Thiết bị lưu trữ Chuẩn giao tiếp – Thiết bị ngoại vi

1. 2 Tổ chức máy tính:

1.5. Thiết bị lưu trữ Chuẩn giao tiếp – Thiết bị ngoại vi

1.5.1. Thiết bị lưu trữ

1.5.1.1. Ổđĩa cứng

Ổ đĩa cứng: hay còn gọi làổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt:HDD) là thiết bị dùng để lưu trữdữ liệutrên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệutừ tính.

Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là chúng không bị mấtdữ liệukhi ngừng cung cấp nguồnđiện cho chúng.

Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng chứa dữ liệu thành quả của một quá trình làm việc của những người sử dụng máy tính. Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưngdữ liệubị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy lại được.

Ổ đĩa cứng là một khối duy nhất, các đĩa cứng được lắp ráp cố định trong ổ ngay từ khisản xuấtnên không thể thay thế được các "đĩa cứng" như với cách hiểu như đối với ổ đĩa mềmhoặcổ đĩa quang.

Ổ đĩa cứng có 2 loại chính: Ỗ đĩa dùng đĩa từ hay dùng quen là HDD (Hard Disk Drive) và và ổ đĩa dùng chíp nhớ hay còn gọi là SSD (Solid State Drive).

Ổ đĩa cứng (HDD): - Cấu tạo

+ Các đĩa phẳng: Được làm từ vật liệu nền cứng (nhôm, thủy tinh), phủ một lớp tiếp xúc bám (nikel), phía trên là màng từ lưu trữ dữ liệu (cobant), trên cùng được phủ một lớp chống ma sát (thủy tinh hay saphia). Có thể quay nhanh với tốc độ 3.600, 5.400, 7.200, 10.000 hay 15000 vòng/phút (ký hiệu: 5.400, 7.200, 10.000, 15000 RPM: Round Per Minute). Để làm tăng dung lượng của ổ đĩa mà không phải tăng số lượng đĩa, người ta làm tăng mật độ lưu trữ trên đĩa, bằng cách sử dụng hạt vật liệu từ có cấu trúc thật nhỏ và bề mặt đĩa thật phẳng để giữ khoảng cách giữa đầu đọc và mặt đĩa tại giá trị tối thiểu. + Đầu từ đọc ghi: Được phát triển qua nhiều thế hệ ổ đĩa, hiện nay hầu hết các ổ cứng sử dụng đầu từ GMR (Metal-In-Gap) có khả năng đọc đĩa mật độ cao. Ổ đĩa có từ một đến nhiều đĩa chồng lên nhau, chồng đầu từ được ghép xen kẽ giữa các đĩa, số lượng đầu từ gấp đôi số đĩa. Do tốc độ quay nhanh của đĩa, đầu từ không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của đĩa cứng mà được giữ cách một lớp đệm không khí (~5m) được tạo ra khi quay đĩa. Khi tắt máy đĩa quay chậm lại, hiệu ứng đệm không khí giảm nên đầu từ hạ xuống dễ va chạm vào mặt đĩa làm trầy đĩa và hư đĩa (shock). Để tránh sự va chạm này đầu từ được đưa về vị trí an toàn (landzone: vùng đáp) trước khi tắt máy. Thời gian truy cập của đầu từ gọi là Seek Time, Seek Time càng nhỏ thì thời gian truycập càng nhanh, hiện nay ổ cứng có tốc độ truy cập từ 4,5 – 12 ms.

+ Mô tơ quay đĩa: Các đĩa được xếp chồng và đặt lên roto của mô tơ quay đĩa. Mô tơ này quay tất cả các đĩa với cùng một tốc độ thường là 5.400, 7.200, 10.000 hay 15000

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 40 rpm. Mô tơ quay đĩa làm việc với độ chính xác rất cao. Nếu ổ cứng bị rơi hoặc va chạm có thể dẫn đến trục mô tơ bị vênh và ổ đĩa sẽ bị kêu hoặc hỏng.

+ Mạch điều khiển: Chứa các thiết bị điện tử điều khiển mô tơ quay đĩa, mô tơ điều khiển đầu từ và gửi dữ liệu đến bộ điều khiển theo dạng thức đã quy định. Gồm các thành phần sau: Điều khiển quá trình đọc/ghi dữ liệu trước khi lên đĩa. Bộ nhớ RAM (bộ đệm buffer): chứa tạm dữ liệu. Vi mạch điều khiển tốc độ quay của môtơ quay đĩa và môtơ quay đầu từ. Chương trình điều khiển được lưu ở trong EEPROM. Chú ý: bo mạch điều khiển được thiết kế riêng cho mỗi ổ cứng nên không thể thay bo mạch của ổ này sang ổ khác (chỉ có thể khi các thông số 2 ổ giống nhau).

- Các thông số kỹ thuật:

+ Bộ đệm dữ liệu (Data Buffer) 2 hay 8 MB.

+ Thời gian truy cập của đầu từ (Average Seek Time) 4,5 hay 6 ms. + Tốc độ quay (Spindle Speed): 5.400, 7.200, 10.000 hay 15000 rpm. + Tốc độ truyền dữ liệu: 100-133-150 - 300 - 600MB/s.

+ Sử dụng chuẩn giao diện: IDE/ATA, SATA hay SCSI.

+ Độ tin cậy: tùy thuộc và hãng sản xuất như Maxtor-Seagate-Samsung... + Bộ phận chống shock.

- Tổ chức thông tin trên ổ đĩa:

+ Định dạng vật lý (định dạng cấp thấp): Được thực hiện tại nhà máy. Định dạng vật lý chia đĩa cứng thành các đơn vị lưu trữ như: Side (Head), Track, Cylinder, Sector. Side (mặt đĩa): mỗi đĩa có 2 mặt, mặt trên là mặt 0. Track (rãnh từ): là những đường tròn đồng tâm trên mỗi mặt đĩa, được đánh số thứ tự từ ngoài vào bắt đầu từ 0. Mật độ rãnh được tính bằng số Track trên Inch (Track Per Inch: TPI). Sector (cung từ) là những đơn vị được chia nhỏ ra trên mỗi rãnh, số lượng sector thay đổi từ ngoài vào (ngoài nhiều, trong ít). Mỗi cung chứa 512 bytes. Cylinder (trụ từ): là những sector có cùng một vị trí trên các mặt đĩa. Dung lượng = Số mặt trụ x số đầu từ x số cung x 512 (byte) (Cyln x Head x Sec x 512). Ví dụ: 6,44 GB = 13328 x 15 x 63 x 512. + Định dạng cấp cao: Định dạng logic là đặt một hệ thống file (File System) lên đĩa cho phép hệ điều hành (DOS, WINDOWS, LINUX, NT,...) sử dụng dung lượng đĩa có sẵn để lưu trữ và truy cập các file. Các hệ điều hành khác nhau sử dụng các file system khác

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 41 nhau và có thể nằm trên các phân khu (partition) khác nhau trên đĩa cứng. File hệ thống (file system) là hệ thống file do các HĐH tạo ra, do đó HĐH này có thể không truy cập được hệ thống file của HĐH khác do không cùng cách quản lý dữ liệu.

+ Bảng xếp đặt (FAT, File Allocation Table): ghi thông tin về vị trí của từng khối, mỗi đề mục FAT dài 12, 16 hay 32 bit. Một khối rộng từ 1 cung (512 byte) đến 64 cung (32 KB).

 FAT 16: Được sử dụng từ 1981 cho hệ điều hành DOS. DOS (Disk Operating System) quản lý đĩa theo phương pháp tuyến tính. Mỗi sector hay cluster (liên cung) được gán một số thứ tự (hay địa chỉ tuần tự từ thấp đến cao). Một khối của hệ điều hành DOS cũ chỉ chứa một cung và số cung định vị bởi FAT 16 mà DOS quản lý được là 216. Vì mỗi cung có 29 = 512 byte, DOS chỉ quản lý tối đa 29.216 = 220.25 = 32 MB.

FAT 32: Được dùng cho Windows 95 (HĐH 32 bit). Tên tập tin của FAT 32 có thể dài tối đa 255 ký tự. Khi Windows 95 lưu trữ một tập tin có tin dài hơn 8 ký tự, nó sẽ tạo ra 2 tên: Tên dài (tối đa 255 ký tự) mà Windows 95/98, NT đọc được. Tên ngắn (8 ký tự) tương thích với hệ FAT 16. Tên ngắn gồm 6 ký tự đầu của tên dài, 1 ký tự “~” và một số thứ tự tập tin (trong trường hợp có nhiều tập tin với 6 ký tự đầu giống nhau). Các khối trên FAT 32 có thể từ 2, 4, 8, 16, 32 sector, và nằm rải rác trên đĩa.

+ NTFS (NT File System): Khác với các hệ điều hành khác của Microsoft, Windows NT là một hệ điều hành độc lập được thiết kế riêng biệt không liên quan đến DOS. NTFS là hệ thống file mà các hệ thống file khác không truy cập được. NTFS có thể truy cập được hệ thống FAT của các hệ điều hành Windows khác.

+ EXT (Extended File System): Hệ thống file của LINUX.

+ Phân vùng (partition): Sau khi được định dạng vật lý, đĩa cứng có thể được chia thành các partition riêng biệt, hoạt động như một đơn vị riêng lẻ và có thể định dạng logic thành bất kỳ một hệ thống file nào. Có 3 loại partition (Hiện đang dùng phổ biến):

 Partition sơ cấp (Primary Partition): một tham chiếu trong bản ghi khởi động chính MBR, chỉ cho phép 4 partition sơ cấp có thể tồn tại trên đĩa cứng.

Partition mở rộng (Extended Partition) là partition sơ cấp đặc biệt được phát triển để khắc phục giới hạn 4 partition.

 Partition Logic (Logical Partition) là để tham chiếu đến một partition bên trong partition mở rộng.

 Khi sử dụng nhiều partition cho phép ta: Cài đặt nhiều hệ điều hành trên đĩa cứng. Sử dụng không gian đĩa hiệu quả hơn. Dữ liệu được tách biệt về mặt vật lý. Các thành phần trên không gian địa chỉ của đĩa cứng Bản ghi khởi động chính Master Boot Record (MBR). Bản ghi khởi động (DOS Boot Record)

+ Thư mục gốc (Root Directory): thư mục gốc nằm kế tiếp bảng FAT, chứa thông tin của các tập tin và thư mục.

+ Vùng dữ liệu: sau thư mục gốc là vùng dữ liệu, dùng để ghi các tệp hay dữ liệu các danh mục con. Khi ghi dữ liệu, nội dung một tập tin cóthể phân tán trên toàn bộ đĩa, do đó phải dùng chương trình chống phân mãnh đĩa (Disk Defragmenter) để dồn các khối cùng một tập tin lại gần nhau, nhằm tăng tốc độ truy cập dữ liệu.

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 42 ổ cứng thể rắn. Là một ổ để mô phỏng quá trình truy cập và lưu dữ liệu, giống như ổ hhd. Ổ ssd sử dụng DRAM hoặc bộ nhớ Flash để lưu dữ liệu. HDD và SSD có các chức năng giống nhau. Nhưng HDD được dùng phổ biến hơn vì giá thành rẻ.

- Cấu tạo:

SSD được xây dựng lên từ nhiều chip nhớ flash NOR và bộ nhớ NAND flash. SSD được làm hoàn toàn bằng linh kiện điện tử và không có bộ phận chuyển động vật lý như trong ổ đĩa cứng. Những con chip flash sẽ được lắp cố định trên một bo mạch chủ khoảng từ 10-60 NAND của hệ thống. Trên card PCI hoặc cũng có thể là lắp vào trong một chiếc hộp có hình dạng và kích thước giống như ổ cứng nhưng nhỏ hơn.

SSD có tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với HDD. Đó là lý do khiến SSD có giá thành đắt hơn loại ổ cứng hay thẻ nhớ khác. Vì thế chi phí đểcứu dữ liệu ổ cứngcũng là đắt đỏ hơn. Ổ cứng SSD chứa bộ điều khiển vi mô, bộ đệm, hiệu chỉnh và mô-đun giao diện flash.

Ổ SSD sử dụng các chuẩn giao tiếp khác nhau: Msata, M2 Sata, M2 NVME, Micro Sata. Và thường chia làm 2 loại SSD Sata và SSD PCIe:

 SSD SATA có khả năng tương thích phần cứng tốt hơn, có thể làm việc với nhiều loại máy tính desktop và laptop, ngay cả máy tính đã cũ. SSD SATA có hiệu suất tương đối kém hơn.Hiện nay, SATA 3.0 là ổ SSD phổ biến nhất, tốc độ truyền tải lý thuyết là 6Gb/s. Nhưng do một số nhân tố diễn ra khi mã hóa dữ liệu, tốc độ thực tế chỉ là 4.8Gb/s.Dù vậy nhưng cũng là khá nhanh hơn rất nhiều so với ổ cứng HDD cùng dùng chuẩn Sata 3.0 nhưngcòn lâu mới bằng được tốc độ của SSD PCIe. Dù vậy thì với người dùng bình thường, SSD SATA cũng là rất nhanh rồi, để hình dung thì hãy tưởng tượng là ổ này có thể truyền dữ liệu của cả một đĩa CD mỗi giây. SSD SATA thường rẻ hơn,đây có lẽ là điều quan trọng nhất với nhiều người dùng. Sự khác biệt về giá giữa 2 loại ổ SSD này thường rất lớn, có khi cũng ngang cỡ khác biệt giữa SSD và HDD. Ví dụ Samsung 860 EVO 500GB SATA SSD và Samsung 970 EVO 500GB PCIe SSD dù có cùng mức dung lượng lưu trữ nhưng ổ SATA rẻ gần bằng một nửa PCIe.

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 43 SSD PCIe: Điều khiến SSD PCIe đắt hơn, có giá trị hơn, được nhiều người muốn có hơn, phần lớn là nằm ở hiệu suất. PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) là kiểu kết nối dữ liệu trực tiếp tới bo mạch chủ. Nó thường được dùng trong card đồ họa, vốn cần kết nối rất nhanh. Nhưng PCIe cũng rất hữu ích với các ổ lưu trữ dữ liệu. PCIe 3.0 có tốc độ lưu trữ 985MB/s mỗi đường (lane) và vì các thiết bị PCIe hỗ trợ 1x, 4x, 8x và 16x lane nên tốc độ có thể lên tới 15.76GB/s. SATA khó mà đọ được.

Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết SSD PCIe 16x lane nhanh hơn SSD SATA 25 lần. Thường sẽ là 2x hay 4x, tức là tốc độ khoảng 3.94GB/s.

Dù vậy, bạn cũng chỉ nhận ra sự khác biệt giữa PCIe và SATA khi chuyển tập tin rất lớn. Ví dụ nếu chơi video game và muốn tốc độ tải game khi mới mở hay đổi bản đồ nhanh hơn thì cả PCIe và SATA đều có cảm giác nhanh như nhau.

PCIe SSD có tuổi thọ ngắn hơn.Nếu bạn duyệt web, làm việc với Google Docs, gửi email hay những việc chỉ tốn CPU và RAM thì sẽ không thấy sự khác biệt nhiều giữa SATA và PCIe (những việc như vậy không truyền dữ liệu). Nhưng nếu thường xuyên đọc, chuyển dữ liệu, bạn sẽ thấy PCIe cần nhiều năng lượng hơn và “ngỏm” nhanh hơn. Chú ý khi chọn dùng SSD chuẩn PCIe thì ta nên lựa chọn giữa 2 chuẩn: AHCI và NVMe. Nếu phải chọn giữa 2 chuẩn trên, hãy chọn NVMe. AHCI là chuẩn cũ, được thiết kế cho HDD và SATA. Nếu ổ SSD PCIe dùng AHCI thì có thể sẽ không được hiệu suất như tiềm năng. NVMe được thiết kế riêng cho PCIe nên sẽ tốt hơn.

- Ưu và nhược điểm của SSD và HDD:

 Giá: ổ cứng SSD đắt hơn nhiều so với HDD. Ví dụ đơn giản một ổ đĩa HDD dung lượng 2 TB, bạn chỉ trả 2 triệu (VNĐ) cho ổ HDD 2.5 inches, nhưng với SSD cũng từng ấy dung lượng mà tùy loại có thể mắc gấp 5-6 lần.

Hình 1.43 SSD Sata

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 44 Hiệu suất và sự thông dụng:SSD sẽ cao và ổn định hơn HDD rất nhiều, đồng thời nó có khả năng chống sốc tốt (do các chip nhớ nằm cố định trên bo mạch chủ), ổ cứng HDD sẽ bị sốc và mất ổn định hơn. Tuy vậy, ổ HDD vẫn rất thông dụng hiện nay vì giá thành rẻ và dung lượng lưu trữ lớn.

 Tốc độ:đây là ưu điểm tuyệt đối của SSD khi so sánh với HDD. Một máy tính sử dụng ổ SSD chỉ mất vài giây đến vài chục giây khởi động trong khi đó nếu sử dụng HDD sẽ mất thời gian tầm 1 phút hoặc lâu hơn, tốc độ này cũng đúng trong các tác vụ trên máy, sử dụng đồ họa hay chơi game. Đối với ổ cứng HDD, bạn vẫn có thể chọn tốc độ cao hơn với loại HDD (7200 vòng/phút).

 Sự phân mảnh dữ liệu:do cấu trúc là mặt đĩa hình tròn, vì thế dữ liệu lớn và tập trung sẽ dễ lưu và truy cập hơn trên HDD, nếu dữ liệu nhỏ lẻ sẽ dễ bị phân mảnh và mất thời gian hơn (ổ đĩa quay), điều này không xuất hiện trên SSD do cấu trúc các chip nhớ rời và dữ liệu được phân vùng trên đó.

 Độ bền:SSD có độ bền sử dụng hơn hẳn HDD vì cấu tạo vật lý của nó là cố định, còn HDD sẽ phải hoạt động liên tục đĩa từ và trục xoay.

Tiếng ồn:ổ đĩa HDD sẽ khá rung và có tiếng ồn khi lưu/truy cập dữ liệu, ổ HDD thế hệ mới sẽ giảm thiểu được điều này nhưng không hoàn toàn. Trong khi đó, SSD hoạt động cực kì mượt mà và êm ái.

Hình thức:SSD được đánh giá cao về hình thức cũng như sự linh hoạt trong thiết kế hơn nhiều so với HDD (bắt buộc là đĩa từ và phải có một trục xoay).

1.5.1.2. Ổđĩa quang: - Cấu trúc vật lý:

Đĩa quang là một đĩa nhựa có đường kính 120mm, dày 1,2 mm. đường kính lỗ trục quay là 15mm. Lỗ thôngtin (pit) có đường kính 0,6 m, sâu 0,12 m. Các vòng cách nhau 1,6 m. Dữ liệu trên CD-ROM được chia thành từng khối. Mỗi khối chứa 2048 byte dữ liệu.

Tốc độ đọc cơ sở của 1 đĩa quang là 1 x 150 Kbyte/s. Hiện nay các đĩa đọc nhanh là bộ số của tốc độ cơ sở này: 24x, 32x, 36x, 40x, 48x, 50x, 52x. Thời gian truy cập 150 ms.

Đĩa quang được chia làm các loại:

CD_ROM (Compact Disc Read Only Memory): thông tin được lưu trữ ngay sau khi sản xuất đĩa. Đĩa CD được ghi dưới dạng xoắn ốc từ trong ra ngoài chạy liên tục trên đĩa, có dung lượng 650MB đến 700MB.

CD-R (Compact Disc Recordable): dùng tia laser để đọc/ghi dữ liệu. Bề mặt đĩa được phủ một lớp kim loại mỏng. Trạng thái lớp kim loại được thay đổi dưới tác dụng của tia laser (đĩa chỉ ghi được một lần).

CD-RW (Compact Disc ReWritable): Sự khác nhau giữa CD-R và CD-RW là lớp chứa dữ