dụng đòi hỏitốc độ truyền dữ liệu cao như các ứng dụng video/audio

- Khả năng quản lý NCQ nhằm tăng hiệu năng tổng thể của hệ thống

- Cải thiện tính năng tiết kiệm điện năng

- Bổ sung đầu cắm nhỏ LIF (Low Insertion Force) cho các thiết bị lưu trữkích thước nhỏ gọn 1,8”

- Đầu cắm 7mm thiết kế cho ổ đĩa quang dành cho netbook mỏng và nhẹ

- Phù hợp chuẩn INCITS ATA8-ACS (chuẩn CNTT của Ủy ban Quốc tếINCITS – International Committee for Information Technology Standards)

Được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp máy tính ngày nay,chuẩn giao tiếp SATA sẽ tiếp tục trưởng thành và phát triển mạnh mẽ theo thờigian Chuẩn giao tiếp SATA 3.0 góp phần mang đến cho lĩnh vực lưu trữ cácgiải pháp lưu trữ tốc độ cao, hỗ trợ tốt hơn cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông

dữ liệu cao Ngoài ra, với tính năng tương thích ngược, SATA 3.0 là một giảipháp hoàn hảo giúp nâng cao tốc độ gấp đôi mà vẫn tiết kiệm chi phí đầu tư cápcho người dùng

SATA 3.0 sử dụng cùng chuẩn cáp và đầu cắm 7 chân như các thế hệSATA trước, so với cáp PATA 40 chân (bên trái):

Hình 32: Cáp PATA(bên trái) và cáp SATA(bên phải)

Bảng so sánh tốc độ giữa Sata 1.0, Sata 2.0 và Sata 3.0:

Sata 1.0 Chuẩn giao tiếp SATA thế hệ đầu với tốc độ truyền 150MB/giây.Sata 2.0 Chuẩn SATA nâng cao, tốc độ truyền 300MB/giây, tương thích

ngược SATA 1.0

Sata 3.0 Chuẩn giao tiếp SATA mới nhất với tốc độ truyền 600MB/giây và

khả năng tương thích ngược SATA 1.0 và 2.0

Những lợi ích của Serial ATA:

- Tính tương thích phần mềm : đối với các phần mềm hệ thống, một thiết bịSerial ATA chẳng khác chút gì sơ với các thiết bị xưa cũ UDMA/ATA Với cácphần mềm ngày nay, không tương thích là mấy với các thiết bị cũ , Serial ATAhứa hẹn một sự chuyển đổi không liền mạch và sự chấp thuận nhanh chóng

- Cáp serial : Các thiết bị Serial ATA kết nối đến hệ thống thông qua một sợicáp không đắt (khá rẻ) cung cấp một đầu nối nhỏ thích hợp cho môi trường tiết

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

- Công nghệ truyền chuỗi dữ liệu: Serial ATA sử dụng công nghệ truyền chuỗi8B/10B để truyền nhận dữ liệu thông qua serial cáp Sơ đồ bảo toàn dữ liệu caocấp này được nhanh chóng chấp nhận trên diện rộng như là một sơ đồ truyềnchuỗi thực tế và thường được dùng trong nhiều công nghệ như GigabitEthernet

và Fibre Channel Đây thực sự là giai đoạn chuyển tiếp Serial ATA thành mộtphần của việc phát triển iSCSI trong tương lai

- Điện thế thấp phân biệt tín hiệu: Serial ATA sử dụng điện thế thấp nhằm phânbiệt tín hiệu (LVD) bằng nguồn điện 250mV Nó còn bao gồm cả một nguồnđiện nuôi thấp và cần bộ giải nhiệt

- Con đường phát triển còn dài (10 năm nữa): Serial ATA dự định sẽ đưa ra 3thế hệ có khả năng chuyển nhận dữ liệu lên đến 1.5Gbit/sec, 3.0Gbit/s, và6.0Gbit/s tức là cho phép tốc độ truyền cho từng thế hệ lên đến 150Mbyte/s,300Mbyte/s và 600 Mbyte/s

- Hiệu suất cao hôm nay và tương lai : ngay từ thế hệ đầu tiên SerialATA đã đạtđến tốc độ 150Mbyte/s so với tốc độ tối đa mà Parallel ATA (giao diện ATAsong song) đạt được là 133Mbyte/s SerialATA còn dự định sẽ tiếp tục cho rađời 2 thế hệ tiếp theo với tốc độ cực cao 300Mbyte/s và 600Mbyte/s cho cùng 1loại cáp (loại 150Mbyte/s) và đầu nối

- Hiệu quả kinh tế cao: với người sử dụng máy vi tính tại gia (Desktop PC) vấn

đề nâng cấp phần cứng mới luôn là vấn đề lớn Tuy nhiên các nhà sản xuất đã dựtính những ổ đĩa SerialATA sẽ có giá thành tương đương với các ổ đĩa ParallelATA hiện lại nhưng lại có tốc độ cao và dung lượng cao hơn

- Tháo ráp “nóng” và hữu dụng : các thiết bị SerialATA sẽ có them chức năngtháo ráp nóng (hot swapable), điều mà với các ổ cứng Parallel ATA ta khôngbao giờ làm được Điểm mạnh này sẽ làm cho SerialATA trở thành một giảipháp có thể tồn tại được và trong tương lai sẽ thay thế cho giải pháp RAID vốnrất rườm rà

- Cáp kết nối trực tiếp (Point-to-point cabling) : SerialATA chỉ cho phép kết nối

1 port cho 1 ổ cứng duy nhất và cũng chính vì thế đã nâng cao khả năng cô lậplỗi đồng thời tăng hiệu năng cho thiết bị Không những thế , vì SerialATAkhông phải chia sẽ bus nên mỗi ỗ đĩa có thể hoàn toàn đạt đến tốc độc150Mbyte/s

- Dễ lắp đặt (cáp) và có lợi cho việc lưu chuyển không khí: SerialATA sử dụngcáp dài, mỏng , mềm dẽo dễ uốn (không cứng và dễ nát như Parallel ATA) đồngthời truyền dẫn và lắp đặt đơn giản , những tính năng trên sẽ giúp tăng cườngviệc lưu chuyển không khí cho hệ thống và tăng hiệu năng giải nhiệt cho quạt.Tổng hợp lại đặc trưng và ích lợi của SerialATA:

Đặc trưng :

- Được thiết kế có tốc độ cao cho tương lai

- Giao diện tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 150Mbyte/s (và sẽ còn cao hơn)

- Chi phí thấp

- Chuyển từ việc thiêt bị lưu trữ trong thànhthiết bị lưu trữ ngoài trong tương lai

- Kết nối trực tiếp từ máy đến một thiết bị duy nhất

- Điện thế thấp

- Sử dụng ít pin ASIC hơn

- Giao tiếp điều khiển điên năng mới

- Driver và phần mềm khác biệt hoàn toàn so với Parallel ATA

- Lệnh điều chỉnh

- DMA nhóm đầu tiên

- Cáp và đầu kết nối khác hẳn so với Parallel