Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 90 12 GIAO TIẾP ĐĨA CỨNG 12.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐĨA CỨNG Mở đầu chương này sẽ là phần giới thiệu về lòch sử phát triển và cấu tạo của đóa cứng. 12.1.1 Lòch sử phát triển của đóa cứng Hãng IBM phát minh ra đóa cứng đầu tiên vào năm 1954. Khi đó đóa cứng có dung lượng là 5MB, cấu tạo gồm 50 đóa từ ghép lại. Sau đó 25 năm, hãng Seagate (Seagate Technology) đã giới thiệu một loại đóa cứng dành cho máy tính cá nhân có dung lượng lên đến 40MB và tốc độ truy xuất tới 625 KBps sử dụng chuẩn mã hoá MFM. Thế hệ sản phẩm đóa cứng sau đó của hãng này dùng chuẩn giao tiếp ST506 với kỹ thuật RLL. Vào thập kỷ 80 mà có một đóa cứng với dung lượng 100MB trong máy PC của bạn là cả một gia tài. Ngày nay, với sự phát triển của ngành công nghệ phần mềm thì đòi hỏi máy tính càng ngày càng mạnh, có bộ nhớ lớn hơn, dung lượng đóa cứng cũng lớn hơn. May thay, sự phát triển dung lượng của đóa cứng tỷ lệ nghòch với giá của nó. Điều này chúng ta có thể thấy rõ qua giá cả của các loại đóa cứng trong thời gian gần đây. Và không những dung lượng tăng mà tốc độ truy xuất của đóa cứng cũng không ngừng được cải tiến. Với sự xuất hiện của họ chip Intel Triton, chuẩn EIDE PIO mode 4 ra đời cho nhiều tính năng vượt trội. GVHD: TS. NGUYỄN VĂN GIÁP SVTH: Nguyễn Nhật Tân-Nguyễn Lê Tùng Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 91 12.1.2 Cấu trúc vật lý của một đóa cứng Đóa cứng là một tập gồm nhiều đóa từ (platter). Đóa từ thường được làm bằng vật liệu không có từ tính như hợp kim nhôm hoặc hổn hợp của thủy tinh và gốm, sau đó được phủ một lớp vật liệu có từ tính (magnetic-medium), thường là một lớp oxit, nhưng ngày nay, người ta thay nó bằng một lớp kim loại mỏng gọi là thin-film medium. Dữ liệu được lưu trữ trên lớp bề mặt này. Mỗi một đóa từ có thể chứa đến hàng tỷ điểm dữ liệu hay còn gọi là bpsi (bits per square inch). Hình 12.1 Cấu trúc bên trong của đóa cứng Trung bình một đóa cứng có từ 2 đến 3 đóa từ (hay nhiều hơn tùy loại) được xếp chồng lên nhau, ở giữa có một trục quay (spindle). Trục quay này có tốc độ quay rất nhanh khoảng vài ngàn vòng một phút. Tốc độ quay này góp phần quyết đònh tốc độ truy xuất dữ liệu của đóa cứng. Các đóa từ được xếp chồng lên nhau sao cho còn có một khoảng cách ở giữa chúng (xem hình 12.2). Trong khoảng không gian này là nơi đầu đọc (read/write head) được đưa vào. Đầu đọc được thiết kế để nó gần như tiếp xúc với bề mặt của đóa, khoảng cách giữa đầu đọc và bề mặt đóa thường là 0,2mm. Nhưng với các loại đóa cứng mới hiện nay thì khoảng cách này là 0,07mm hay nhỏ hơn. Một chút không khí bẩn hay một lần vô tình chạm tay vào bề mặt đóa từ cũng có thể dẫn đến sự trầy xướt bề mặt đóa từ hoặc làm cong đầu từ. Cho nên nhà chế tạo thường rút hết không khí ra khỏi buồng chứa các đóa từ. GVHD: TS. NGUYỄN VĂN GIÁP SVTH: Nguyễn Nhật Tân-Nguyễn Lê Tùng Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 92 Hình 12.2 Các Cylinder, Track, Sector của HardDisk Đóa từ sau khi được đònh dạng thì được chia thành các Track và Sector như hình 12.3. Hình 12.3 Các Sector và Track Track là những hình vành khăn bao quanh trục (có ở cả hai mặt của mỗi đóa từ). Tập hợp các Track có cùng đường kính trên mỗi đóa từ (platter) tạo thành một Cylinder. Trong từng Track lại được chia thành các Sector mà mỗi một Sector chứa 512 byte. Sector là đơn vò chia nhỏ nhất của đóa cứng có thể truy xuất được. 12.1.3 Hoạt động Dữ liệu được ghi lên đóa cứng cũng giống nguyên tắc ghi lên đóa mềm. Trước tiên bềmặt đóa được xem như là một ma trận các điểm, mỗi điểm chỉ có giá trò là “0” hay “1”. Vò trí của từng điểm (từng phần tử của ma trận) được xác đònh nhờ một bảng, mà ta tạm gọi là bảng đánh dấu. Nhờ có bản này mà đầu từ có thể đònh được vò trí tên đóa. 12.1.4 Chuẩn IDE Một trong những chuẩn giao tiếp ra đời sớm nhất cho phần cứng của máy PC là chuẩn IDE (Integrated Drive Electronics). IDE ban đầu được phát triển bởi Western Digital và Compaq vào năm 1986 để khắc phục các nhược điểm của của hai chuẩn đã ra đời trước nó là ST506 và ESDI. Chuẩn IDE còn được biết GVHD: TS. NGUYỄN VĂN GIÁP SVTH: Nguyễn Nhật Tân-Nguyễn Lê Tùng Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 93 như là chuẩn ATA (Advanced Technology Attachment) do sự cộng tác của các nhà chế tạo máy tính quy đònh và thống nhất với nhau. Một rong những điểm chính của chuẩn IDE là sự tích hợp của chức năng điều khiển đóa vào bên trong ổ đóa cứng. Những đóa cứng dùng chuẩn IDE có thể nối trực tiếp vào đường bus của hệ thống mà không cần một bộ điều khiển tách dữ liệu trên bus, điều này làm giảm giá thành của toàn bộ hệ thống. Sự chấp nhận rộng rãi chuẩn IDE của các nhà sản xuất và của người tiêu dùng, làm thay đổi bộ mặt của PC, tạo ra một sự chuyển biến mạng mẽ trong ngành này. Về sau, với sự phát triển của các bộ vi xử lý mạnh, thì đi đôi với nó là sự xuất hiện của chuẩn EIDE (Enhance IDE) và ATAPI (AT Attachment Packet Interface). 12.2 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Một đóa cứng có tất cả là 12 thanh ghi bao gồm: - Thanh ghi Alternate Status. - Thanh ghi Status. - Thanh ghi Command. - Thanh ghi Cylinder High. - Thanh ghi Cylinder Low. - Thanh ghi Data. - Thanh ghi Device Control. - Thanh ghi Device/Head. - Thanh ghi Error. - Thanh ghi Features. - Thanh ghi Sector Count. - Thanh ghi Sector Number. Trong đó mỗi thanh ghi được quy đònh chức năng rất chặt chẽ. Mỗi thanh ghi đều có đòa chỉ riêng, và việc truy xuất nó được thông qua việc kết hợp tín hiệu các chân /CS0, /CS1, A0, A1 và A2 theo bảng sau: Bàng 12.1 Bảng đòa chỉ một số thanh ghi chủ yếu READ WRITE CS0 CS1 A2 A1 A0 Thanh ghi điều khiển 0 0 x x x Data bus hiZ Không sử dụng 0 1 0 x x Data bus hiZ Không sử dụng 0 1 1 0 x Data bus hiZ Không sử dụng 0 1 1 1 0 Trạng thái chuyển tiếp Điềøu khiển thiết bò 0 1 1 1 1 Đòa chỉ ổ đóa Không sử dụng GVHD: TS. NGUYỄN VĂN GIÁP SVTH: Nguyễn Nhật Tân-Nguyễn Lê Tùng Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 94 Thanh ghi lệnh 1 0 0 0 0 Data Data 1 0 0 0 1 Error register Features 1 0 0 1 0 Sector count Sector count 1 0 0 1 1 Secter number Sector number 1 0 0 1 1 * LBA bits 0-7 * LBA bits 0-8 1 0 1 0 0 Cylinder low Cylinder low 1 0 1 0 0 * LBA bits 8-15 * LBA bits 8-16 1 0 1 0 1 Cylinder high Cylinder high 1 0 1 0 1 * LBA bits 16-23 * LBA bits 16-24 1 0 1 1 0 Drive/head Drive/head 1 0 1 1 0 * LBA bits 24-27 * LBA bits 24-28 1 0 1 1 1 Status Status 1 1 x x x Invalid address Invalid address Với bất kỳ một đóa cứng muốn truy xuất dữ liệu, chúng ta phải tuân thủ quy trình sau. GVHD: TS. NGUYỄN VĂN GIÁP SVTH: Nguyễn Nhật Tân-Nguyễn Lê Tùng Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 95 A BSY =0 ? BSY=0 ? DRDY=1 Đọc thanh ghi Status hay thanh ghi Alternate Status Ghi vào thanh ghi Device bit DEV Đọc thanh ghi Status hay thanh ghi Alternate Status Bắt đầu GVHD: TS. NGUYỄN VĂN GIÁP SVTH: Nguyễn Nhật Tân-Nguyễn Lê Tùng Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 96 A BSY =0 ? Đọc thanh ghi Status hay thanh ghi Alternate Status Đưa dữ liệu vào/Đọc dữ liệu ra Ghi lệnh vào thanh ghi Command Ghi đường dẫn cho các thanh ghi Sector, Cylinder, và Device DRQ =1 ? Kết thúc 12.3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển được in ở phần phụ lục trang 3. 12.4 KẾT LUẬN Như thế ta đã nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản nhất để giao tiếp với một đóa cứng theo chuẩn IDE. Bằng cách này ta có thể lưu được một khối lượng lớn dữ liệu, và có thể truy xuất dễ dàng. Bên cạnh đó, ta cũng đã hiểu được cấu tạo chung của một đóa cứng. GVHD: TS. NGUYỄN VĂN GIÁP SVTH: Nguyễn Nhật Tân-Nguyễn Lê Tùng . và Device DRQ =1 ? Kết thúc 12. 3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển được in ở phần phụ lục trang 3. 12. 4. Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 90 12 GIAO TIẾP ĐĨA CỨNG 12. 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐĨA CỨNG Mở đầu chương này sẽ là phần giới thiệu về lòch sử phát triển và cấu tạo của. Tân-Nguyễn Lê Tùng Thiết kế, chế tạo và điều khiển tay máy Trang 93 như là chuẩn ATA (Advanced Technology Attachment) do sự cộng tác của các nhà chế tạo máy tính quy đònh và thống nhất với