Nhóm 9. Nghiên cứu tìm hiểu về thiết bị lưu trữ dữ liệu từ tính (ổ đĩa cứng)

Nghiên cứu tìm hiểu về thiết bị lưu trữ dữ liệu từ tính (ổ đĩa cứng)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu về thiết bị lưu trữ dữ liệu từ tính

Trường: Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thanh Hải

3 Nguyễn Văn Hải

4 Nguyễn Viết Hoàng

5. Nguyễn Minh Quang

Mục L

Mục Lục 4

1 Cấu tạo của ổ đĩa cứng 7

1.1 Cụm đĩa 7

1.2 Cụm đầu đọc 7

1.3 Cụm mạch điện 7

1.4 Vỏ đĩa cứng 7

1.5 Đĩa từ 7

1.6 Track 8

1.7 Sector 8

1.8 Cylinder 9

1.9 Trục quay 9

1.10 Đầu đọc/ghi 9

1.11 Cần di chuyển đầu đọc/ghi 10

2 Đọc/ghi dữ liệu trên ổ đĩa từ 10

2.1 Giao tiếp với máy tính 10

2.2 Đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa 11

3 Thông số và đặc tính 13

3.1 Dung lượng 13

3.2 Tốc độ quay của ổ đĩa cứng 13

3.3 Các thông số về thời gian trong ổ đĩa cứng 13

3.4 Bộ nhớ đệm 14

3.5 Chuẩn giao tiếp 14

3.6 Tốc độ truyền dữ liệu 16

3.7 Kích thước 17

3.8 Sự sử dụng điện năng 18

3.9 Các thông số khác 18

3.10 Độ ồn 19

3.11 Chu trình di chuyển 19

3.12 Chịu đựng sốc 20

3.13 Nhiệt độ và sự thích nghi 20

3.14 Thời gian thích nghi cần thiết 21

4

3.15 Các số thông số về sản phẩm 21

3.16 Các công nghệ sử dụng ổ đĩa cứng 22

3.16.1 S.M.A.R.T 22

3.16.2 Ổ cứng lai 22

3.16.3 RAID 23

Y

1 Cấu tạo của ổ đĩa cứng

 Đầu đọc (head): Đầu đọc/ghi dữ liệu

 Cần di chuyển đầu đọc (head arm hoặc

actuator arm)

1.3 Cụm mạch điện

 Mạch điều khiển: có nhiệm vụ điều khiển động cơ đồng trục, điều khiển sự di chuyển của cần di chuyển đầu đọc để đảm bảo đến đúng vị trí trên bề mặt đĩa

 Mạch xử lý dữ liệu: dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa cứng

 Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer): là nơi tạm lưu dữ liệu trong quá trình đọc/ghi dữ liệu Dữ liệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện

 Đầu cắm nguồn cung cấp điện cho ổ đĩa cứng

 Đầu kết nối giao tiếp với máy tính

 Các cầu đấu thiết đặt (tạm dịch từ jumper) 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 các kênh trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông số làm việc khác

1.4 Vỏ đĩa cứng

Vỏ ổ đĩa cứng gồm các phần: Phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phần nắp đậy lại đểbảo vệ các linh kiện bên trong Vỏ ổ đĩa cứng có chức năng chính nhằm định vị các linh kiện và đảm bảo độ kín khít để không cho phép bụi được lọt vào bên trong của ổ đĩa cứng

Ngoài ra, vỏ đĩa cứng còn có tác dụng chịu đựng sự va chạm (ở mức độ thấp) để bảo vệ ổđĩa cứng

1.5 Đĩa từ

Hình 2.4: Ổ đĩa từ

Hình 1

Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ một lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu Tuỳ theo hãng sản xuất mà các đĩa này được sử dụng một hoặc cả hai mặt trên và dưới Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vàodung lượng và công nghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau.

Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai mặt, đĩa cứng có thể có nhiều đĩa từ, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt động

1.6 Track

Hình 2.5

Trên một mặt làm việc của đĩa từ chia ra nhiều vòng tròn đồng tâm thành các track

Track có thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các đĩa nhựa (ghi

âm nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này không có các gờ phân biệt vàchúng là các vòng tròn đồng tâm chứ không nối tiếp nhau thành dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa Track trên ổ đĩa cứng không cố định từ khi sản xuất, chúng có thể thay đổi vị tríkhi định dạng cấp thấp ổ đĩa (low format )

1.7 Sector

Khu vực Sốsector/track Sốbyte/track

Tốc độtruyền dữ liệu(MBps)

Số sector trên các track là khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, các ổ đĩa cứngđều chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau.

Bảng trên cho thấy các khu vực với các thông số khác nhau và sự ảnh hưởng của chúng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ cứng Các khu vực ghi dữ liệu của ổ đĩa cứng Hitachi Travelstar 7K60 2,5"

1.8 Cylinder

Tập hợp các track cùng cùng bán kính (cùng số hiệu

trên) ở các mặt đĩa khác nhau thành các cylinder

Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu

tiên làm việc tại một track nào thì tập hợp toàn bộ

các track trên các bề mặt đĩa còn lại mà các đầu đọc

còn lại đang làm việc tại đó gọi là cylinder (cách

giải thích này chính xác hơn bởi có thể xảy ra

thường hợp các đầu đọc khác nhau có khoảng cách

đến tâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế

tạo)

Trên một ổ đĩa cứng có nhiều cylinder bởi có nhiều

track trên mỗi mặt đĩa từ

Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa (nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa nhưng chỉ sử dụng

3 mặt)

1.11 Cần di chuyển đầu đọc/ghi

Cần di chuyển đầu đọc/ghi là các thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó Cần có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển

và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay)

Các cần di chuyển đầu đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục quay (đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dưới nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng vị trí tương ứng

ở các bề mặt đĩa còn lại

Sự di chuyển cần có thể thực hiện theo hai phương thức:

 Sử dụng động cơ bước để truyền chuyển động

 Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần bằng lực từ

2 Đọc/ghi dữ liệu trên ổ đĩa từ

2.1 Giao tiếp với máy tính

Toàn bộ cơ chế đọc/ghi dữ liệu chỉ được thực hiện khi máy tính (hoặc các thiết bị sử dụng

ổ đĩa cứng) có yêu cầu truy xuất dữ liệu hoặc cần ghi dữ liệu vào ổ đĩa cứng Việc thực hiện giao tiếp với máy tính do bo mạch của ổ đĩa cứng đảm nhiệm

Ta biết rằng máy tính làm việc khác nhau theo từng phiên làm việc, từng nhiệm vụ mà không theo một kịch bản nào, do đó quá trình đọc và ghi dữ liệu luôn luôn xảy ra, do đó các tập tin luôn bị thay đổi, xáo trộn vị trí Từ đó dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng không được chứa một cách liên tục mà chúng nằm rải rác khắp nơi trên bề mặt vật lý Một mặt khác máy tính có thể xử lý đa nhiệm (thực hiện nhiều nhiệm vụ trong cùng một thời điểm) nên cần phải truy cập đến các tập tin khác nhau ở các thư mục khác nhau

Như vậy cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theo tuần tự

mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt đĩa từ,

đó là đặc điểm khác biệt nổi bật của ổ đĩa cứng so với các hình thức lưu trữ truy cập tuần

tự (như băng từ)

Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ, CPU sẽ đòi hỏi dữ liệu (nó sẽ hỏi tuần tự các bộ nhớ khác trước khi đến đĩa cứng mà thứ tự thường là cache L1-> cacheL2 ->RAM) và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ liệu chứa trên nó Không đơn thuần như vậy CPU có thể đòi hỏi nhiều hơn một tập tindữ liệu tại một thời điểm, khi đó sẽ xảy ra các trường hợp:

1 Ổ đĩa cứng chỉ đáp ứng một yêu cầu truy cập dữ liệu trong một thời điểm, các yêu cầu được đáp ứng tuần tự

2 Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu theo phương thức riêng của nó

10

2.2 Đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa

Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện đồng thời hai chuyển động: Chuyển động quay của các đĩa và chuyển động của các đầu đọc

Sự quay của các đĩa từ được thực hiện nhờ các động cơ gắn cùng trục (với tốc độ rất lớn:

từ 3600 rpm cho đến 15.000 rpm) chúng thường được quay ổn định tại một tốc độ nhất định theo mỗi loại ổ đĩa cứng

+ Hình 2.2 : minh hoạ về nguyên lý đọc/ghi bằng từ trên bề mặt đĩa cứng với phương thức từ nằm ngang

Head: Đầu đọc/ghi di chuyển trên bề mặt đĩa.

Grain: Các thành phần hạt từ và phương của chúng sắp xếp đồng hướng trong một

khoảng

R,N: Vị trí từ ngược/thuận(theo quy ước);

Mangnetic Field lines: Đường sức từ(khi không có đầu đọc/ghi);

Binary value encoded: Giá trị tín hiệu nhị phân (0101…) nhận được.

Khi đĩa cứng quay đều, cần di chuyển đầu đọc sẽ di chuyển đến các vị trí trên các bề mặt chứa phủ vật liệu từ theo phương bán kính của đĩa Chuyển động này kết hợp với chuyển động quay của đĩa có thể làm đầu đọc/ghi tới bất kỳ vị trí nào trên bề mặt đĩa

Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện trường để đọc dữ liệu (và tương ứng: phát ra một điện trường để xoay hướng các hạt từ khi ghi dữ liệu)

Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa Việc thực hiện phân bổ dữ liệu trên các đĩa được thực hiện nhờ các mạch điều khiển trên bo mạch của ổ đĩa cứng

Ghi vuông góc trong ổ cứng

Đa số ổ cứng trên thị trường hiện nay dùng công nghệ ghi gọi là theo chiều dọc , ở đó cácbit được lưu trữ bên cạnh nhau trên bề mặt từ tính

Công nghệ ghi theo chiều dọc có từ khi bắt đầu có ổ cứng Và công nghệ ghi mới hiện nay gọi là ghi vuông góc, công nghệ này được các ổ cứng mới ngày nay sử dụng , nó cho phép ghi với mật độ cao

Để hiểu dữ liệu được đọc, viết trong ổ cứng và các thiết bị lưu trữ tù tính khác , chúng ta cần nhớ đặc điểm sau:

+ Tất cả các dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh chúng khi có dòng điện chạy qua.+ Một từ trường đủ mạnh có thể sinh ra dòng điện trong một dây dẫn

+ Chiều của từ trường phụ thuộc vào chiều của dòng điện và ngược lại

Hình 2.2

Đó là tất cả những gì cơ bản nhất mà bạn cần biết để hiểu dữ liệu được đọc, ghi trên ổ cứng như thế nào.

Có một vật liệu dẫn hình chữ U có cuộn dây dẫn xung quanh ( man châm hình móng ngựa ) để làm đầu đọc ghi trên ổ cứng Trong quá trình ghi số liệu lên ổ cứng, một dòng điện được cung cấp vào cuộn dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh đầu đọc ghi Trường này sẽ từ hoá bề mặt bên dưới đầu đọc ghi , những hạt từ tính được sắp thành hàng, chúng theo chiều trái hoặc phải phụ thuộc vào chiều của dòng điện được cung cấp qua cuộn dây dẫn Bit được lưu trữ liên tiếp trong các hạt từ tính

Trong quá trình đọc dữ liệu trên ổ cứng, khi đầu đọc ghi qua vùng có từ trường xuất hiệndòng điện trong cuộn dây dẫn, chiều của dòng điện phụ thuộc vào chiều của từ trường màđầu đọc ghi đi qua, nó cho phép mạch điều khiển ổ đĩa đọc được Bit đã lưu trữ

Ghi vuông góc và ghi dọc

Mỗi một bảng lưu trữ trong ổ đĩa được làm bằng nhôm hoặc kính và trên bề mặt của nó

có một lớp vật liệu từ, thông thường là Oxit kim loại trộn với vật liệu khác

Như phần trên chúng ta đã nói rằng đầu đọc ghi từ hoá những hạt từ tính trên bề mặt đĩa tuỳ theo dòng điện cung cấp Chúng ta cũng thấy thứ tự của những hạt từ hoá đại diện cho Bit dữ liệu được lưu trữ

Trong công nghệ ghi dọc, hiện nay đang sử dụng trên nhiều ổ cứng trên thị trường, nhữnghạt từ nằm theo chiều ngang và chúng nằm cạnh nhau trên bề mặt ổ cứng Bạn xem hình dưới đây

Trong những năm trở lại đây các hãng sản xuất dều nghiên cứu để tăng dung lượng lưu trữ trên ổ cứng ( tăng mật độ lưu trữ ) mà lại làm giảm kích thước của các hạt từ trên bề mặt ổ cứng

Những hạt từ càng nhỏ thì càng có nhiều dữ liệu được lưu trữ trên ổ cứng Những hạt từ

bị làm co lại sẽ dẫn đến một vấn đề gọi là superparamagnetism mà liên quan đến tính toàn vẹn của dữ liệu lưu trữ

Superparamagnetism xảy ra khi mà những hạt từ nhỏ đến mức mà khi nhiệt độ thay đổi

có thể làm đảo chiều từ tính trong thiết bị lưu trữ dẫn đến số liệu lưu trữ trong đó bị sai lệch Superparamagnetism làm cho các nhà sản xuất ổ cứng dung lương cao bị hạn chế

12

Hình dưới đây mô tả công nghệ ghi vuông góc , những hạt từ được xắp xếp theo chiều dọc

Khi ghi bằng phương pháp vuông góc nhiều số liệu được lưu trữ trên ổ cúng và làm giảmhiện tượng superparamagnetism xảy ra

3.2 Tốc độ quay của ổ đĩa cứng

Tốc độ quay của đĩa cứng thường được ký hiệu bằng rpm (viết tắt của từ tiếng Anh: revolutions per minute) số vòng quay trong một phút

Tốc độ quay càng cao thì ổ càng làm việc nhanh do chúng thực hiện đọc/ghi nhanh hơn, thời giam tìm kiếm thấp

Các tốc độ quay thông dụng thường là:

 3.600 rpm: Tốc độ của các ổ đĩa cứng đĩa thế hệ trước

 4.200 rpm: Thường sử dụng với các máy tính xách tay mức giá trung bình và thấp trong thời điểm 2007

 5.400 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng 3,5” sản xuất cách đây 2-3 năm; với các ổ đĩa cứng 2,5” cho các máy tính xách tay hiện nay đã chuyển sang tốc độ

5400 rpm để đáp ứng nhu cầu đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn

 7.200 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất trong thời gian hiện tại (2007)

 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng trong các máy tính

cá nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ có sử dụng giao tiếp SCSI

3.3 Các thông số về thời gian trong ổ đĩa cứng

Thời gian tìm kiếm trung bình: (Average Seek Time) là khoảng thời gian trung bình (theomili giây: ms) mà đầu đọc có thể di chuyển từ một cylinder này đến một cylinder khác ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng) Thời gian tìm kiếm trung bình được cung cấp bởi nhà sản

xuất khi họ tiến hành hàng loạt các việc thử việc đọc/ghi ở các vị trí khác nhau rồi chia cho số lần thực hiện để có kết quả thông số cuối cùng.

Đây là tham số quan trọng do chúng ảnh hưởng đến hiệu năng làm việc của hệ thống, do

đó người sử dụng nên quan tâm đến chúng khi lựa chọn giữa các ổ đĩa cứng Thông số này càng thấp càng tốt

Tham số: Các ổ đĩa cứng sản xuất gần đây (2007) có thời gian truy cập ngẫu nhiên trong khoảng: 5 đến 15 ms

Thời gian làm việc tin cậy MTBF: (Mean Time Between Failures) được tính theo giờ (hay có thể hiểu một cách đơn thuần là tuổi thọ của ổ đĩa cứng) Đây là khoảng thời gian

mà nhà sản xuất dự tính ổ đĩa cứng hoạt động ổn định mà sau thời gian này ổ đĩa cứng có thể sẽ xuất hiện lỗi (và không đảm bảo tin cậy)

Đơn vị thường bính bằng kB hoặc MB

3.5 Chuẩn giao tiếp

Các chuẩn giao tiếp của ổ đĩa cứng

Giao tiếp

(viết tắt) Tên tiếng Anh đầy đủ Tốc độtruyền dữ liệu

SCSI Small ComputerSystem Interface Nhiều loại, xem thêm

ATA AdvancedTechnology Attachment Max = 133 MBps

14

Có nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau giữa ổ đĩa cứng với hệ thống phần cứng, 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 ổ giao tiếp nhanh có giá thành cao hơn nhiều so với các chuẩn thông dụng.

Bảng dưới đây so sánh các chuẩn ATA thường sử dụng nhiều với ổ đĩa cứng trong thời gian gần đây

Loại bỏ(năm)

PIOModes

DMAModes

UDMAModes

ParallelSpeed(MBps)

Serial Speed(MBps)

Đặc tính

Hộ trợ lên tới 136.9GB; BIOSissues not addressed

Faster PIO modes;

CHS/LBA BIOS translation defined up to 8.4GB; PC-Card

SMART; improved signalintegrity;

LBA support mandatory; eliminated single-word DMA modes

modes; ATAPI Packet

Hình 5

BIOS hỗ trợ tới136.9GB

Faster UDMA modes; 80-pin cable with autodetection

100MBps UDMA mode; extended drive and BIOS support up to 144PB

Serial ATA

SMART = Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology

ATAPI = AT Attachment Packet Interface

MB = Megabyte; million bytes

GB = Gigabyte; billion bytes

PB = Petabyte; quadrillion bytes

CHS = Cylinder, Head, Sector

LBA = Logical block address

PIO = Programmed I/O

DMA = direct memory access

UDMA = Ultra DMA

3.6 Tốc độ truyền dữ liệu

Tốc độ của các chuẩn giao tiếp không có nghĩa là ổ đĩa cứng có thể đáp ứng đúng theo tốc độ của nó, đa phần tốc độ truyền dữ liệu trên các chuẩn giao tiếp thấp hơn so với thiết

kế của nó bởi chúng gặp các rào cản trong vấn đề công nghệ chế tạo

Các thông số sau ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng:

 Tốc độ quay của đĩa từ

 Số lượng đĩa từ trong ổ đĩa cứng: bởi càng nhiều đĩa từ thì số lượng đầu đọc càng lớn, khả năng đọc/ghi của đồng thời của các đầu từ tại các mặt đĩa càng nhiều thì lượng dữ liệu đọc/ghi càng lớn hơn

16