c, Liên kết thông qua stack
8.1.1. đĩa từ tính
Hình 8.1. Ổ đĩa từ tính
Đĩa từ là thiết bị lưu trữ dữ liệu với dung lượng lớn và tốc độ truy cập cao. Thành phần lưu dữ liệu của ổ đĩa gồm một hoặc nhiều đĩa được đặt cách nhau vài millimeters trên cùng một trục quay như hình 8.1. Các đĩa này thường được làm từ nhôm hoặc thủy tinh pha một lượng nhỏ nhôm. 2 bề mặt của đĩa đều
được phủ một lớp từ tính như ocid sắt. Chính vì lớp ocid sắt này nên các mặt đĩa cứng, đĩa mềm hay băng từ đều có mầu nâu. Các giá trị nhị phân 0 và 1 được lưu trên các ô nhỏ trên các bề mặt này.
Mỗi một đầu đọc được sử dụng riêng cho từng bề mặt. Hình 8.1 sử dụng 3 đĩa từ gồm 6 mặt đĩa. Bề mặt trên cùng và dưới cùng của tổ hợp đĩa thông thường
không được sử dụng để lưu trữ bởi vì nó dễ bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài hơn so với các bề mặt bên trong. Các đầu đọc được gắn với nhau trên một cánh tay có thể dịch chuyển theo chiều ngang để có thể tiếp cận vào các vị trí khác nhau của bề mặt đĩa.
Trong một ổ đĩa cứng, các đĩa quay với tốc độ cố định, thông thường có thể từ
3600 đến 10000 vòng/phút (RPM). Các đầu đọc/ghi dữ liệu sẽ tạo ra từ trường
ảnh hưởng đến vật liệu từ trong quá trình ghi hoặc cảm ứng điện từ trong quá trình đọc. Chỉ có một đầu đọc duy nhất hoạt động tại một thời điểm. Do đó dữ
liệu đọc được truyền về theo phương thức nối tiếp serial mặc dù về mặt lý thuyết chúng có thể truyền song song. Một nguyên nhân mà chế độ đọc/ghi song song không được sử dụng nó có thể gây ra nhiễu dữ liệu gây hỏng dữ liệu. Mỗi một bề mặt đĩa sẽ chỉ tương tác với một đầu đọc bởi vì vị trí của đầu đọc luôn luôn được xác định một cách chính xác, tương ứng với vị trí của nó trên bề
mặt đĩa.
Mã hóa dữ liệu trên đĩa từ
Đầu đọc dữ liệu chỉ có thể nhận biết được sự thay đổi của từ trường, do đó, nó chỉ có thể phát hiện ra sự thay đổi logic từ 0 lên 1 hay từ 1 về 0. Phương pháp mã hóa thông dụng nhất là mã manchester, ngoài ra còn có thể sử dụng phương pháp MFM (modified frequency modulation). Để người đọc có thể so sánh, ta hãy xem xét hình 8.2. Tại hình a là mã NRZ (non-return-to-zero) của ký tự “F”
được mã hóa bởi mã ASCII. Hình b cũng là ký tự đó nhưng được biểu diễn bởi mã Manchester. Trong cách mã hóa mã Manchester, trong bất cứ một chu kỳ
thời gian đều có một sự thay đổi giá trị điện áp. Tại thời điểm xung chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao, giá trị logic thu được là 1. Ngược lại, tại thời điểm điện áp chuyển từ mức cao về mức thấp, giá trị logic thu được là 0. Ngoài ra, chu kỳ chuyển đổi trạng thái logic cũng cho ta thông tin về xung đồng bộ hệ thống.
Hình 8.3. Tổ chức dữ liệu trên một mặt đĩa từ
Để lưu dữ liệu trên đĩa cứng, đĩa cần được tổ chức theo những chuẩn được định nghĩa. Mỗi bề mặt được chia thành hàng trăm rãnh track là những vòng tròn
đồng tâm Mỗi rãnh được chia thành từng khoảng nhỏ gọi là sector. Mỗi sector có thể lưu trữ được 512 byte. Giữa các sector có khoảng nhỏ gọi là inter-sector- gap. Tương tự như vậy giữa các track cũng có khoảng không gian phân cách inter-track-gap. Ngoài cách quản lý theo track và sector, hệ thống cũng có thể
quản lý theo từ trụ cylinder. Cylinder là tập hợp các rãnh chứa đầu đọc của tất cả các bề mặt các đĩa. Ví dụ như track số 0 của của các bề mặt số 0, 1, 2, 3, 4, và 5 trên hình 8.1 sẽ tạo nên cylinder số 0. Dung lượng lưu trữ trên mỗi sector thông thường là không thay đổi đối với mỗi một loại đĩa từ.
Trong các loại đĩa cứng hiện đại, số lượng track trên cùng một sector cón thể
thay đổi theo vùng, mỗi vùng chứa một số lượng sector cố định. Vùng gần tâm của đĩa từ sẽ có mật độ lưu trữ cao hơn những vùng bên ngoài. Do đó, ta có thể
tăng mật độ lưu trữ tại các sector ở vùng xa tâm đĩa. Công nghệ này có tên gọi là zone-bit-recording.
Dung lượng và tốc độ đĩa
Nếu hệ thống đĩa từ có cùng một mật độ lưu trữ, dung lượng đĩa C lúc đó có thể được tính từ số lượng byte có trên 1 sector N, số lượng sector trên một track S, số lượng rãnh trên 1 bề mặt T và số lượng mặt đĩa P. Công thức tính là
C = N × S × T × P
Một đĩa dung lượng cao có thể có N = 512 byte, S = 1000 sector, T = 5000 track và có P = 8 mặt đĩa. Tổng dung lượng của ổđĩa đó là C = 512 × 1000 × 5000 ×
8/230 hay 19GB
Tốc độ truyền tối đa của ổ đĩa phụ thuộc vào 3 yếu tố: thời gian để đầu đọc di chuyển đến track dữ liệu được gọi là seek time, thời gian để sector cần đọc quay đến vị trí đầu đọc gọi là rotational latency, và thời gian để chuyển dữ liệu từ sector vào đầu đọc gọi là transfer time. Quá trình đọc và ghi dữ liệu đề phải trải qua 3 khoảng thời gian như vậy vì tại 1 thời điểm đầu đọc chỉ có thể đọc dữ
liệu hoặc ghi dữ liệu.
Thời gian để đầu đọc dịch chuyển đến vị trí track cần đọc mất nhiều thời gian nhất trong quá trình truy cập đĩa. Nhà sản xuất thường tính theo thời gian trung bình là khoảng thời gian đầu đọc dịch chuyển 1
2 khoảng cách ổ đĩa. Trong
các ổđĩa hiện đại, khoảng thời gian này xấp xỉ 10ms.
Khi đầu đọc dịch chuyển đến track cần truy cập, chúng ta một lần nữa không tính được chính xác thời gian mà đầu đọc tìm được đúng sector cần tìm. Khoảng thời gian này một lần nữa được tính bằng 1
2 khoảng thời gian lớn nhất mà đầu đọc hoàn thành công việc này. Trung bình, đầu đọc sẽ mất khoảng 4 đến 8 ms. Transfer time là khoảng thời gian mà đầu đọc hoàn thành việc đọc/ghi một lượng sector trên cùng một track. Nếu cần đọc/ghi một khối lượng dữ liệu lớn, khi kết thúc việc đọc/ghi dữ liệu trên track này, đầu đọc sẽ phải dịch chuyển sang track khác. Khoảng thời gian để đầu đọc dịch chuyển từ track này sang track khác xấp xỉ 2 ms.
Tốc độ truy cập có thể được tính toán từ các yếu tố kể trên, tuy nhiên tốc độ
trong thực tế lại thấp hơn tính toán. Điều này là do có thể tốc độ truy cập bị ảnh hưởng bởi quá trình thâm nhập dữ liệu trên hệ thống bus kết nối giữa các ổđĩa và các thành phần bên trong hệ thống máy tính, hoặc một nguyên nhân cũng tác
động đến tốc độ truy cập ổ đĩa là tốc độ kết nối dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ
chính. Các ổđĩa hoạt động trong máy tính SCSI thường có tốc độ truy cập trung bình khoảng 5 đến 40 MB/s.
Ổ đĩa mềm
Ổ đĩa mềm, floppy disk hay diskette, bao gồm một đĩa nhựa được bao phủ lớp vật liệu từ ocid sắt từ ở trên cả 2 bề mặt. Cả 2 lớp vật liệu từ này đều có thể được sử dụng để lưu dữ liệu. Thời gian truy cập của đĩa mềm chậm hơn rất nhiều so với đĩa cứng bởi vì đĩa mềm không thể quay với tốc độ cao. Tốc độ
trung bình của ổ đĩa mềm khoảng 300 RPM và tốc độ này có thể thay đổi phụ
thuộc vào vị trí của đầu đọc để tối ưu hóa tốc độ truyền. Thời gian truy cập của
đĩa mềm chỉ khoảng 250 đến 300 ms, thấp hơn khoảng 10 lần so với ổđĩa cứng. Dung lượng đĩa mềm lên tới 1.44 MB.
Sử dụng ổđĩa mềm rất kinh tế bởi vì có việc tháo lắp ổ đĩa với hệ thống rất dễ
dàng và bởi vì kích thước của nó rất nhỏ. Vì đầu đọc đĩa mềm có thể gây ra những vết xước trên bề mặt đĩa nên ổ đĩa mềm chỉ quay khi nó cần đọc/ghi dữ
liệu.
Một số đĩa mềm dung lượng cao có thể lưu trữ với dung lượng lớn. Ví dụ như đĩa mềm của Iomega Zip có thể lưu 100MB và thời gian truy cập gấp 2 lần so với ổ đĩa cứng. Đĩa có dung lượng lớn nhất hiện nay là Iomega Jaz có dung lượng lên tới 2GB với tốc độ truy cập tương đương Iomega Zip.
Hệ thống quản lý file trên ổ đĩa
Một file dữ liệu được lưu trữ trên nhiều sector ở các vị trí khác nhau trong ổ đĩa. Chúng sẽ được liên kết với nhau để tạo thành một thể thống nhất. Việc tổ
chức các thành phần nhỏ của một file có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Phương pháp có hiệu quả nhất là lưu giữ trong các sector liên tiếp nhau để giảm thiểu thời gian tìm kiếm các mảnh. Một ổđĩa tất nhiên sẽ lưu trữ
nhiều file, do đó tìm kiếm một vị trí đủ lớn để lưu trữ 1 file nói chung là khó thực hiện. Để làm được việc này, hệ điều hành phải có một bản sao chép dung lượng của các khoảng trống để sử dụng khi cần ghi 1 file vào ổđĩa.
Một phương pháp khác được sử dụng là lưu trữ file trên các phân mảnh khác nhau, các phân mảnh này được liên kết với nhau thông qua một bảng lưu giá trị
FAT (File allocation table). Với phương pháp này, dung lượng file lưu trữ có thể tăng lên. Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, file này sẽ bị phân mảnh. Các nhà sản xuất khác nhau có các phương pháp khác nhau để có thể chống lại sự phân mảnh này.
Bàn kỹ hơn một chút về bảng FAT. Như đã nói ở trên, đây là một bảng lưu các giá trị, thông thường đó là tên file, vị trí của các sector chứa dữ liệu các file, ngày tạo ra file,.... Dung lượng file không thể hiện trên bảng dữ liệu này nhưng hệđiều hành có thể tính toán dung lượng file dựa vào số lượng sector chứa file.
8.1.2. Băng từ
Băng từ là một phương pháp lưu trữ dữ sử dụng một đầu đọc. Đầu đọc này có bộ phận để đọc và ghi dữ liệu riêng biệt. Khi dải băng từ chạy qua đầu đọc, nó sẽ gây ảnh hưởng từ lên băng từ trong quá trình ghi dữ liệu hoặc cảm ứng từ
trường của băng từ trong quá trình ghi. Phương pháp lưu trữ sử dụng băng từ rất rẻ bởi vì nó có thể lưu trữ dung lượng rất lớn. Tuy nhiên việc truy cập dữ liệu lại rất chậm bởi vì tất cả các sector của băng từ ở phía trước vị trí cần đọc dữ
liệu sẽ phải được đọc trước khi nội dung đọc được tìm thấy.
Thông tin lưu trữ trong băng từ theo 2 chiều được mô tả trong hình 8.5. Các bit
được lưu dữ liệu theo chiều rộng của băng từ (ghi theo frame) và lưu trữ theo chiều dài của băng từ (ghi theo record). 1 file được lưu trữ theo một tập hợp các record. Và 1 record là một đơn vị vật lý nhỏ nhất mà dữ liệu có thể được đọc hoặc ghi lên băng từ. Bình thường các băng từ không tự dịch chuyển. Khi muốn
Hình 8.5. Lưu trữ dữ liệu trên băng từ
truy xuất dữ liệu, một động cơ sẽ được sử dụng để kéo băng từ chuyển động trong một khoảng thời gian. Khi băng từ đạt đến tốc độ cần thiết, các bản ghi record sẽ được ghi, sau đó băng từ sẽ ngừng chuyển động. Việc tăng tốc động cơ làm băng từ dịch chuyển và dừng động cơ làm cho trên băng từ có những khe hở giữa các bản record.
Băng từ thích hợp cho việc lưu trữ dữ liệu với dung lượng lớn,ví dụ như backup dữ liệu trên ổđĩa hoặc quét ảnh, nhưng không thích hợp với các truy cập dữ liệu ngẫu nhiên. Có 2 nguyên nhân chính của ứng dụng trên. Thứ nhất, việc truy cập vào một bản ghi bất kỳ đòi hỏi rất nhiều thời gian vì vị trí băng từ cần truy cập không phải lúc nào cũng gần vị trí hiện tại. Thứ hai, khi tiến hành ghi dữ liệu lên một vị trí ở giữa băng từ, đè lên một nội dung khác có thể làm mất dữ liệu
của 1 bàn record ở gần đó mặc dù các record có cùng kích thước nhưng khoảng cách giữa các record lại không phải là một giá trịđịnh trước.
Một bản ghi record vật lý thường được chia thành các bản ghi record logic. Ví dụ, một bản record vật lý có 4096 byte có thể chia thành 4 bản ghi logic với độ
dài của mỗi bản ghi là 1024 byte. Việc truy cập các bản ghi logic được thực hiện bởi hệđiều hành, do đó người sử dụng không cần quan tâm đến nó.
Ngoài cách tổ chức trên, ta có thể có một cách tổ chức khác nữa là sử dụng các bản record có độ dài thay đổi. Một ký hiệu đặc biệt được đặt giữa các bản record đểđánh dấu sự bắt đầu và kết thúc của mỗi bản ghi record.