CHƯƠNG 4 : HỆ THỐNG FILE
4.11. TỔ CHỨC THÔNG TIN TRÊN BỘ NHỚ THỨ CẤP
4.11.1. Tổ chức đĩa cứng
Cấu tạo đĩa. Đĩa cứng được tạo thành từ nhiều đĩa mỏng được phủ lớp vật liệu từ tính.
Các đĩa này được gắn vào cũng một trục và được đặt trong một vỏ cứng bảo vệ. Thông tin trên các đĩa được đọc và ghi nhờ các đầu từ, mỗi đầu từ đảm nhiệm việc đọc/ghi cho một mặt của một đĩa. Các đầu từ được gắn trên các tay đỡ và có thể di chuyển từ tâm của các đĩa ra ngoài hoặc ngược lại để đọc ghi các vùng khác nhau trên đĩa. Toàn bộ các đĩa được quay nhờ một động cơ với tốc độ cao, thường là 5400, 7200, 10000, hay 15000 vịng/phút. Đĩa quay càng nhanh thì tốc độ truy cập và truyền dữ liệu càng lớn.
Tổ chức thông tin. Trên mỗi mặt đĩa, thông tin được ghi theo những đường tròn đồng
tâm, mỗi đường như vậy gọi là rãnh (track), tương ứng với một vị trí của đầu từ. Tập hợp các rãnh có cùng bán kính hay các rãnh nằm thẳng hàng với nhau tạo thành hình trụ (cylinder). Mỗi rãnh lại được chia tiếp thành các phần hình quạt gọi là cung (sector). Thơng tin được lưu
trữ trên đĩa theo từng sector. Sector cũng là đơn vị thơng tin nhỏ nhất có thể đọc hay ghi từ đĩa cứng, tức là mỗi lần đọc hoặc ghi chỉ có thể đọc một số nguyên các sector. Mỗi sector được xác định bằng cách cung cấp ba thông tin: số thứ tự đầu đọc (số thứ tự mặt đĩa), số thứ tự rãnh, và số thứ tự sector trên rãnh.
Hệ điều hành thường coi đĩa như một dãy khối nhớ logic được đánh số lần lượt từ 0, mỗi khối bao gồm một hoặc một số sector nằm liền nhau, được gọi là cluster hay đơn vị cấp
phát (allocation unit). Mỗi cluster bao gồm 2n sector (n 0), như vậy cluster nhỏ nhất chỉ
gồm 1 sector trong khi một số hệ thống sử dụng cluster có kích thước tới 128 sector. Với việc sử dụng khái niệm khối nhớ logic, toàn bộ đĩa được coi như một mảng một chiều, mỗi phần tử là một khối nhớ và vị trí khối nhớ được xác định bằng số thứ tự khối, thay vì phải sử dụng ba thông tin như với sector vật lý.
Để đọc hoặc ghi thông tin trên một sector, đầu từ cần nằm ở vị trí sector đó. Thời gian để định vị đầu từ từ vị trí hiện thời tới sector cần truy cập được chia thành hai phần. Trước tiên, đầu từ di chuyển tới rãnh chứa sector cần đọc. Thời gian để thực hiện di chuyển này được gọi lại thời gian định vị (seek time). Sau đó, cần phải chờ đĩa quay tới khi sector cần đọc
di chuyển tới vị trí của đầu từ, thời gian chờ đĩa quay như vậy gọi là thời gian trễ (rotational
latency). Như vậy tổng số thời gian chuẩn bị bằng thời gian định vị + thời gian trễ.
Hình 4.18. Hình ảnh chụp ổ đĩa cứng đã bỏ lớp vỏ bảo vệ và tổ chức thông tin trên đĩa cứng.
Trước đây, kích thước phổ biến và mặc định của sector là 512B. Hiện nay, các đĩa cứng có kích thước sector mặc định là 4KB, trong khi các thẻ nhớ USB vẫn sử dụng kích thước sector là 512B như đĩa cứng trước đây. Một số hệ thống đĩa cứng cho phép thay đổi kích thước mặc định, ví dụ thành 1024B thay cho 512B, bằng cách format lại đĩa cứng ở mức thấp. Chức năng format mức thấp đối với PC được thực hiện qua giao diện của BIOS mà người dùng có thể sử dụng trong quá trình khởi động máy. Đối với đĩa CD và DVD, kích thước sector thơng thường là 2KB.
Format đĩa ở mức thấp và cấu trúc sector. Trước khi sử dụng, đĩa cứng cần được
format ở mức thấp hay còn gọi là format ở mức vật lý. Công đoạn này thường được nhà sản xuất thực hiện luôn, tuy nhiên một số đĩa cứng cho phép người sử dụng tự format mức thấp lại với các thay đổi về số lượng rãnh hay kích thước của sector.
Format mức thấp là quá trình phân chia đĩa thành các sector và điền vào sector một số thông tin mà bộ điều khiển đĩa sẽ sử dụng khi đọc/ghi thông tin. Thông thường, mỗi sector sẽ có phần đầu, phần đi, và phần giữa chứa dữ liệu kích thước 512B hoặc thay đổi theo tham số được đặt khi format. Phần đầu và đuôi chứa thơng tin mơ tả sector, trong đó quan trọng nhất là số thứ tự sector và mã sửa sai. Số thứ tự của sector được sử dụng để xác định sector trên mỗi rãnh. Mã sửa sai được sử dụng để kiểm tra tính đúng đắn và tồn vẹn của dữ liệu ghi trên sector, cũng như cho phép khơi phục dữ liệu trong trường hợp có hư hỏng nhẹ. Sau mỗi thao tác ghi dữ liệu, bộ điều khiển đĩa sẽ tính lại mã sửa sai từ nội dung mới của sector và cập nhật lại thông tin này vào phần đuôi sector. Khi đọc, bộ điều khiển tính tốn lại mã sửa sai từ dữ liệu đọc được từ phần dữ liệu của sector và so sánh với mã sửa sai lưu ở đi. Nếu mã tính được khơng trùng với mã đã lưu thì nội dung phần dữ liệu đã bị sai lệch và sector sẽ bị đánh dấu là sector hỏng. Mã sửa sai được thiết kế sao cho bộ điều khiển đĩa có thể dùng để khôi phục dữ liệu bị hỏng nếu như số lượng dữ liệu hỏng không quá nhiều.
Phân hoạch đĩa và format mức cao. Sau khi đã format ở mức thấp, trước khi có thể sử
dụng, đĩa cứng còn được phân chia thành các đĩa logic hay còn gọi là phân hoạch (partition) và được format ở mức cao. Hai công đoạn này do hệ điều hành thực hiện.
Phân hoạch là phân chia đĩa cứng thành các phân vùng (partition) gồm các cylinder nằm liền nhau, mỗi vùng được hệ điều hành coi như một đĩa riêng biệt. Trong q trình chia đĩa, các thơng tin về vị trí bắt đầu, kích thước, tính chất của các vùng đĩa được lưu trong một cấu trúc gọi là bảng chia đĩa (partition table) nằm trong sector đầu tiên trên đĩa gọi là MBR (master boot record). Trên hình 4.19 là hình chụp giao diện chương trình Disk manager của Windows 7 với các đĩa cứng được chia thành phân vùng và đĩa logic.
Hình 4.19. Giao diện chương trình Disk manager của Windows với đĩa cứng và thẻ SSD được chia thành các phân vùng (partition) và đĩa logic.
Sau khi kết thúc phân hoạch, mỗi phân vùng hay đĩa logic được format ở mức cao. Thực chất của việc format mức cao là tạo ra hệ thống file trên đĩa logic. Trong quá trình format mức cao, các cấu trúc dữ liệu cần thiết cho hệ thống file sẽ được ghi lên đĩa. Kích thước cluster cũng được xác định trong q trình này. Thơng thường, q trình format mức cao bao gồm việc xác định các cluster, xác định các cluster đã sử dụng, các cluster còn trống và tạo ra thư mục gốc. Nếu hệ thống file sử dụng bảng chỉ số (như bảng FAT), thì bảng sẽ được tạo trong giai đoạn format này.
Thiết bị nhớ ngoài SSD
Thẻ nhớ SSD (Solid-State Disk) hay còn gọi là đĩa điện tử (electronic disk) là dạng thiết bị nhớ ngoài đang dần được sử dụng rộng rãi trong máy tính hiện nay, đặc biệt là trong máy tính xách tay và thiết bị di động với vai trò tương tự đĩa cứng (cần phân biệt với thẻ nhớ USB). Khác với đĩa thông thường, thẻ nhớ SSD khơng có phần chuyển động và đầu đọc mà được tạo thành từ các mạch nhớ sử dụng công nghệ tương tự như DRAM, hay EEPROM, hoặc mạch nhớ flash. Trong trường hợp sử dụng cơng nghệ DRAM, thẻ nhở SSD có nguồn ni riêng để khơng bị mất nội dung khi máy tính khơng được cấp điện.
Về mặt giao tiếp vật lý và logic, thẻ nhớ SSD sử dụng cùng giao diện cho phép đọc ghi dữ liệu theo khối giống như đĩa cứng thông thường. Do vậy, đối với hệ thống vào/ra của máy tính và hệ điều hành, thẻ nhớ SSD không khác biệt so với đĩa cứng.
Trong khi có đặc điểm tương tự đĩa cứng, thẻ nhớ SSD ít bị hỏng hơn do khơng có phần chuyển động. Tốc độ truy cập SSD cũng nhanh hơn đĩa cứng truyền thống do không mất thời gian định vị đầu đọc tới sector cần truy cập. Ổ SSD cũng tiêu thụ ít điện năng hơn đĩa cứng. Tuy nhiên, thẻ SSD thường có dung lượng nhỏ hơn đĩa cứng trong khi giá thành tính trên một đơn vị nhớ, ví dụ trên mỗi megabyte dung lượng, lại cao hơn đĩa cứng. Do những đặc điểm này, thẻ nhớ SSD thường được sử dụng cho các thiết bị di động, máy tính xách tay, cũng như dùng lưu những dạng dữ liệu cần có thời gian truy cập nhanh. Nhiều máy tính sử dụng kết hợp thiết bị SSD với đĩa cứng, trong đó SSD được dùng để lưu dữ liệu khôi phục máy từ trạng thái nghỉ, để dùng cho việc trao đổi từ bộ nhớ trong ra bộ nhớ ngồi. Một số hệ thống máy tính sử dụng thẻ nhớ SSD làm bộ nhớ cache giữa bộ nhớ trong và đĩa cứng thông thường để tăng tốc độ trao đổi thông tin giữa bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài.