Bài giảng Chương 7 - Bộ nhớ ngoài

Bài giảng Chương 7 - Bộ nhớ ngoài trình bày những cột mốc trong tiến trình phát triển ổ đĩa cứng; tổ chức và định dạng dữ liệu; đĩa từ; tổ chức dữ liệu trên đĩa; các đặc trưng chính; sự di chuyển của đầu đọc...

CHƯƠNG 7: BỘ NHỚ NGOÀI    50  năm  trước  đây,  ngày  13/9/1956,  chiếc  ổ  cứng  RAMAC  (1956)  –  Chiếc  ổ  cứng  máy  tính  đầu  tiên  trên  thế  giới  đã  ra  đời,  với  cấu  tạo  làm  từ  50  lớp  đĩa  có  đường  kính  tới   0,6m,  nặng  tới  1  tấn  và  chỉ  chứa   5MB dữ liệu.  Sản  phẩm  RAMAC  tích  hợp  có  chiều  rộng  gấp  đơi  2  chiếc tủ lạnh, nhưng lại khơng cao bằng và nặng 1 tấn.  RAMAC có tổng cộng 50 lớp đĩa có đường kính khoảng  0,6m với tốc độ quay trung bình đạt 1.200 /phút, nhưng  dung lượng lưu trữ chỉ có đúng 5MB, đủ để lưu một bài  hát có độ dài 5 phút được mã hố chuẩn MP3 128bit.  IBM chỉ cho xuất xưởng đúng 12 chiếc ổ đĩa RAMAC.   Ngày  nay,  chúng  ta  có  những  chiếc  ổ  đĩa  cứng  với  rất  nhiều  kích  cỡ  và  đặc  tính  khác  nhau.  Từ  chiếc  ổ  đĩa  cứng  nhỏ  nhất  thế  giới  của  Toshiba  với  kích  thước  khoảng 2cm và dung lượng lưu trữ 2GB và 4GB cho đến  những  chiếc  ổ  đĩa  cứng  dung  lượng  khổng  lồ  750GB.  Các  nhà  sản  xuất  đã  tung  ra  thị  trường  hàng  loạt  sản  phẩm  ổ đĩa cứng dành riêng cho máy chủ, máy tính để  bàn,  máy  tính  xách  tay,  máy  ghi  video,  thiết  bị  nghe  nhạc số… Bạn có thể tìm thấy ổ đĩa cứng ở bất kỳ đâu,  trong  một  chiếc  ơ  tơ,  máy  bay  hay  trong  các  ứng  dụng  quân  sư.  Bên  cạnh  đó,  giá  thành  của  ổ  đĩa  cứng  cũng  đã giảm đí một cách đáng kể. Nếu chiếc dung lượng lưu  trữ  trong  ổ  cứng  RAMAC  của  IBM  có  giá  10.000USD/MB, thì những chiếc ổ cứng ngày nay chỉ có  giá 0,03 cent/MB.  Những cột  mốc trong tiến trình phát triển ổ đĩa cứng 1956 Ổ cứng IBM RAMAC 350 với 50 lớp đĩa có đường kính 24­inch 1962 IBM sản xuất thành cơng hệ thống lưu trữ kết hợp 6  ổ đĩa cứng 14­inch,  mỗi ổ có dung lượng lưu trữ 2MB 1979 IBM sản xuất thành cơng ổ đĩa cứng 8­inch 1980 Ổ đĩa cứng 5.25­inch Winchester lần đầu tiên ra mắt. Thiết kế của loại  ổ  đĩa này đóng một vai trị quan trọng trong sự phát triển của thị trường PC 1983 Rodine ra mắt ổ đĩa cứng 10MB 3.25­inch. Kích thước ổ đĩa này hiện vẫn  là kích thước chuẩn của ổ đĩa cứng hiện nay 1988 PrairieTek  ra  mắt  ổ  đĩa  cứng  2.5­inch  20MB.  Kích  thước  của  ổ  đĩa  này  hiện là kích thước chuẩn ổ đĩa cứng dành cho laptop hiện nay 1991 Integrated  Peripherals  ra  mắt  ổ  đĩa  1.8­inch.  Loại  ổ  đĩa  này  chỉ  thực  sự  được biết đến khi Apple tung ra chiếc iPod đầu tiên khoảng 10 năm trước  1992 Hewlett­Packard ra mắt ổ đĩa cứng 1.3­inch 1999 IBM  ra  mắt  ổ  đĩa  cứng  "tí  hon"  1­inch  340MB.  Dung  lượng  loại  ổ  này  hiện đã lên tới 8GB 2004 Toshiba  thu  nhỏ  kích  thước  ổ  đĩa  cứng  xuống  cịn  0.85  inch.  Đây  được  7.1 ĐĨA TỪ    Đĩa từ là một tấm kim loại/nhựa hình trịn có bề mặt phủ vật  liệu từ tính. Dữ liệu được ghi lên/đọc ra từ đĩa thơng qua một  thiết bị gọi là đầu đọc. Trong khi có thao tác đọc/ghi, đầu đọc  đứng n và tấm đĩa quay liên tục bên dưới nó Cơ chế ghi dựa trên từ trường sinh bởi dịng điện đi qua  ống  xoắn.  Các xung  động được gửi  đến đầu đọc, sau  đó những  khn  dạng  từ  khác  nhau  ứng  với  các  dịng  điện  âm/dương  sẽ được ghi lên bề mặt đĩa ở bên dưới Cơ  chế  đọc  dựa  trên  dòng  điện  trong  ống  xoắn  vốn  được  sinh bởi sự dịch chuyển từ trường quanh nó. Khi bề mặt đĩa  đi  qua  dưới  đầu  đọc,  nó  sẽ  sinh  ra  một  dịng  điện  có  cùng  cực với dịng đã được ghi trước đó TỔ CHỨC VÀ ĐỊNH DẠNG DỮ LIỆU   Đầu  đọc  là  một  thiết  bị  tương  đối  nhỏ  có  khả  năng  đọc/ghi  từ/lên  một  phần  của  tấm  đĩa  quay  bên  dưới.  Điều  này  dẫn  đến việc tổ chức dữ liệu trên đĩa theo dạng một tập hợp các  vịng trịn đồng tâm gọi là các track (rãnh). Mỗi track có cùng  độ rộng như đầu đọc Các  rãnh  kề  nhau  được  phân  biệt  bằng  các  gap  (khoảng  trống),  nhờ  đó  ngăn  chặn  ở  mức  tối  thiểu  các  sai  sót  do  sự  canh biên khơng chính xác của đầu đọc hoặc nhiễu của các  trường điện từ. Để đơn giản hóa về mặt điện tử, mỗi track có  số bit thơng tin bằng nhau. Do đó dộ trù mật tính theo số bit  trên mỗi inch tuyến tính sẽ tăng lên khi chúng ta đi từ track xa  nhất bên ngồi vào đến track gần nhất bên trong đĩa Tổ chức liệu đĩa  Như đã đề cập đến trong các chương trước, dữ liệu  được chuyển đến và đi khỏi đĩa theo từng khối một.  Thơng thường kích thước của một khối dữ liệu nhỏ  hơn  dung  lượng  của  track.  Cụ  thể  hơn,  dữ  liệu  được  lưu  trong  các  vùng  có  kích  thước  khối  gọi  là  sector  (cung).  Trên  mỗi  track  thường  có  từ  10  đến  100  sector  dữ  liệu  và  chúng  có  thể  có  độ  dài  cố  định  hay  thay  đổi.  Để  tránh  những  sai  sót  về  độ  chính xác có thể xảy ra trong hệ thống, các sector  liền nhau được tách biệt bởi các gap liên track (liên  – bản ghi)  Với cách tổ chức như vậy, để xác định từng sector  trong track, cần phải có một điểm bắt đầu của track  cũng như cách thức nhận biết điểm bắt đầu và kết  thúc của một sector. Các u cầu này được quản lý  thơng  qua  dữ  liệu  điều  khiển  đã  được  ghi  lên  đĩa.  Do  vậy  đĩa  sẽ  được  định  dạng  với  một  số  dữ  liệu  phụ  đi  kèm  và  chỉ  được  sử  dụng  bởi  ổ  đĩa.  Người  sử dụng không thể truy cập đến những dữ liệu này  Nhằm  đẩy  kỹ  thuật  đĩa  lên  một  bước  xa  hơn,  người  ta  đã  chế  tạo  ra  ổ  đĩa  Winchester.  Các  đầu  đọc  Winchester  được  sử  dụng  trong  các  ổ  đĩa  gần  như  khơng  có  tác  nhân  tạp  chất.  Chúng  được  thiết  kế  để  hoạt động gần hơn với bề mặt đĩa. Do đó cho phép làm  tăng độ trù mật của dữ liệu trên đĩa  Đầu đọc có dạng một lá khí động học nằm trên bề mặt  đĩa khi đĩa khơng chuyển động. Áp suất khơng khí sinh  bởi đĩa xoay trịn đủ làm cho lá rút lên khỏi bề mặt đĩa.  Phần hệ thống khơng tiếp xúc với đĩa có thể được chế  tạo để sử dụng với những đầu đọc kiểu mới này THỜI GIAN TRUY CẬP ĐĨA  Khi  ổ đĩa hoạt động, đĩa quay với vận tốc không đổi.  Để  đọc  hoặc ghi,  đầu  đọc  định vị track  cần truy  cập  và tại đầu của sector cần thao tác trên track đó. Việc  chọn track bao gồm việc di chuyển đầu đọc (trong hệ  thống đầu đọc di chuyển) hay lựa chọn một cách điện  tử  một  đầu  đọc/ghi  (trong  hệ  thống  có  đầu  đọc  cố  định).   Với hệ thống có đầu đọc di chuyển được, thời gian  cần để định vị track được gọi là  thời gian tìm kiếm  (seek time). Trong hai trường hợp, khi track đã được  chọn, hệ thống chờ sector thích hợp quay đến bên  dưới  đầu  đọc.  Thời  gian  cần  thiết  để  sector  quay  đến dưới đầu đọc này gọi là  độ trễ quay (rotational  latency)  Tổng thời gian tìm kiếm và độ trễ quay được gọi là  thời gian truy cập, hay thời gian cần thiết để định vị  dữ  liệu  cần  đọc/ghi.  Khi  đầu  đọc  đã  ở  đúng  vị  trí,  thao tác đọc/ghi sẽ được thực hiện ngay khi sector  di chuyển dưới đầu đọc 7.2 BỘ NHỚ QUANG HỌC   Với sự ra đời của đĩa CD (Compact Disk) vào năm  1983, sự phát triển của công nghệ lưu trữ đĩa bằng  kỹ thuật quang học với giá thành thấp đã tiến thêm  một bước đáng kể và hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc  cách mạng hóa trong việc lưu trữ dữ liệu trên máy  tính Trong  những  năm  vừa  qua,  nhiều  dạng  hệ  thống  đĩa  quang  học  đã  được  phát  minh  và  ngày  càng  được sử dụng phổ biến trong nhiều  ứng dụng máy  tính.  BỘ NHỚ QUANG HỌC CD  CD Viết tắt của từ Compact Disk. Đây là loại đĩa  khơng  thể  xóa  được,  dùng  để  lưu  trữ  thơng  tin  âm  thanh  đã  được  số  hóa.  Hệ  thống  thơng  thường  sử  dụng  các  đĩa  có  đường  kính  12  cm  và  có  thể  dùng  để  ghi  hơn  60  phút  âm  thanh  được phát liên tục.  CD-ROM  Viết  tắt  của  cụm  từ  Compact  Disk Read­Only  Memory.  Đây  là  loại  đĩa  không  thể  xóa được,  dùng để lưu trữ dữ liệu máy tính. Hệ  thống  thơng  thường  sử  dụng  các  đĩa có  đường  kính  12  cm  và  có  thể  dùng  để  chứa  hơn  550  megabyte dữ liệu CD-I  Viết  tắt  của  cụm  từ  Compact  Disk  Interactive.  Đây  là  một  đặc  tả  dựa  trên  việc  sử  dụng  CD­ROM.  Nó  mơ  tả  các  phương  pháp  cung  cấp  âm  thanh,  video,  hình  ảnh  đồ  họa,  văn  bản,  và  các  mã  chương trình thực thi được trên CD­ROM CD-ROM  Hai  loại  đĩa  audio  CD  và  CD­ROM  sử  dụng  công  nghệ  chế tạo tương tự nhau.   Sự khác biệt chính ở đây là các thiết bị đọc CD­ROM có  khả  năng  sửa  lỗi  nhằm  bảo  đảm  dữ  liệu  được  truyền  chính xác từ đĩa vào máy tính CD-ROM (tt)  Mỗi đĩa được tạo thành từ nhựa tổng hợp, và được phủ  bởi  một  loại  vật  liệu  có  độ  phản  chiếu  cao,  thường  là  nhơm. Thơng tin cần ghi dưới dạng số hóa (có thể là âm  nhạc hoặc dữ liệu máy tính) được khắc lên bề mặt đĩa  dưới  dạng  các  chuỗi  vết  lõm  cực  nhỏ.  Cơng  việc  này  được thực hiện trước hết với một tia laser có cường độ  cao cực nhạy nhằm tạo ra một đĩa chủ. Đĩa này sau đó  sẽ được sử dụng làm khn để dập thành các bản sao.  Phần bề mặt đã bị đục lỗ của các bản sao đó sẽ được  phủ một lớp sơn trong suốt, giúp chúng khơng bị che lấp  bởi bụi bẩn CD-ROM (tt)  Thơng tin được lấy ra từ CD hay CD­ROM bằng một tia laser  có năng lượng thấp chứa trong thiết bị đọc đĩa quang hay  ổ  đĩa. Tia laser này sẽ chiếu qua lớp sơn bảo vệ trong suốt khi  bề mặt đĩa được quay trịn ngang qua nó. Cường độ của tia  sáng  phản  chiếu  lại  tia  laser  này  thay  đổi  khi  tia  laser  gặp  phải một vết lõm. Sự thay đổi đó sẽ được nhận biết bởi một  bộ dị sáng và được chuyển thành tín hiệu số  Với  cách  chế  tạo  như  trên,  một  vết  lõm  ở  gần  tâm của  một  đĩa  quay  sẽ  đi  qua  một  điểm  cố  định  (chẳng  hạn  như  một  dịng laser) chậm hơn một vết lõm ở phía ngồi của đĩa  Do vậy cần phải có một cách nào đó để bù trừ lại sự biến đổi  về mặt tốc độ, sao cho tia laser có thể đọc tất cả mọi vết lõm  với cùng một tốc độ.  CD-ROM (tt)  Thơng  tin  được  đóng  gói  đều  nhau  dọc  theo  đĩa  trong  từng  phân  đọan  có  cùng  kích  thước,  và  những  phân  đoạn này có thể được qt qua ở cùng một tốc độ bằng  cách cho quay đĩa ở những vận tốc khác nhau  Đĩa sẽ được quay chậm hơn với những truy cập xảy ra  ở  vùng  gần  cạnh  ngồi  đĩa  và  nhanh  hơn  đối  với  các  truy cập xảy ra  ở vùng gần tâm đĩa. Do đó, dung lượng  của  một  rãnh  và  độ  trễ  do  quay  đĩa  đều  tăng  lên  với  những rãnh nằm gần cạnh ngồi của đĩa  Đã có nhiều loại CD­ROM với các mật độ lưu trữ khác nhau  được chế tạo ĐĨA QUANG  Thành  tựu  gần  đây  nhất  trong  lĩnh  vực  chế  tạo  thiết  bị  lưu trữ dữ liệu dạng quang học là đĩa quang có thể xóa  được.  Loại  đĩa  này  có  thể  được  ghi  đi  ghi  lại  nhiều  lần  như  đĩa  từ  thông  thường.  Mặc  dù  có  rất  nhiều  thử  nghiệm  đã  được  tiến  hành,  cho  đến  nay  cơng  nghệ  chứng tỏ được khả năng thương mại trong việc chế tạo  đĩa quang xóa được vẫn dựa trên các hệ thống quang –  từ  Trong  các  hệ  thống này, năng lượng của một chùm tia  laser  được  sử  dụng  cùng  với  một  từ  trường  để  ghi  và  xóa thơng tin thơng qua việc làm đảo ngược các cực từ  trong một vùng nhỏ của đĩa, vốn được phủ một lớp vật  liệu từ tính. Chùm tia laser đốt nóng một vị trí được chỉ  định  cụ  thể  trên  đĩa,  và  một  từ  trường  có  thể  làm  thay  đổi  hướng  từ  tại  vị  trí  đó  khi  nhiệt  độ  tăng  lên.  Do  q  trình cực hóa từ như vậy khơng tạo nên thay đổi về mặt  vật lý của đĩa, đĩa có thể sử dụng được nhiều lần.   Q  trình  đọc  đĩa  được  thực  hiện  thơng  qua  việc  dò  hướng  từ  do  các  tia  laser  đã  được  cực  hóa  đảm  nhận.  Ánh sáng đã cực hóa phản chiếu từ một vị trí trên đĩa sẽ  thay đổi góc quay của nó tùy theo hướng của từ trường  Các loại đĩa quang xóa được có nhiều  ưu điểm so với đĩa  từ :  Dung  lượng  lưu  trữ  cao:  Một  đĩa  quang  có  kích  thước  5.25 inch có thể lưu 650 megabyte dữ liệu, trong khi đó  một  đĩa  Winchester  loại  tốt  chỉ  có  thể  lưu  phân  nửa  lượng dữ liệu đó  Tính  khả  chuyển:  Đĩa  quang  có  thể  tháo  rời  ra  khỏi  ổ  đĩa  Có  độ  tin  cậy  cao:  Kỹ  thuật  chịu  lỗi  trên  đĩa  quang  không  cần  thiết  phải  phức  tạp  như  đối  với  đĩa  từ  có  dung lượng cao. Do đó chúng đạt được độ tin cậy cao  hơn trong việc lưu trữ dữ liệu  Đĩa quang sử dụng kỹ thuật vận tốc góc khơng đổi ... đúng  vị  trí,  thao tác đọc/ghi sẽ được thực hiện ngay khi sector  di chuyển dưới đầu đọc 7. 2 BỘ NHỚ QUANG HỌC   Với sự ra đời của đĩa CD (Compact Disk) vào năm  1983, sự phát triển của công nghệ lưu trữ đĩa bằng ... đã  được  phát  minh  và  ngày  càng  được sử dụng phổ biến trong nhiều  ứng dụng máy  tính.  BỘ NHỚ QUANG HỌC CD  CD Viết tắt của từ Compact Disk. Đây là loại đĩa  khơng  thể  xóa  được,  dùng ... cung  cấp  âm  thanh,  video,  hình  ảnh  đồ  họa,  văn  bản,  và  các  mã  chương? ?trình thực thi được trên CD­ROM CD-ROM  Hai  loại  đĩa  audio  CD  và  CD­ROM  sử  dụng  công  nghệ  chế tạo tương tự nhau.