Tổng quan về Ổ cứng

Tổng quan Ổ cứng - Hard Disk Drive (HDD) Welcome to my “Just about Hard Disk Drive” Tutorial ! Tôi tốn nhiều thời gian cho việc chỉnh sửa tutor đồng thời định bỏ 150.000 đ để mua ổ cứng 2.1GB Seagate chụp hình minh hoạ (chụp webcam tiệm nên chất lượng kém) cho bạn dễ hiểu Đồng thời tutor số bạn nhóm cố gắng “dùng gần gũi đơn giản đời thường để mô tả minh họa thay cho từ ngữ chun mơn khó hiểu, phức tạp” Mặc dù kiểm tra kỹ tất nhiên nhiều thiếu sót mong lão đọc góp ý để tơi sớm khắc phục 1/ Cơ ổ cứng (HDD): Trên thị trường ổ cứng xuất nhiều có nhiều chuẩn giao tiếp IDE, SCSI, SATA… Trong Tutorial lấy chuẩn ổ cứng IDE (Intergrate Drive Electronics) để phân tích minh họa A Cấu trúc vật lý ổ cứng: Ổ cứng (Harddisk driver) kiểu thiết bị lưu trữ liệu (storage device) Mục đích nhà sản xuất việc chế tạo thiết bị lưu trữ liệu Mục đích nhà sản xuất việc chế tạo thiết bị lưu trữ liệu để thay đĩa mềm (tại thời điểm HDD đời chưa có loại ổ đĩa quang CD-ROM hay ZIP) Có số nhược điểm làm hạn chế tiện ích độ tin cậy đĩa mềm Ngay ổ đĩa mềm tốt chậm đọc/ghi liệu, lại tiêu thụ điện nhiều so với thiết bị khác máy tính Ổ đĩa mềm bị hạn chế dung lượng lưu trữ, việc chuyển đỗi nhiều đĩa cách làm bất tiện không tin cậy Nhu cầu thiết bị lưu trữ lớn cố định làm nảy sinh ổ đĩa cứng (ổ cứng) vào năm đầu thập kỷ 80 Đương nhiên khả lưu trữ lớn lại đẩy mạnh phát triển máy tính Hiện ổ cứng thiết bị chuẩn loại máy tính Cấu tạo ổ cứng: Bộ khung Đĩa từ Các đầu đọc/ghi Bộ dích chuyển đầu từ: Mơ tơ trục quay Các loại mạch điện ổ cứng Bộ khung: Bộ khung khí quan trọng hoạt động xác ổ đĩa cứng, ảnh hưởng đến hợp cấu trúc, nhiệt điện ổ đĩa Khung cần phải cứng tạo nên vững để lắp ráp phận khác Các ổ đĩa cứng thường dùng khung nhôm đúc, ổ cứng loại nhỏ máy tính xách tay thường dùng vo plastic Vật liệu vỏ cụ thể phụ thuộc vào yếu tố [I]hình dạng (form factor) tức kích thước ổ cứng.[/I] Đĩa từ Đĩa từ ổ cứng đĩa nhơm, thuỷ tinh, sứ có chế độ hoạt động tương đối Đĩa chế tạo đặc biệt giúp cho có khả lưu trữ tốt, an tồn khơng bị “nhão” (nhả từ) thiết bị đọc ghi từ tính khác (tuy nhiên có số loại đĩa từ sản xuất khơng đạt tiêu chuẩn qua thời gian có tượng bị “nhão”) Đĩa phủ vật liệu từ hai mặt (môi trường lưu trữ thực) bao bọc lớp vỏ bảo vệ Sau hoàn tất đánh bóng, đĩa xếp chồng lên ghép nối với mơtơ quay; có số loại đĩa cứng có đĩa từ Trước chồng đĩa lắp cố định vào khung, cấu đầu từ ghép vào đĩa Các đầu đọc ghi Trước đầu đọc/ghi ổ đĩa cứng thường chế rao ổ đĩa mềm, lõi sắt mềm cộng với đến 34 (hoặc hơn) vòng dây đồng mảnh Các đầu từ có kích thước lứon tương đối làm hạn chế số rãnh có mặt đĩa mà hệ thống chuyển dịch đầu từ phải khắc phục Hiện nay, thiết kế đầu từ loại bỏ kiểu quấn dây cổ điển mà dùng loại đầu từ màng mỏng Nó chế tạo giống vi mạch dùng cơng nghệ quang hóa Do kích thước nhỏ nhẹ nên độ rộng rãnh ghi nhỏ thời gian dịch chuyển đầu tư nhanh Trong cấu trúc tổng thể, đầu đọc/ghi gắn vào cánh tay kim loại dài điều khiển môtơ Các vi mạch tiền khuếch đại đầu từ thường gắn vi mạch in nhỏ nằm dịch chuyển đầu từ Toàn cấu trúc bọc kín hộp đĩa Hộp đậy kín nắp kim loại có gioăng lót Bộ dịch chuyển đầu từ: Nhiều loại đĩa cứng sử dụng mơtơ [I]cuộn dây di động (voice coil motor) gọi môtơ cuộn dây quay (rotary coil) servo để điều khiển chuyển động đầu từ Các môtơ servo có kích thước nhỏ, nhẹ thích hợp với ổ cứng nhỏ gọn có thời gian truy cập nhanh Thách thức lớn việc điều khiển đầu tư giữ cho tâm rãnh mong muốn Nói cách khác nhiễu loại khí động học, hiệu ứng nhiệt đĩa từ biến thiên dòng điều khiển mơtơ servo gây nên sai số việc điều định vịi đầu từ Vị trí đầu từ phải ln ln kiểm tra điều chỉnh kịp thời để đảm bảo vị trí rãnh thật xác Q trình hiệu chỉnh đầu từ theo rãnh gọi phương pháp servo đầu tư Cần có thơng tin để so sánh vị trí thực vị trí mong muốn đầu tư Thông tin servo dành riêng (Dedicated servo information) ghi mặt đĩa từ dự trữ Thông tin servo nhúng (Embedded servo information) lại mã hoá thành chùm liệu ngắn đặt sector Hệ thống servo sử dụng lệch pha xuung tín hiệu rãnh kế cận để xác định đầu từ có đặt rãnh hay khơng.[/I] Mơtơ trục quay Một yếu tố xác định chất lượng ổ cứng tốc độ mà đĩa từ lướt qua đầu đọc/ghi Đĩa từ lướt qua đầu từ với tốc độ cao (ít 3600 vòng/phút) Mơtơ trục (spindle mơtơ) có chức làm quay đĩa từ Mơtơ trục loại mơtơ khơng có chỗi quét, chiều cao thấp, dùng điện chiều, tương tự môtơ ổ đĩa mềm Khi môtơ cấp điện, từ trường tạo dây môtơ Khi điện cắt, lượng từ trường lưu trữ cuộn dây mơtơ giải phóng dạng xung điện ngược [I]Kỹ thuật Hãm động (dynamic braking) sử dụng lượng xung điện ngược để làm dừng đĩa lại.[/I] Các mạch điện tử ổ cứng Nhìn thẳng vào ổ cứng phận mà thấy bo mạch điều khiển Ổ đĩa cứng điều khiển mạch điẹn tử tương đối phức tạp Mạch điện tử gắn khung chứa hoàn tồn mạch cần thiết để truyền tải tín hiệu điều khiển liệu với giao diện vật lý riêng, điều khiển đầu đọc/ghi, thực đọc/ghi theo yêu cầu để quay đĩa từ Mỗi chức kể phải thực hoàn hảo với độ xác cao Bo mạch điều khiển bao gồm chip controller, chip input/output IO, nhớ đệm cho ổ cứng (HDD cache), ổ cắm nguồn 5+ 5- 12- 12+, chân cắm chuẩn IDE 39/40 chân Đối với hệ ổ cứng trước nhớ đệm thấp có từ 512kb trở xuống với hệ ổ cứng đại sau số lượng cache cao từ 1Mb trở lên Trong bo mạch ổ cứng motor , chip controller nhớ đệm đóng vai trò quan trọng Bộ nhớ đệm cao tốc độ truy xuất liệu ổ cứng nhanh nhiều vấn đề sai sót liệu thấp Tương tự , tốc độ quay motor khả điều khiển controller không phần quan trọng, tốc độ ổ cứng (rpm - revolution per minute - số vòng phút) cao tốc độ truy xuất liệu nhanh Các khái niệm ổ cứng: Rãnh (track) Cung từ (Sector) Xi lanh (Cylinder) -Track (rãnh) : Có thể coi mặt đĩa cứng trường hai chiều: cao rộng Theo kiểu hình học liệu ghi vào vòng tròn đồng tâm, phân bố từ trục quay tới rìa đĩa Mỗi vòng đồng tâm đĩa gọi track Thơng thường,mỗi đĩa có từ 312 đến 2048 rãnh Track tập hợp bao gồm số sector định dung lượng track khác có độ lớn từ ngồi (Track 0>track >track >…>track N>track N+1) Sector (cung từ): Mỗi track vòng tròn liệu có tâm tâm trục quay đĩa từ Một track chia thành nhiều cung, người ta gọi cung sector (cung từ) Sector vùng vật lý chứa liệu nhỏ ổ cứng kể đọc ghi Thơng thường sector chứa 512 byte liệu (US Windows) Mỗi track chia thành lượng sector định Tuy nhiên, track bên ngồi lớn track phía (gần trục) vào sâu track phía dung lượng mà sector chứa thấp Cấu trúc sector : -Sector header (thông tin bản) : lưu trữ thông tin vị trí đầu đọc , cylinder, số thứ tự vật lý sector Nó đảm nhận ln nhiệm vụ xác định sector có sử dụng hay không sector lưu liệu thay cho sector Thông tin cuối mà sector header cung cấp giá trị việc kiểm tra lỗi liệu tuần hồn (hay gọi lỗi chẵn lẽ CRC), giá trị giúp cho chương trình xác định sector header có xác hay khơng -Góc rỗng (GAP) : sector có mặt góc rỗng cần thiết Góc rỗng cung cấp cho đầu đọc/ghi khoảng thời gian định để chuyển từ việc đọc liệu sector sang ghi liệu Khi đọc liệu, đầu từ bỏ qua góc rỗng -Dữ liệu: Thông thường ta format đĩa cứng duới Windows DOS sector chứa 512 byte liệu Phần cuối vùng liệu chứa thông tin mã sửa lỗi (ECCs), dùng cho việc phát sửa lỗi - Góc rỗng mở rộng (Inter-GAP): Có khác “Góc rỗng” “Góc rỗng mở rộng” (GAP Inter-GAP) ? Góc rỗng cung cấp cho đầu từ khoảng thời gian định đễ đầu từ chuyển đổi từ việc “đọc liệu ” sang “ghi liệu” sector Còn Góc rỗng mở rộng cung cấp cho đầu đọc khoản thời gian định để đầu đọc chuyển từ việc “ghi sector này” sang “đọc sang sector kết tiếp” Tương tự Gócrỗng, đọc liệu đầu đọc bỏ qua Góc rỗng mở rộng -Cylinder bao gồm track có chung tâm đồng trục nằm mặt đĩa từ -Số sector track: sản xuất đĩa cứng nhà sản xuất ghi rõ ràng thơng số liên quan đến ổ cứng có phần số sector track (sector per track) Những ổ cứng đại ngày sử dụng nhiều kích cỡ khác track Ổ cứng ghi đọc theo nguyên tắc từ vào mặt đĩa từ Các track nằm ngồi có nhiều khơng gian cho sector track nằm sâu bên (gần tâm đĩa từ) Do phần liệu nằm sector track ổ cứng truy xuất nhanh Đầu đọc (head) motor trợ động (servo-motor): Trên mặt đĩa từ ổ cứng có đầu đọc (head) riêng biệt đầu đọc có vai trò đọc/ghi liệu lên bề mặt đĩa từ Trước loại ổ cứng cũ sử dụng loại motor dịch chuyển (step-motor) để di chuyển đầu đọc Loại motor làm tốn nhiều thời gian mau hư ngày người ta khơng sản xuất loại ổ cứng mà thay vào loại ổ cứng thiết kế “motor trợ động” (servo-motor) có cấu trúc đơn giản motor dịch chuyển nhiều thời gian dịch chuyển nhanh đồng thời bị hư hại Motor trợ động đóng vai trò quan trọng việc đọc ghi đầu đọc Tốc độ motor trợ động phải đồng với tốc độ motor (motor quay đĩa từ) khơng khơng thể đọc xác liệu Cấu trúc motor trợ động đơn giản không motor thông thường mà đơn phận chuyển động có giới hạn góc quay định Motor trợ động khung có quấn cuộn cảm phát sinh lực từ để chuyển động nam châm có lực hút mạnh gắn vào khung điều khiển đầu đọc Ở trạng thái binh thường không hoạt động motor trợ động tự động đưa đầu đọc vào khoang trống, khoảng khơng trống có khung bảo vệ bên đĩa từ, để tránh rủi ro tối đa cho đầu đọc cực nhỏ gắn cần đọc Bên ổ cứng môi trường chân khơng hồn tồn chống ẩm Giữa đầu đọc mặt đĩa từ có khoảng khơng gian cực nhỏ nói siêu nhỏ Ở tơi xin khẳng định lại “ở mặt đĩa từ đầu đọc khoảng không gian siêu nhỏ môi trường chân không bên ổ cứng” “giữa ổ cứng đầu đọc có lớp đệm khơng khí lớp đệm từ trường” số báo sách đề cập đến Tốc độ motor quay đĩa từ cao quay tạo gió ta mở nắp đậy ổ cứng ra, có khơng khí bên ổ cứng đĩa từ quay với tốc độ cao tạo gió làm rung thổi bay ln đầu đọc đồng thời khơng khí có nhiều bụi bẩn mặt đĩa từ phải ln ln bóng Do bên ổ cứng phải mơi trường chân không Ổ cứng thiết bị lưu trữ liệu từ tính, đầu từ đọc ghi từ tính mặt đĩa từ có độ nhạy từ cao khơng thể đầu đọc đĩa từ lại có thêm lớp đệm từ trường “xe lửa cao tốc” Tốc độ quay motor (motor quay đĩa từ) : Thơng thường loại đĩa cứng có tốc độ quay từ 5200rpm đến 7200rpm Khơng thị trường có loại ổ cứng chuyên dụng “đụng nóc” với khả có tốc độ đến 10000rpm Tốc độ quay giữ vai trò thiết yếu đến tốc độ truy xuất liệu ổ cứng, quay nhanh đọc ghi nhanh đồng nghĩa ổ cứng kêu to mau nóng Khi ổ cứng nóng lên (có nghĩa đĩa từ nóng lên theo) làm cho lực từ bị hao hụt “nhiễu” lúc liệu đọc ghi có nhiều vấn đề Với loại ỗ cứng có tốc độ cao nhà sản xuất ln khuyến cáo người tiêu dùng nên trang bị thêm quạt giải nhiệt để kéo dài tuổi thọ liệu ổ cứng Nhờ có tốc độ cao mà ổ cứng hệ sau có khả đọc hết tất sector track vòng quay Tốc độ motor quay đĩa từ luôn số , bị thay đổi có nghĩa ổ cứng khơng thể sử Thời gian tìm, thời gian chuyển đầu đọc thời gian chuyển cylinder: Cách tổ chức liệu ổ cứng cách tổ chức liệu có tính liên tục controller phát lệnh seek (tìm kiếm) controller chờ đầu đọc khoảng thời gian định để đầu đọc tìm track,sector Thời gian gọi thời gian dùng để xác định vị trí (tìm kiếm sector,track) Tuy nhiên số ổ cứng (đặc biệt chuẩn SCSI ) thực thi lệnh seek khơng xác Bộ controller ỗ đĩa đưa đầu đọc đến sector track gần đến vị trí xác định khơng di chuyển đầu đọc mà để yên Vì “cách lưu trữ liệu ổ cứng có tính liên tục” nên thời gian để đầu đọc chuyển từ sector sang sector từ track sang track kết tiếp nhanh ngược lại đọc sector track sang sector 13 track nhiều thời gian ! Chính điều mà thời gian tìm file ổ cứng có dung lượng nhỏ nhanh ngược lại Thời gian chuyển cylinder thời gian để đầu đọc chuyển từ track sang track khác Thời gian tính theo đơn vị mili-giây (ms) Thời gian tìm sector track xác định (Rotational latency) hay gọi “góc trễ quay”: đầu đọc tìm track xác định, controller tiếp tục thực việc tìm sector track Lúc đầu đọc không di chuyển mà đứng yên lúc đĩa từ quay liên tục đầu đọc xác định vị trí sector mà cần tìm Thời gian để làm công vịêc gọi “Thời gian tìm sector track xác định“ Rotational latency Tốc độ ổ cứng nhanh thời gian tìm sector track Thời gian trung bình mà đầu đọc tìm sector xác track 4ms(7200rpm) đến 6ms(5400rpm) Thời gian truy cập liệu (Data Access time) : Thời gian truy cập liệu tổng thời gian tìm kiếm, chuyển đầu đọc tìm sector track xác định Nói controller phải xác định vị trí để đưa đầu đọc đến vị trí cylinder cần tìm Sau liệu đọc ghi cần thêm thời gian để chuyển đầu đọc để tìm track cuối sau xác định track phải tốn thêm thời gian cho việc tìm sector track Đây chì phần nhỏ "cấu trúc vật lý HDD" post tiếp sau lão thơng cảm cho tơi tí ;;-) :-P Cluster (chỉ dành riêng cho FATx File System): đơn vị lưu trữ định đĩa từ Cluster bao gồm nhiều sector Không gian lưu trữ ổ cứng xác định dựa cluster, cho dù file (hoặc phần file) chiếm dụng phần tồn khơng gian cluster điều coi sử dụng phần không gian ổ cứng Hiếm dung lượng file vừa tổng dung lượng số cluster Nói thơng thường cluster cuối lưu trữ phần liệu file thường chứa không gian trống không dùng đến mà người ta thường gọi “không gian rỗng” phần cuối cluster Ta thử làm phép tính đơn giản để minh hoạ vấn đề này: Cho cluster = KB; ta có file test.txt dung lượng 14 KB ta lưu file test.txt xuống đĩa cứng file tách thành cluster : Cluster -> 4KB Cluster -> 4KB Cluster -> 4KB Cluster (cluster cuối cùng) ->lưu trữ 2KB lại 2KB bị bỏ trống 2KB bỏ trống không thuộc file nào, không lưu liệu cluster định thuộc file test.txt khoảng khơng gian rỗng hay nói khác “chúng ta phí phạm khoảng không gian ổ cứng” - điểm khác tiến hệ FAT File System mà chúng tơi nói đến phần hệ thống file OS phần sau Mặc dù rõ ràng mà người ta nhận từ cluster đáng kể, làm tăng hiệu làm việc ổ cứng giúp hệ điều hành quản lý file tốt nhiều so với việc bắt hệ điều hành ổ cứng phải làm việc cấp độ sector Lost cluster: thông thường bạn dùng chương trình sửa ổ cứng scandisk/ndd (chạy FATx File System) bạn nhận thông báo “Lost cluster found! Fix it ?” Thật trong ổ cứng đọc ghi liệu, hệ điều hành có vai trò mở file/tạo file (open/assign file) sau tiếp tục phát lệnh để ổ cứng ghi phần liệu vào cluster định cuối lệnh đóng file (close file) Tuy nhiên đơi có số trường hợp ổ cứng ghi liệu vào cluster định bất ngờ bị điện kết thúc trình ghi liệu lại khơng thực q trình đóng file, cluster công nhận “đã sử dụng” lại không thuộc file Trong trường hợp chương trình sửa đĩa ghi thơng tin mà các cluster lưu trữ file để backup lại liệu có giá trị bị Chain (chỉ dành riêng cho FATx File System): lúc liệu file ghi cluster liên tiếp (1,2,3,4…n) Do cluster định sử dụng OS cố gắng tìm đến cluster kế tiếp tìm cluster trống để ghi liệu vào Việc liệu file (hoặc phần) ghi rải rác mà khơng có liên tục cluster gọi “một chuỗi cluster” (chain) việc OS dịnh dạng bảng FAT gọi “định dạng chuỗi FAT” Lost chain tương tự lost cluster khác nguyên chuỗi cluster bị khai báo nhầm sử dụng Bộ đệm ổ cứng (HDD Cache): Hiện nhà sản xuất ngày nâng cao tốc độ ổ cứng chắn tốc độ truy xuất liệu ổ cứng khơng nhanh RAM (Random Access Memory - nhớ truy xuất ngẫu nhiên) Để giảm bớt phần khoảng cách đó, nhà sản xuất phần cứng phần mềm tạo đệm ổ cứng (disk cache) Bộ đệm ổ cứng sử dụng phần RAM để lưu trữ thông tin thường xuyên ứng dụng truy nhập Chính việc lưu trữ thơng tin RAM, đệm giúp tốc độ truy xuất liệu nhanh giúp kéo dài tuổi thọ ổ cứng Nguyên tắc hoạt động đệm đơn giản: liệu thường xuyên truy nhập lưu trữ RAM có ứng dụng yêu cầu truy cập liệu liệu lấy trực tiếp từ RAM không cần ổ cứng phải làm cơng vịêc như: quay đĩa, xác định vị trí đầu đọc, tìm kiếm… Có kiểu đệm ổ cứng chính: -Bộ đệm “mềm” (Software disk caches): sử dụng phần nhớ máy (PC RAM – main memory) để truy xuất lưu trữ tạm thời phần liệu ổ cứng Loại đệm chương trình tao quản lý không cần đế phần cứng hỗ trợ đặc biệt VCACHE ví dụ thực tế đệm mềm -Bộ đệm “cứng” (on-board disk caches): sử dụng nhớ điều khiển cache thiết kế board mạch ổ cứng Mặc dù khơng sử dụng phần RAM nhớ (computer RAM) để làm cơng việc lưu trữ tạm thời chúng có dung lượng thấp (128KB->2MB cá biệt lên đến 4MB) đắt tiền -Bộ đệm “riêng” (disk caching controllers): tương tự đệm cứng, đệm riêng sử dụng nhớ riêng (có cấu trúc khác RAM) nhớ điều khiển mà đệm sử dụng nhớ chíp điều khiển gắn riêng rẽ card điều khiển board mạch ổ cứng lẽ dĩ nhiên giá thành chúng đắt Tuy nhiên, đệm riêng lại hoạt động tốt nhanh nhiều so với đệm cứng vượt qua số giới hạn phần ổ cứng mà đệm cứng bị ảnh hưởng -Buffers : không dịch hẳn từ buffer mà để nguyên buffers cache có điểm giống Có nhiều tài liệu biên dịch nguyên hoàn tồn khơng phân biệt khái niệm “cache” “buffers” mà lại để nguyên “bộ đệm” – khơng xác! Vậy cache buffers có khác giống ? Có điểm giống cache buffers “chúng nhớ đệm có tác dụng lưu trữ tạm thời số liệu ổ cứng nhằm tăng tốc tốc độ truy xuất liệu tăng tuổi thọ cho ổ cứng” điểm khác chúng : Cache có tốc độ cao nhiều so với buffers Cache phải cần đến điều khiển cache - “cứng” cần phài có chíp điều khiển, “mềm” phải cần phần mềm điều khiển – buffers chíp nhớ đơn giản khơng cần điều khiển riêng Buffers gặp nhiều giới hạn trình giao tiếp chuyển đổi liệu khả quản lý liệu Khi lưu trữ liệu tạm thời, buffer lưu trữ lúc track muốn tìm sector track hệ điều hành lại phải tiếp tục tìm kiếm track mà buffer cung cấp - chậm hẳn so với cache Những điều cần ý đến Cache : bạn ngạc nhiên chúng tơi nói “ổ cứng có cache lớn khơng có nghĩa truy xuất liệu nhanh ổ cứng có cache nhỏ (hai loại có tốc độ dung lượng)” Nói điều cũngkhơng có bất thường lắm, cache nhớ tốc độ truy xuất nhớ làm cache nhanh tốt , tuỳ thuộc vào mức độ thơn minh khả quản lý “chíp điều khiển” (cache controllers chip) cuối tổ chức nhớ làm cache (cho phép đọc/ghi liệu tuỳ ý đọc ghi từ đầu đến cuối) Tuy nhiên tác dụng cache giảm nhiều ổ cứng defragment (phần chúng tơi nói kỹ phần Cấu trúc File System) Ở chúng tơi xin nói thêm chút VCACHE : Windows có driver ảo gọi VCACHE có nhiệm vụ quản trị nhớ đệm cho ổ cứng VCACHE thay cho “bộ đệm mềm” DOS version Windows trước (thường gọi SmartDrive) VCACHE có khả thay đổi nhanh dung lượng nhớ mà sử dụng, điều mà trình quản lý đệm DOS làm Khi đĩa cứng hoạt động liên tục (chép file đọc file lớn) việc truy cập nhớ lại thấp tự động điều chỉnh kích thước đệm (tăng lên) cho phù hợp để RAM chia sẻ bớt phần công việc đĩa cứng Nguợc lại, ổ cứng hoạt động (ít truy xuất liệu) RAM lại liên tục có lệnh truy xuất (khi chạy ứng dụng tính tốn cao cấp) tự động điều chỉnh kích thước đệm ( giảm xuống) để có dung lượng RAM tối đa cho ứng dụng tính tốn VCACHE hồn tồn có khả tạo file cache (còn gọi swap file) ổ cứng mạng (98,Me) Nó sử dụng trình “đọc trước – ghi từ cache xuống” (read-ahead and write-behind caching) VCACHE ví dụ điển hình “bộ đệm mềm” (software disk cache) Đọc trước (read-ahead) : phương pháp xem xét thử phần liệu ứng dụng yêu cầu truy xuất đọc vào nhớ, ln ln kích hoạt máy vi tính trạng thái nghỉ ngơi (Standby) hoạt động (Idle) Kết phương pháp giảm nhiều chuyển động đầu đọc đĩa cứng hoạt động êm (không đọc nhiều nên không gây tiếng ồn) Ghi từ cache xúông (write-behind caching): cho kết tuơng tự bao gồm ln cơng việc giữ phần liệu cache để chúng đuợc ghi xuống đĩa cứng hoàn toàn máy vi tính nghỉ ngơi (shutdown) Một vấn đề với phương pháp “nếu máy tính điện đột ngột phần liệu chưa ghi từ cache xuống ổ cứng trắng khơng tìm lại cache dạng nhớ cần nguồn nuôi” B.Tổ chức liệu đĩa cứng : Ở xin khẳng định rõ quan điểm “tổ chức liệu (hay gọi tổ chức liệu cấp thấp)” đĩa cứng để phân biệt rõ ràng với “tổ chức liệu cấp cao” ổ cứng hệ thống file (file system) OS cài đặt ổ cứng tổ chức mà số tài liệu nói chung chung “tổ chức liệu ổ cứng” Tổ chức liệu đĩa cứng cách xếp phần tử/đơn vị lưu trữ liệu mức thấp mà nhà sản xuất quy định đồng thời giá trị đo lường ổ cứng tuân thủ theo nguyên tắc riêng Các đơn vị đo lường ổ cứng tính theo nguyên tắc sau : Bit đơn vị lưu trữ liệu nhỏ lưu trữ hai giá trị byte = bit; Kbyte = 1024 byte; Mbyte = 1.000.000 byte; Gbyte = 1000 Mbyte = 1.000.000.000 byte; Tbyte = 1000 Gbyte=1.000.000 Mbyte=1.000.000.000 byte; Cách thức tổ chức liệu cấp thấp ổ cứng: trình bày phần byte gồm nhiều bit sector bao gồm nhiều byte, track bao gồm nhiều sector cylinder bao gồm nhiều track đồng trục Ngoài chúng tơi có nhắc đến vấn đề “tổ chức liệu kiểu liên tục” phần trên, thật đơn vị lưu trữ liệu ổ cứng (tính từ đơn vị lưu trữ liệu nhỏ nhất) chuỗi dài đơn vị bit từ chỗ đầu đọc bắt đầu đọc ghi điểm cuối mà đầu đọc đọc/ghi Cả chuỗi liệu bao gồm giá trị (tính theo đơn vị lưu trữ bit) cách tổ chức đơn giản hay nói cho có tính khoa học tổ chức liệu cấp thấp ổ cứng Để vấn đề trở nên mạch lạc dễ hiểu xin minh hoạ đĩa cứng với “cái thước dây thợ may” Bây bạn bắt đầu liên tưởng rồi, thay thước dây có đơn vị nhỏ 1mm bạn cho bit Bây bạn lấy khúc gỗ tròn để đại diện cho trục ổ cứng từ từ quấn thước dây quanh trục hết Lúc bạn thấy sợi dây dài quấn thành nhiều vòng quanh trục, vòng tròn lớn nằm nhỏ nằm Bạn gọi vòng track, gọi cung vòng sector đếm số mm vòng bạn biết vòng dài mm từ biết số bit vòng nhận vòng ngồi lớn độ dài (dung lượng) cao vòng Và chúng tơi nói bạn phải liên tưởng , qua ví dụ thực tế thước dây bạn hiểu tỗ chức liệu cấp thấp ổ cứng ! PS: Tiếp theo : Phương pháp truy xuất liệu, thông tin controller, chuẩn giao tiếp, nói ATAPI,SCSI,IDE,Serial ATA , so sánh hiệu Tổ chức luận lý PC: Hệ điều hành luôn phải làm cơng việc quan trọng tổ chức tìm kiếm liệu đĩa cứng Đối việc việc tổ chức tìm kiếm đĩa từ độ tương tác hệ điều hành đĩa cứng lại phải thật mật thiết ! Khác với việc đọc đĩa CD (chỉ cho phép đọc) , hệ điều hành quan tâm đến việc xem lại tổ chức liệu CD bị thay đổi hay khơng Để tăng tốc tính hiệu cho việc truy xuất byte liệu đặc thù đĩa từ, hệ điều hành phải xây dựng cấu trúc thư mục mục diễn giải mà chiếm dụng, phần free phần không nên sử dụng nhằm tránh lỗi vật lý cho đĩa từ Kiểu thơng tin ổ đĩa gọi “định dạng luận lý” (ở sử dụng từ “ổ đĩa” để minh họa khác biệt “nguyên ổ cứng” partition ổ cứng nhằm tránh lầm lẫn khái niệm dễ lẫn lộn) Để lấy vị trí vùng đĩa cứng, điều khiển ổ cứng sử dụng đầu đọc mặt đĩa khác , vị trí track, vị trí sector PC phải định vị trí “ổ đĩa” theo cách tương tự Tuy nhiện điều bất tiện cho hệ điều hành giao tiếp với đĩa cứng ngôn ngữ mà điều khiển hiểu Ví dụ đơn giản số sector, số track số mặt từ đĩa cứng đề khác (khác loại) Chính lẽ mà hệ điều hành phải xác định liệu dựa dãy số liên tục có hệ thống cho phép lưu trữ thông tin phần ổ cứng Để giảm tải cho đầu đọc hệ điều hành phải giám sát ổ cứng cấp độ sector, lớp cao mà hệ điều hành phải làm việc cần chuỗi nhiều sector gọi clusters Số lượng sector cluster phục thuộc vào dung lượng ổ cứng xác định ổ đĩa định dạng Hệ điều hành tổ chức thành “ổ đĩa luận lý” thành vùng chính: vùng hệ thống vùng liệu Vùng hệ thống bao gồm sector để boot (boot sector), bảng hệ thống thông tin file (FAT) thư mục gốc Vùng liệu dùng để chứa file folder Boot-sector: nơi lưu trữ boot record Nó sector vật lý đĩa mềm (sector 0) sector khởi đầu ổ đĩa luận lý (một phân vùng đĩa cứng định dạng) Boot sector xác định cấu trúc ổ đĩa (sector size , cluster size…) Nếu ổ đĩa boot , chứa theo chương trình khởi động hệ điều hành C.Disk controller , phương pháp truy xuất liệu chuẩn giao tiếp đĩa cứng: Bộ điều khiển ổ cứng (disk-controller) nắm giữ toàn quyền điều khiển ổ cứng Nó cho phép CPU ổ cứng làm việc tốt với Có nhiều chuẩn giao tiếp đời phát triển để xác định nguyên tắc làm việc ổ cứng CPU Những chuẩn đại diện cho chuẩn thông dụng thường sử dụng điều khiển ổ cứng: -ST-506/412 : tiêu chuẩn giao tiếp phát triển hãng Seagate sử dụng vào thời kì máy IBM sơ khai Chuẩn ngày hoàn toàn thay chuẩn nhanh IDE,EIDE SCSI -Enhanced Small Device Interface (ESDI): giao diện điều khiển ổ cứng phải cần thiết bị trợ giúp riêng biệt Là chuẩn thay cho ST-506/412 nhiên lỗi thời bị đàn em IDE,EIDE SCSI thay -Small Computer System Interface (SCSI): thường gọi vui “skuzzy” (từ chữ SCSI mà ra) Là loại chuẩn giao tiếp thường dùng để kết nối PC đến thiết bị khác ổ cứng, máy in, scanner CD-ROM Hầu hết card SCSI không cần phải biết kiểu thiết bị mà liên kết mà cần biết điều “thiết bị làm việc với SCSI” Ta kết nối lên đến thiết bị SCSI chung với kết nối chúng đế cổng (port) SCSI máy vi tính, cấu hình thường gọi “dây chuyền bậc nhất” (daisy chain) -Intergrated Drive Electronics (IDE): giao diện điều khiển ổ cứng kết hợp với điều khiển điện tử board ổ cứng Giao tiếp EIDE phát triển gần IDE IDE kết hợp chặt chẽ hoạt động trước thuộc quyền của card điều khiển riêng tích hợp trực tiếp vào bên ổ cứng (nằm board) Kết ổ cứng IDE sử dụng kết nối IDE bo mạch chủ mà không cần đến bus slot Máy vi tính cần IDE card bo mạch chủ khơng tích hợp kết nối IDE Card IDE cung cấp kết nối vật lý thơng qua bus slot cung cấp thêm chức điều khiển Một ổ cứng IDE chứa cao 528 MB liệu Với chuẩn giao tiếp hơn, Enhanced IDE (EIDE), ổ cứng chứa đến 8.4 GB Những ổ cứng IDE có dung lượng vượt 504MB đôi lúc phải cần đến phần mềm chuyên biệt Ontrack’s Disk Manager Micro House’s EZ-Drive, có nhiều máy vi tính khơng có BIOS controller hỗ trợ ổ cứng IDE dung lượng lớn -Extended Intergrated Drive Electronics (EIDE): chuẩn gọi “Enhance IDE”, chuẩn giao tiếp gíup cho điều khiển ổ cứng kết nối nhiều thiết bị lưu trữ ( ổ cứng dung lượng lớn, CD-ROM băng từ) với máy tính EIDE bước phát triển chuẩn IDE Trong chuẩn có ST-506/412 ESDI khó chịu với ổ cứng phải cần điều khiển riêng biệt Những chuẩn không đơn khác biệt chỗ dung lượng mà truy xuất mà tốc độ chúng Ví dụ ST-506/412 truyền khoảng 5-7.5 megabit/giây EIDE truyền đến 16.6 megabit/giây Ổ cứng SCSI ổ cứng có tốc độ nhanh chuẩn ổ cứng điều khiển SCSI (hoặc host adapter) có CPU riêng để quản lý việc truyền nhận liệu công việc thiết bị liên quan mà không cần giúp đỡ CPU hệ thống Hệ thống bạn chạy nhanh nhiều CPU khơng cần phải quan tâm đến việc truyền tải mà dành sức cho công việc khác (đây lý khíên cho thiết bị chuẩn SCSI luôn mắc tiền chuẩn khác) Thêm ổ cứng SCSI không cần phần bảo vệ không mắc phải lỗi dịch sector (điều mắc phải ổ cứng EIDE) Ổ mềm sử dụng giao tiếp điều khiển chậm từ lúc mà chúng xuất Ổ mềm truyển nhận đựơc cao 500 kbit/giây thơng thường 350kbit/giây Ổ CD-ROM sử dụng chuẩn EIDE,SCSI số chuẩn khác Những card adapter (tiếp hợp - điều phối) dành cho nhiều ổ CD-ROM sử dụng tập hợp chuẩn SCSI cho thuộc thiết bị Đâu chỗ khác biệt SCSI EIDE ? Ngoài điểm khác biệt rõ trình bày phần điểm sau: -SCSI thể sức mạnh qua việc cho phép loạt thiết bị khai thác đường bus thời điểm không cần sử dụng bus thiết bị không yêu cầu Đây điểm lợi SCSI ! Trái lại so với SCSI EIDE chia thành kênh bao gồm Primary Secondary hai kênh sử dụng hai đường bus khác Tuy nhiên kênh EIDE lại chia thành cấp Master Slaver cho thiết bị gắn cáp kênh Vì thiết bị phép sử dụng đường bus mà EIDE lại khơng có khả cho phép nhiều thiết bị sử dụng đường bus lúc nên thiết bị cấp phép sử dụng bus Đây điểm hạn chế EIDE đặc biệt bạn gắn ổ cứng chung với CD-ROM kênh tốc độ giảm nhiều lý sau : ổ CD-ROM có tốc độ chậm thời gian mà CD_ROM sử dụng đường bus lâu từ việc cấp quyền sử dụng cho ổ cứng bị hạn chế dẫn đến tốc độ máy châm hẳn Đây lý giải thích việc người ta khuyên bạn nên gắn ổ cứng kênh Primary ổ CD-ROM vào kênh Secondary có từ cổ cứng trở lên tốt nên gắn ổ cứng có tốc độ tương đương với kênh Ngồi chuẩn SCSI có nhiều kiểu khác nhau: loại 8bit cần cáp 50 sợi, loại 16 bit cần cáp 68 sợi (SCSI mở rộng) Nhịp (clock) MHz (SCSI 1) , 10MHz (FAST SCSI) , 20 MHz (Fast20 – ultra SCSI) , 40 MHz (Ultra 2-SCSI) 80Mhz (Ultra 3-SCSI) Sau bảng thống kê khả truyền dẫn liệu chuẩn SCSI: -SCSI Bus Clock | bit 50 sợi -| -16 bit 68 sợi-(mở rộng)— MHz (SCSI 1) Mgbyte/s Không hỗ trợ 10MHz (Fast SCSI) 10 Mgbyte/s 20 Mgbyte/s 20MHz(Ultra SCSI) 20 Mgbyte/s 40 Mgbtye/s 40Mhz (ultra2 SCSI) 40 Mgbyte/s 80 Mgbyte/s 80MHz(ultrả SCSI) 80 Mgbyte/s 160 Mgbyte/s Trong tutorial đề cập vắn tắt công nghệ Ultra DMA/ATA/ATAPI/PIO đồng thời so sánh hiệu chúng khơng phân tích sâu Riêng với chuẩn giao tiếp Serial ATA , sâu vào khía cạnh kỹ thuật chuẩn Serial ATA đánh giá “chuẩn tương lai” Bản thân ATA/Ultra DMA/PIO không gọi “chuẩn” mà công nghệ giao diện truy xuất liệu Khi ổ cứng làm công nghệ (tuỳ theo hệ) khả truy xuất chúng khác (tương tự chuẩn SCSI chia thành nhiều loại) Cơng nghệ ATA tiền thân cơng nghệ Ultra ATA / Ultra DMA ngày ATA đời từ lúc chuẩn IDE bắt đầu lộ diện chinh phục thị trường sản phẩm lưu trữ ATA từ viết tắt Address Transfer Area - Định vị vùng truyền dẫn Ultra DMA – Ultra Direct Memory Access – Định hướng truy xuất nhớ cao cấp ATA chậm nhiều so với Ultra ATA Ultra ATA phát triển dựa tảng công nghệ Ultra DMA/33 đời nỗ lực kết hợp thiết kế Intel , Quantum , Seagate nhằm cung cấp hệ giao tiếp cho hệ thống máy tính để bàn (desktop PCs) Direct Memory Access (DMA): cho phép định hướng truyền nhận liệu trực tiếp đến nhớ hệ thống mà không cần thông qua CPU hệ thống DMA gia tăng tốc độ truyền tải cách sử dụng điều khiển DMA để quản lý liệu truyền nhận nhanh nhiều so với việc điều khiển thông qua CPU Hệ điều hành cần phải cài đặt driver tương thích DMA trước sử dụng chức DMA Bus Mastering DMA: cho phép card giao diện ,hoặc điều khiển ổ cứng, quản lý truyền nhận liệu từ ổ cứng trực tiếp đến nhớ hệ thống Những nhà sản xuất bo mạch chủ cung cấp driver bus mastering hỗ trợ điều khiển DMA card giao diện (bộ điêu khiển) tương thích với bus mastering Ultra DMA (UDMA): phiên cuối giao thức ATA Bus Mastering DMA Nó nâng tốc độ truyền tải ATA bus từ 16.6 Mgbyte/s lên 33 Mgbyte/s Cơng nghệ ATA/ATAPI có khả kiểm tra lỗi nhằm đảm bảo tính tồn vẹn cho liệu tốc độ cao Cần phải lưu ý chuẩn giao thức SCSI Ultra sử dụng giao thức bus Mastering DMA người ta quy vào Ultra DMA Điểm khác biệt Ultra DMA/ATA ATA không hẳn tốc độ việc Ultra DMA phải có driver tương thích mà thể sợi cáp loại khác Về mặt kích thước hình dáng cáp ATA Ultra ATA giống y hệt (tuy nhiên có số mainboard - hệ sau - thường làm đầu connector cáp Ultra ATA màu xanh da trời) cấu trúc lại khác Từ ATA Ultra ATA sử dụng cáp 40 sợi , sợi có lõi nối với pin; cáp Ultra DMA có 40 sợi (vì tương thích chuẩn EIDE/IDE) khác chỗ sợi lại có đến lõi bện chặt vào nối vào pin Nếu cáp ATA->Ultra ATA gồm 40 lõi lõi có nhiệm vụ truyền dẫn liệu riêng với cable Ultra DMA có đến 80 lõi 40 lõi làm chức truyền liệu 40 lõi lại nằm lõi truyền liệu làm nhiệm vụ “dây đất” tránh lỗi tồn vẹn liệu tín hiệu nhiễu gây tần số cao Trong q trình truyền nhận khơng phải lúc ổ cứng đạt hết cơng suất truyền nhận tín hiệu nhiễu ln trở ngại lớn ảnh hưởng đến trình truyền liệu cáp chuẩn Những điểm sau khiến ổ cứng phát huy mạnh nó: -Cáp cũ , dạng cáp chất lượng tháo ráp nhìêu dẫn đến cáp bị rách ngầm -Cơng suất máy thừa (công suất nguồn) tạo từ trường gây nhiễu tín hiệu Những hệ thống có nhiều ổ cứng gắn chồng lên nhau, có từ nguồn cấp điện trở lên điện trường từ hình CRT -Hệ thống bị over-clock vượt mức độ cho phép nhà sản xuất gây lỗi truyền nhận liệu Sau bảng thống kê tốc độ số công nghệ gần đây: tốc độ truyền tải lý thuyết IDE bus (ATA) DMA 16bit đơn (single word) 2.1 Mgbyte/s PIO Mode 3.3 Mgbye/s DMA (SWord) – DMA (MWord) 4.2 MgByte/s PIO mode 5.2Mgbyte/s PIO mode 2, Sword DMA 8.3 MgByte/s tốc độ truyền tải lý thuyết EIDE bus (ATA 2) PIO mode 11.1 Mgbyte/s MWord DMA 13.3Mgbyte/s PIO Mode 4, MWord DMA 16.6mgbyte/s tốc độ truyền tải lý thuyết Ultra ATA (Ultra DMA) MWord DMA 3/ Ultra ATA 33 33mgbyte/s Ultra DMA 44Mbbyte/s Ultra DMA / Ultra ATA 66 66Mgbyte/s Ultra DMA / Ultra ATA 100 100Mgbyte/s Giới thiệu Serial ATA: Serial ATA bước phát triển giao diện lưu trữ vật lý song song ATA, thay cáp chuẩn 40 sợi đầu kết nối IDE thành cáp sợi đầu kết nối SATA Công nghệ ATA song song đến đỉnh điểm nó, tiếp tục phát triển tiếp cơng nghệ số tiền chi lớn hiệu lại khơng cao đồng thời gặp nhiều khó khăn giới hạn từ thởu khai sinh Parallel ATA Điều thúc đẩy nhà nghiên cứu tìm đến giao diện hơn, cho hiệu tốt tin cậy Serial ATA hứa hẹn khả mở rộng công nghệ tảng ATA tối thiểu 10 năm Vậy đâu lợi ích Serial ATA ? Tính tương thích phần mềm : phần mềm hệ thống, thiết bị Serial ATA chẳng khác chút sơ với thiết bị xưa cũ UDMA/ATA Với phần mềm ngày nay, khơng tương thích với thiết bị cũ , Serial ATA hứa hẹn chuyển đổi không liền mạch chấp thuận nhanh chóng Cáp serial : Các thiết bị Serial ATA kết nối đến hệ thống thông qua sợi cáp không đắt (khá rẻ) cung cấp đầu nối nhỏ thích hợp cho mơi trường tiết kiệm không gian tối đa server Điều cho phép Serial ATA giảm số lượng tín hiệu từ 26 tín hiệu Parallel ATA thành tín hiệu Cáp Serial ATA cung cấp điện cho thiết bị (tuỳ chọn mặc định) Duy thiết bị cáp: Khác xa với Parallel ATA, Serial ATA bỏ hẳn việc phân chia Master Slave thay vào thiết bị cáp hệ thống công nhận thiết bị Master ATA Công nghệ truyền chuỗi liệu: Serial ATA sử dụng công nghệ truyền chuỗi 8B/10B để truyền nhận liệu thông qua serial cáp Sơ đồ bảo toàn liệu cao cấp nhanh chóng chấp nhận diện rộng sơ đồ truyền chuỗi thực tế thường dùng nhiều công nghệ GigabitEthernet Fibre Channel Đây thực giai đoạn chuyển tiếp Serial ATA thành phần việc phát triển iSCSI tương lai Điện thấp phân biệt tín hiệu: Serial ATA sử dụng điện thấp nhằm phân biệt tín hiệu (LVD) nguồn điện 250mV Nó bao gồm nguồn điện nuôi thấp cần giải nhiệt Con đường phát triển dài (10 năm nữa): Serial ATA dự định đưa hệ có khả chuyển nhận liệu lên đến 1.5Gbit/sec, 3.0Gbit/s, 6.0Gbit/s tức cho phép tốc độ truyền cho hệ lên đến 150Mbyte/s,300 Mbyte/s 600 Mbyte/s  ... biệt rõ ràng với “tổ chức liệu cấp cao” ổ cứng hệ thống file (file system) OS cài đặt ổ cứng tổ chức mà số tài liệu nói chung chung “tổ chức liệu ổ cứng Tổ chức liệu đĩa cứng cách xếp phần tử/đơn... ổ đĩa gọi “định dạng luận lý” (ở sử dụng từ ổ đĩa” để minh họa khác biệt “nguyên ổ cứng partition ổ cứng nhằm tránh lầm lẫn khái niệm dễ lẫn lộn) Để lấy vị trí vùng đĩa cứng, điều khiển ổ cứng. .. cache xuống ổ cứng trắng khơng tìm lại cache dạng nhớ cần nguồn nuôi” B.Tổ chức liệu đĩa cứng : Ở chúng tơi xin khẳng định rõ quan điểm “tổ chức liệu (hay gọi tổ chức liệu cấp thấp)” đĩa cứng để