5.1 ĐĨA TỪ
Đĩa từ là một tấm kim loại/nhựa hình trịn cĩ 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 cĩ thao tác đọc/ghi, đầu đọc đứng yên và tấm đĩa quay liên tục bên dưới nĩ.
Cơ chế ghi dựa trên từ trường sinh bởi dịng điện đi qua ống xoắn. Các xung động được gửi đến đầu đọc, sau đĩ những khuơn 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 dịng điện trong ống xoắn vốn được sinh bởi sự dịch chuyển từ trường quanh nĩ. Khi bề mặt đĩa đi qua dưới đầu đọc, nĩ sẽ sinh ra một dịng điện cĩ cùng cực với dịng đã được ghi trước đĩ.
Đầu đọc là một thiết bị tương đối nhỏ cĩ 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 cáctrack(rãnh). Mỗi track cĩ cùng độ rộng như đầu đọc. Hình 5.1 mơ tả cách sắp xếp này. Các rãnh kề nhau được phân biệt bằng các gap (khoảng trống), nhờ đĩ ngăn chặn ở mức tối thiểu các sai sĩt do sự canh biên khơng chính xác của đầu đọc hoặc nhiễu của các trường điện từ. Để đơn giản hĩa về mặt điện tử, mỗi track cĩ số bit thơng tin bằng nhau. Do đĩ 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.
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 cĩ kích thước khối gọi là sector (cung). Trên mỗi track thường cĩ từ 10 đến 100 sector dữ liệu và chúng cĩ thể cĩ độ dài cố định hay thay đổi. Để tránh những sai sĩt về độ chính xác cĩ 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 cĩ một điểm bắt đầu của track cũng như cách thức nhận biết điểm bắt đầu và kết thúc của một sector. Các yêu 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 khơng thể truy cập đến những dữ liệu này.
Hình 5.1 Tổ chức dữ liệu trên đĩa
Các đặc trưng chính
Những đặc trưng chính của đĩa bao gồm: - Sự di chuyển của đầu đọc
- Tính khả chuyển của đĩa - Các mặt đĩa
- Các tấm đĩa
- Cơ chế làm việc của đầu đọc
Đầu đọc cĩ thể được giữ cố định hoặc di chuyển theo hướng tâm đĩa. Vớiđầu đọc cố định, cĩ một đầu đọc/ghi cho mỗi track. Tất cả các đầu đọc được gắn lên một tay địn kéo dài qua tất cả các track trên đĩa. Với đầu đọc cĩ thể di chuyển, chỉ cĩ một đầu đọc/ghi duy nhất. Ở đây đầu đọc cũng được gắn lên một tay địn cĩ thể kéo dài hoặc thu ngắn ứng với vị trí của track cần truy cập trên đĩa.
Tính khả chuyển của đĩa
Bản thân đĩa thường được gắn vào trong một ổ đĩa với một tay địn, một động cơ quay đĩa cũng như các mạch điện tử cần thiết cho việc nhập/xuất dữ liệu nhị phân. Đĩa khơng thể tháo rời được gắn vĩnh viễn vào trong ổ đĩa trong khiđĩa cĩ thể tháo rờicĩ thể lấy ra và thay thế bằng một ổ đĩa khác. Lợi ích của loại đĩa cĩ thể tháo rời là khả năng cung cấp một lượng dữ liệu khơng cĩ giới hạn trên một hệ thống giới hạn các ổ đĩa. Hơn nữa đĩa đĩ cịn cĩ thể di chuyển từ máy tính n ày sang máy tính khác.
Các mặt đĩa
Hầu hết các đĩa đều cĩ hai mặt trừ một số đĩa loại cũ chỉ cĩ một mặt.
Số các tấm đĩa
Một số ổ đĩa cho phép xếp chồng nhiều đĩa theo chiều thẳng đứng với nhiều tay địn được cung cấp. Các tấm đĩa như thế được tổ chức theo đơn vị disk pack (gĩi đĩa).
Cơ chế làm việc của đầu đọc trong thao tác đọc/ghi cho phép phân loại đĩa rất rõ ràng. Chúng ta cĩ ba cơ chế như sau:
- Cơ chế 1: giữ đầu đọc ở một khoảng cách cố định với bề mặt đĩa
- Cơ chế 2: cho phép tiếp xúc về mặt vật lý giữa đầu đọc với bề mặt đĩa
- Cơ chế 3: khoảng cách giữa đầu đọc với bề mặt đĩa cĩ thể thay đổi trong quá trình đọc/ghi.
Để hiểu rõ cơ chế 3 nĩi trên, chúng ta cần tìm hiểu về mối quan hệ giữa độ trù mật dữ liệu và kích thước của khối khơng khí trống giữa đầu đọc và bề mặt đĩa bên dưới nĩ.
Đầu đọc phải sinh ra một trường điện từ đủ lớn để đọc/ghi một cách chính xác. Đầu đọc càng hẹp thì nĩ càng phải ở gần bề mặt đĩa hơn để hoạt động. Đầu đọc hẹp hơn dẫn đến bề rộng track nhỏ hơn và do vậy độ trù mật dữ liệu tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, khi đầu đọc càng gần bề mặt đĩa, nguy cơ pha tạp và khơng chính xác về dữ liệu càng lớn. 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 cĩ tác nhân tạp chất. Chúng được thiết kế để hoạt động gần hơn với bề mặt đĩa nếu so với các đầu đọc kiểu cũ, do đĩ cho phép làm tăng độ trù mật của dữ liệu trên đĩa. Đầu đọc cĩ dạng một lá khí động học nằm trên bề mặt đĩa khi đĩa khơng chuyển động. Aùp 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 cĩ 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 một vận tốc khơng đổi. Để đọc hoặc ghi, đầu đọc phải được định vị tại track cần truy cập và ở đầu
của sector cần thao tác trên track đĩ. Việc chọn track bao gồm việc di chuyển đầu đọc (trong một hệ thống đầu đọc cĩ thể di chuyển) hay lựa chọn một cách điện tử một đầu đọc/ghi (trong hệ thống cĩ đầu đọc cố định). Với hệ thống cĩ đầu đọc di chuyển được, thời gian cần để định vị track được gọi làthời gian tìm kiếm(seek time). Trong cả hai trường hợp, một khi track đã được chọn, hệ thống chờ cho đến khi 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.
5.2 RAID (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như đã thảo luận ở các phần trước, tốc độ cải tiến hiệu suất lưu trữ trên thiết bị ngồi kém hơn so với tốc độ cải tiến cho bộ xử lý và bộ nhớ chính. Sự khơng đồng bộ này dẫn đến việc hệ thống lưu trữ đĩa trở thành chủ đề chính trong sự cải tiến hiệu suất vận hành của tồn bộ hệ thống máy tính.
Cũng như với các yếu tố khác cĩ ảnh hưởng đến sự vận hành của máy, các nhà thiết kế đĩa nhận biết rằng để đạt được sự cải tiến về mặt hiệu suất, các thành phần cần phải được phát triển song song. Trong trường hợp lưu trữ đĩa, điều này dẫn đến sự phát triển của mảng các đĩa hoạt động độc lập và song song. Với nhiều đĩa, những yêu cầu nhập/xuất riêng lẻ cĩ thể được quản lý song song nếu như dữ liệu yêu cầu được lưu trên các đĩa tách biệt. Hơn nữa, một yêu cầu nhập/xuất đơn lẻ cĩ thể được thực hiện song song nếu khối dữ liệu cần truy cập phân bố trên nhiều đĩa.
Bằng sự sử dụng hệ thống nhiều đĩa, chúng ta cĩ nhiều cách thức tổ chức đĩa tận dụng tính thừa dữ liệu nhằm cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Tuy nhiên, điều này cĩ thể gây khĩ khăn cho việc phát triển các sơ đồ cơ sở dữ liệu cĩ ích trên một số nền tảng và hệ điều hành. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay đã cĩ một sơ đồ chuẩn hĩa cho thiết kế cơ sở dữ liệu đa đĩa gọi là RAID (Redundant Array of Independent Disks). Sơ đồ RAID gồm cĩ sáu mức từ 0 đến 5. Các mức này khơng tạo thành một quan hệ phân cấp nhưng định ra những kiến trúc khác nhau cĩ chung các đặc điểm sau:
1. RAID là tập hợp các ổ đĩa vật lý được nhìn từ hệ điều hành như một ổ đĩa logic đơn.
2. Dữ liệu được phân bố trên mảng các ổ đĩa vật lý.
3. Dung lượng đĩa dư thừa được sử dụng để lưu trữ thơng tin chẵn lẻ nhằm bảo đảm khả năng phục hồi dữ liệu trong trường hợp cĩ hư hỏng về đĩa.
Các đặc điểm 2 và 3 thay đổi theo mức RAID. RAID 0 khơng hỗ trợ đặc điểm 3.
Thuật ngữ RAID được đưa ra trong một bài báo của một nhĩm các nhà nghiên cứu tại đại học tổng hợp California, Hoa kỳ. Bài báo đĩ đã khái quát các cấu hình và ứng dụng RAID, đồng thời giới thiệu những định nghĩa về mức RAID đang được sử dụng ngày nay. RAID được đề xuất nhằm xĩa bỏ khoảng trống lớn giữa tốc độ bộ xử lý và các ổ đĩa điện cơ tương đối chậm. Chiến lược được áp dụng ở đây là thay thế một ổ đĩa cĩ dung lượng lớn bằng nhiều ổ đĩa cĩ dung lượng nhỏ hơn, theo cách thức cho phép truy cập đồng thời đến dữ liệu từ nhiều ổ đĩa, nhờ vậy cải thiện hiệu suất nhập/xuất và cho phép gia tăng từng bước về dung lượng một cách dễ dàng hơn.
Sự đĩng gĩp nổi bật nhất của đề xuất RAID là giải quyết cĩ hiệu quả yêu cầu về tính dư thừa. Mặc dù cho phép nhiều đầu đọc hoạt động cùng lúc cĩ thể dẫn đến tốc độ truyền và nhập/xuất dữ liệu cao hơn, việc sử dụng nhiều thiết bị cũng làm gia tăng xác suất hư hỏng. Để đền bù cho sự giảm sút độ tin cậy này, RAID sử dụng thơng tin chẵn lẻ đã lưu trữ trong việc phục hồi dữ liệu do đĩa hỏng.
Hình 5.2 và 5.3 cho thấy sáu sơ đồ RAID hỗ trợ yêu cầu về dữ liệu với bốn đĩa và khơng triển khai tính dư thừa dữ liệu. Nĩ chỉ ra sự khái quát về dữ liệu của người sử dụng và dữ liệu thừa, cũng như các yêu cầu lưu trữ quan hệ của nhiều mức khác nhau.