Đề tài Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ đĩa cứng

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin và truyền thông hiện nay, vai trò của chiếc máy vi tính là cực kì quan trọng. Trong số các linh kiện cấu thành lên máy vi tính, chúng ta không thể không nhắc tới Ổ đĩa cứng. Ổ đĩa cứng là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu của máy vi tính. Từ xưa, ước muốn con người đã là làm sao bảo quản được các tài liệu quý giá dưới sự tác động của thời gian. Ngày nay, với sự xuất hiện của máy vi tính, đặc biệt là ổ đĩa cứng, các tài liệu đó đã được lưu trữ, sắp xếp tổ chức khoa học, thật dễ dàng sử dụng. Từ khi ra đời chiếc ổ cứng đầu tiên trên thế giới(1955) cho tới nay(2011), công nghệ lưu trữ cũng như công nghệ sản xuất ổ đĩa cứng đã phát triển rất mạnh mẽ. Giờ đây, chỉ với số tiền không lớn, khoảng gần 1 triệu Việt Nam đồng, chúng ta đã có thể sở hữu một chiếc ổ cứng với dung lượng 160GB(ổ cứng 3.5 inch gắn trong). Em chọn đề tài thực tập “Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ đĩa cứng” phần nhiều là do ham muốn tìm hiểu về nó, phần nhỏ là do em đã từng phải thay thế, sửa chữa khả nhiều ổ cứng do chúng bị hỏng. Em xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Tuấn Tú vì thầy đã giúp đỡ, hướng dẫn em tận tình trong quá trình em thực hiện đề tài này. Sinh viên thực hiện Đàm Phương CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA Ổ ĐĨA CỨNG 1.1. Tổng quan về ổ đĩa cứng Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt: HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính. Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện 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, nhưng dữ liệu bị 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 khi sản xuất nên không thể thay thế được các "đĩa cứng" như với cách hiểu như đối với ổ đĩa mềm hoặc ổ đĩa quang. Ổ cứng thường được gắn liền với máy tính để lưu trữ dữ liệu cho dù chúng xuất hiện muộn hơn so với những chiếc máy tính đầu tiên. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, ổ đĩa cứng ngày nay có kích thước càng nhỏ đi đến các chuẩn thông dụng với dung lượng thì ngày càng tăng lên. Những thiết kế đầu tiên ổ đĩa cứng chỉ dành cho các máy tính thì ngày nay ổ đĩa cứng còn được sử dụng trong các thiết bị điện tử khác như máy nghe nhạc kĩ thuật số, máy ảnh số, điện thoại di động thông minh (SmartPhone), máy quay phim kĩ thuật số, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân... Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, ổ đĩa cứng đã có những bước tiến công nghệ nhằm giúp lưu trữ và truy xuất dữ liệu nhanh hơn: ví dụ sự xuất hiện của các ổ đĩa cứng lai giúp cho hệ điều hành hoạt động tối ưu hơn, giảm thời gian khởi động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng, sự thay đổi phương thức ghi dữ liệu trên các đĩa từ làm cho dung lượng mỗi ổ đĩa cứng tăng lên đáng kể. 1.2. Lịch sử phát triển của ổ đĩa cứng Năm 1955, ổ cứng đầu tiên trên thế giới có là IBM 350 Disk File được chế tạo bởi Reynold Johnson ra mắt năm 1955 cùng máy tính IBM 305. Ổ cứng này có tới 50 tấm đĩa kích thước 24" với tổng dung lượng là 5 triệu kí tự. Một đầu từ được dùng để truy nhập tất cả các tấm đĩa khiến cho tốc độ truy nhập trung bình khá thấp. Hình 01: Ổ cứng IBM 350 Disk File Năm 1961, thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301 ra mắt năm 1961 bắt đầu sử dụng mỗi đầu từ cho một mặt đĩa. Ổ đĩa đầu tiên có bộ phận lưu trữ tháo lắp được là ổ IBM 1311. Ổ này sử dụng đĩa IBM 1316 có dung lượng 2 triệu kí tự. Hình 02: thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301 Năm 1973, IBM giới thiệu hệ thống đĩa 3340 "Winchester", ổ đĩa đầu tiên sử dụng kĩ thuật lắp ráp đóng hộp (sealed head/disk assembly - HDA). Kĩ sư trưởng dự án/chủ nhiệm dự án Kenneth Haughton đặt tên theo "súng trường Winchester" 30-30 sau khi một thành viên trong nhóm gọi nó là "30-30" vì các trục quay 30 MB của ổ đĩa cứng. Hầu hết các ổ đĩa hiện đại ngày nay đều sử dụng công nghệ này, và cái tên "Winchester" trở nên phổ biến khi nói về ổ đĩa cứng và dần biến mất trong thập niên 1990. Trong một thời gian dài, ổ đĩa cứng có kích thước lớn và cồng kềnh, thích hợp với một môi trường được bảo vệ của một trung tâm dữ liệu hoặc một văn phòng lớn hơn là trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt (vì sự mong manh), hay văn phòng nhỏ hoặc nhà riêng (vì kích cỡ quá khổ và lượng điện năng tiêu thụ). Trước thập niên 1980, hầu hết ổ đĩa cứng có các tấm đĩa cỡ 8" (20 cm) hoặc 14-inch (35 cm), cần một giá thiết bị cũng như diện tích sàn đáng kể (tiêu biểu là các ổ đĩa cứng lớn có đĩa tháo lắp được, thường được gọi là "máy giặt"), và trong nhiều trường hợp cần tới điện cao áp hoặc thậm chí điện ba pha cho những mô tơ lớn chúng dùng. Vì lí do đó, các ổ đĩa cứng không được dùng phổ biến trong máy vi tính đến tận năm 1980, khi Seagate Technology cho ra đời ổ đĩa ST-506 - ổ đĩa 5,25" đầu tiên có dung lượng 5 MB. Có một thực tế là trong cấu hình xuất xưởng, máy IBM PC (IBM 5150) không được trang bị ổ đĩa cứng. Hình 03: hệ thống đĩa 3340 "Winchester" Thập niên 1990, đa số các ổ đĩa cứng cho máy vi tính đầu thập kỷ 1980 không bán trực tiếp cho người dùng cuối bởi nhà sản xuất mà bởi các OEM như một phần của thiết bị lớn hơn (như Corvus Disk System và Apple ProFile). Chiếc IBM PC/XT được bán ra đã có một ổ đĩa cứng lắp trong nhưng xu hướng tự cài đặt nâng cấp bắt đầu xuất hiện. Các công ty chế tạo ổ đĩa cứng bắt đầu tiếp thị với người dùng cuối bên cạnh OEM và đến giữa thập niên 1990, ổ đĩa cứng bắt đầu xuất hiện trong các cửa hàng bán lẻ. Ổ đĩa lắp trong ngày càng được sử dụng nhiều trong PC trong khi các ổ đĩa lắp ngoài tiếp tục phổ biến trên máy Macintosh của hãng Apple và các nền tảng khác. Mỗi máy Mac sản xuất giữa giữa các năm 1986 và 1998 đều có một cổng SCSI phía sau khiến cho việc lắp đặt thêm phần cứng mới trở nên dễ dạng; tương tự như vậy, "toaster" (máy nướng bánh) Mac không có chỗ cho ổ đĩa cứng (hay trong Mac Plus không có chỗ lắp ổ đĩa cứng), các đời tiếp theo cũng vậy thế nên ổ SCSI lắp ngoài là có thể hiểu được. Các ổ đĩa SCSI lắp ngoài cũng phổ biến trong các máy vi tính cổ như loạt Apple II và Commodore 64, và cũng được sử dụng rộng rãi trong máy chủ cho đến tận ngày nay. Sự xuất hiện vào cuối thập niên 1990 của các chuẩn giao tiếp ngoài như USB và FireWire khiến cho ổ đĩa cứng lắp ngoài trở nên phổ biến hơn trong người dùng thông thường đặc biệt đối với những ai cần di chuyển một khối lượng lớn dữ liệu giữa hai địa điểm. Vì thế, phần lớn các ổ đĩa cứng sản xuất ra đều có trở thành lõi của các vỏ lắp ngoài. Hình 04: Ổ đĩa SCSI Ngày nay, dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với thời gian. Đối với những máy PC thế hệ đầu, ổ đĩa dung lượng 20 megabyte được coi là lớn. Cuối thập niên 1990 đã có những ổ đĩa cứng với dung lượng trên 1 gigabyte. Vào thời điểm đầu năm 2005, ổ đĩa cứng có dung lượng khiêm tốn nhất cho máy tính để bàn còn được sản xuất có dung lượng lên tới 40 gigabyte còn ổ đĩa lắp trong có dung lượng lớn nhất lên tới một nửa terabyte (500 GB), và những ổ đĩa lắp ngoài đạt xấp xỉ một terabyte. Cùng với lịch sử phát triển của PC, các họ ổ đĩa cứng lớn là MFM, RLL, ESDI, SCSI, IDE và EIDE, và mới nhất là SATA. Ổ đĩa MFM đòi hỏi mạch điều khiển phải tương thích với phần điện trên ổ đĩa cứng hay nói cách khác là ổ đĩa và mạch điều khiền phải tương thích. RLL (Run Length Limited) là một phương pháp mã hóa bit trên các tấm đĩa giúp làm tăng mật độ bit. Phần lớn các ổ đĩa RLL cần phải tương thích với bộ điều khiển nó làm việc với. ESDI là một giao diện được phát triển bởi Maxtor làm tăng tốc trao đổi thông tin giữa PC và đĩa cứng. SCSI (tên cũ là SASI dành cho Shugart (sic) Associates), viết tắt cho Small Computer System Interface, là đối thủ cạnh tranh ban đầu của ESDI. Khi giá linh kiện điện tử giảm (do nhu cầu tăng lên) các chi tiết điện tử trước kia đặt trên cạc điều khiển đã được đặt lên trên chính ổ đĩa cứng. Cải tiến này được gọi là ổ đĩa cứng tích hợp linh kiện điện tử (Integrated Drive Electronics hay IDE). Các nhà sản xuất IDE mong muốn tốc độ của IDE tiếp cận tới tốc độ của SCSI. Các ổ đĩa IDE chậm hơn do không có bộ nhớ đệm lớn như các ổ đĩa SCSI và không có khả năng ghi trực tiếp lên RAM. Các công ty chế tạo IDE đã cố gắng khắc phục khoảng cách tốc độ này bằng phương pháp đánh địa chỉ logic khối (Logical Block Addressing - LBA). Các ổ đĩa này được gọi là EIDE. Cùng lúc với sự ra đời của EIDE, các nhà sản xuất SCSI đã tiếp tục cải tiến tốc độ SCSI. Những cải tiến đó đồng thời khiến cho giá thành của giao tiếp SCSI cao thêm. Để có thể vừa nâng cao hiệu suất của EIDE vừa không làm tăng chi phí cho các linh kiện điện tử không có cách nào khác là phải thay giao diện kiểu "song song" bằng kiểu "nối tiếp", và kết quả là sự ra đời của giao diện SATA. Tuy nhiên, hiệu suất làm việc của các ổ đĩa cứng SATA thế hệ đầu và các ổ đĩa PATA không có sự khác biệt đáng kể. Hiện nay, ổ đĩa cứng giao diện SATA là thông dụng hơn cả trên toàn thế giới. Hãng Western Digital đã đưa ra ổ cứng WD Caviar Green 3TB sử dụng giao tiếp SATA với giá bán là khoảng 4,7 triệu VND (239 USD) và phiên bản 2,5 TB sử dụng giao tiếp SATA sẽ có giá bán 3,7 triệu VND (189 USD). Ổ đĩa này có kích thước 3,5 inch sử dụng 4 lớp đĩa có dung lượng 750GB, có mức tiêu thụ điện năng thấp, nhiệt độ hoạt động cũng thấp hơn và ổ đĩa cũng hoạt động yên tĩnh hơn. Hình 05: Ổ đĩa cứng giao diện IDE(hay còn gọi là PATA) Hình 06: Ổ đĩa cứng giao diện SATA Trên thị trường hiện nay còn xuất hiện ổ lưu trữ thể rắn và ổ cứng gắn ngoài(External Drive). Ổ lưu trữ thể rắn SSD(Solid State Drive) là một thiết bị lưu trữ sử dụng bộ nhớ trạng thái rắn để lưu trữ dữ liệu trên máy tính một cách bền vững. Loại ổ cứng này lưu trữ dữ liệu dựa vào các tế bào nhớ, ở thể rắn, do đó gần như không gây tiếng ồn, không có độ trễ cơ học nên mang lại tốc độ truy cập cao hơn. Đồng thời không mất thời gian khởi động như ổ đĩa cứng (Hard Disk Drive). Ổ SSD sử dụng SRAM hoặc DRAM hoặc bộ nhớ FLash để lưu dữ liệu. SSD không có bộ phận chuyển động, vì vậy không giống như các ổ đĩa cứng truyền thống, ít có khả năng bị phá hủy do di chuyển và tạo ra rất ít nhiệt hoặc thậm chí không có nhiệt. Chúng tương tự như các thẻ nhớ SD được tìm thấy trong máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị khác, hoặc bộ nhớ trong của iPhone, PSP Go, và các thiết bị cầm tay khác. SSD đang dần đc biết tới, tuy nhiên vẫn hạn chế nhất định. Hiện tại SSD có giả cả vẫn khá cao so với ổ cứng bình thường.(ổ SSD G.Skill dung lượng 60GB có giá gần 5 triệu đồng Việt Nam). Hình 07: Ổ lưu trữ thể rắn Ổ cứng gắn ngoài hiện nay có giá đắt hơn ổ cứng gắn trong(một chiếc Samsung 160GB có giá khoảng 850000 đồng Việt Nam). Hình 08: Một ổ cứng gắn ngoài của hãng Western Digital Giờ đây(2011), người dùng máy tính có thể mua một ổ cứng giao diện SATA có dung lượng 160GB với giá khá rẻ, khoảng hơn bảy trăm ngàn đồng Việt Nam (so với năm 2007 là gần một triệu đồng Việt Nam). Các nhà phân phối linh kiện máy tính ở Việt Nam hầu hết chỉ nhập về ổ cứng với dung lượng nhỏ nhất là 160GB, ổ cứng dung lượng 80GB hiện giờ chỉ có thể mua hàng cũ đã qua sử dụng. Western Digital vừa chính thức công bố phiên bản nâng cấp của dòng ổ cứng Caviar Blue 3,5 inch với giao tiếp SATA 6.0 Gbps. Theo đó ổ cứng mới này có tốc độ quay 7200 RPM và sử dụng công nghệ Advanced Format với sector 4K. Western Digital 6.0 Gbps sẽ có sẵn với các mức dung lượng lưu trữ là 250 GB, 320 GB, 500 GB, 750 GB và 1 TB. Và có bộ nhớ đệm 16 MB (phiên bản 500 GB và thấp hơn) hoặc 32 MB (phiên bản 750 GB và 1 TB). Hiện ổ cứng này đã có mặt tại thị trường Châu Âu với mức giá tương ứng là 43,4 USD (250 GB), 44 USD (320 GB), 46 USD (500 GB), 60 USD (750 GB) và 71 USD (1 TB). Một số nhà sản xuất ổ đĩa cứng hàng đầu thế giới phải kể đến là: Western Digital, Seagate, Hitachi, Samsung,… Các hãng này hiện đang cạnh tranh nhau gay gắt về giá cả cũng như dung lượng, tính năng của ổ đĩa cứng. CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG 2.1. Sơ đồ khối Hình 09: Sơ đồ khối của ổ đĩa cứng 2.2. Nguyên lý làm việc và đặc tính của các khối 2.2.1. Đĩa từ Đĩa từ (platter) của ổ cứng là các đĩa bằng nhôm, thuỷ tinh, hoặc sứ có chế độ hoạt động tương đối năng, trên bề mặt được phủ một lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu. Đĩa từ được coi là vật liệu từ. Từ tính gây ra bởi lực từ, lực từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên, nó được sinh ra do chuyển động của các hạt có điện tích. Trên bề mặt đĩa từ có các điểm từ tính. Khi các điểm từ tính đó suy giảm hoặc mất khả năng từ tính thì hệ thống gọi hiện tượng đó là bad sector. Vì các điểm từ tính đó là các hạt từ tính được gắn kết lên platter bằng công nghệ và hóa chất đặc biệt, không dễ gì loại bỏ hay bổ xung khả năng từ tính cho nó. Đĩa từ được chế tạo rất đặc biệt giúp cho nó có khả năng lưu trữ tốt, an toàn và không bị “nhão” (nhả từ) như các thiết bị đọc ghi bằng từ tính khác (tuy nhiên cũng có một số loại đĩa từ sản xuất không đạt tiêu chuẩn qua thời gian có hiện tượng bị “nhão”). Đĩa được phủ vật liệu từ ở cả hai mặt (môi trường lưu trữ thực) và bao bọc bằng lớp vỏ bảo vệ. Sau khi đã hoàn tất và đánh bóng, các đĩa này được xếp chồng lên nhau và ghép nối với môtơ quay, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt động. Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng và công nghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau, có một số loại đĩa cứng chỉ có một đĩa từ. Trước khi chồng đĩa được lắp cố định vào khung, cơ cấu các đầu từ được ghép vào giữa các đĩa. Hình 10: Đĩa từ bên trong ổ đĩa cứng Có thể coi mỗi mặt đĩa cứng là một trường hai chiều: cao và rộng. Theo kiểu hình học này thì dữ liệu được ghi vào các vòng tròn đồng tâm, phân bố từ trục quay ra tới rìa đĩa. Mỗi vòng trong đồng tâm trên đĩa gọi là Track. Track có thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các đĩa nhựa (ghi âm nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này không có các gờ phân biệt và chúng là các vòng tròn đồng tâm chứ không nối tiếp nhau thành dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa. Track trên ổ đĩa cứng không cố định từ khi sản xuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi định dạng cấp thấp ổ đĩa (low format). Thông thường,mỗi đĩa có từ 312 đến 2048 rãnh. Track là một tập hợp bao gồm một số sector nhất định nhưng dung lượng từng track khác nhau có độ lớn từ trong ra ngoài (Track 0>track 1 >track 2 >…>track N>track N+1). Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểm tra bằng các phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (bad block) thì có nghĩa là phần cơ của nó đã rơ rão và làm việc không chính xác như khi mới sản xuất, lúc này thích hợp nhất là format cấp thấp cho nó để tương thích hơn với chế độ làm việc của phần cơ. Cylinder bao gồm những track có chung một tâm và đồng trục nằm trên những mặt đĩa từ. Tập hợp các track cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các mặt đĩa khác nhau thành các cylinder. Hình 11: Hình mô tả Cylinder Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu tiên làm việc tại một track nào thì tập hợp toàn bộ các track trên các bề mặt đĩa còn lại mà các đầu đọc còn lại đang làm việc tại đó gọi là cylinder (cách giải thích này chính xác hơn bởi có thể xảy ra thường hợp các đầu đọc khác nhau có khoảng cách đến tâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế tạo). Trên một ổ đĩa cứng có nhiều cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa từ. Hình 12: Mô tả Track/Cluster/Sector(cung từ) Mô tơ trục quay là bộ phận để gắn các đĩa từ lên nó, chúng được nối trực tiếp với động cơ quay đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ động cơ đến các đĩa từ. Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ (như hợp kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của chúng không được sai lệch - bởi chỉ một sự sai lệch nhỏ có thể gây lên sự rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trình đọc/ghi không chính xác. Hình 13: Mô tơ trục quay Một trong những yếu tố xác định chất lượng của ổ cứng là tốc độ mà đĩa từ lướt qua dưới đầu đọc/ghi. Đĩa từ lướt qua đầu từ với tốc độ khá cao (ít nhất là 3600 vòng/phút). Môtơ trục (spindle môtơ) có chức năng làm quay các đĩa từ. Môtơ trục là loại môtơ không có chỗi quét, chiều cao thấp, dùng điện một chiều, tương tự như môtơ trong ổ đĩa mềm. Khi môtơ được cấp điện, một từ trường được tạo ra trong các cuốn dây môtơ. Khi điện cắt, năng lượng từ trường lưu trữ trong các cuộn dây môtơ được giải phóng dưới dạng xung điện thế ngược. Kỹ thuật Hãm động (dynamic braking) sẽ sử dụng năng lượng của xung điện thế ngược đó để làm dừng đĩa lại. Tốc độ quay của motor trục quay: Thông thường thì các loại đĩa cứng hiện nay có tốc độ quay từ 5200rpm đến 7200rpm(rpm viết tắt của round per minute, nghĩa là số vòng quay trong một phút). Không chỉ có thế trên thị trường hiện nay đã có những loại ổ cứng chuyên dụng với khả năng có tốc độ đến 10000rpm hoặc 15000rpm. Tốc độ quay giữ một vai trò thiết yếu đến tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng, quay càng nhanh thì đọc và ghi càng nhanh nhưng như thế cũng đồng nghĩa là ổ cứng sẽ kêu to hơn và mau nóng hơn. Khi ổ cứng nóng lên (có nghĩa là đĩa từ cũng sẽ nóng lên theo) sẽ làm cho lực từ bị hao hụt và “nhiễu” lúc đó dữ liệu đọc và ghi sẽ có rất nhiều vấn đề. Với những loại ỗ cứng có tốc độ cao như thế này thì các nhà sản xuất luôn khuyến cáo người tiêu dùng nên trang bị thêm quạt giải nhiệt để kéo dài tuổi thọ và dữ liệu của ổ cứng. Nhờ có tốc độ cao như thế mà các ổ cứng thế hệ sau này đều có khả năng đọc hết tất cả mọi sector trên cùng một track chỉ bằng một vòng quay. Tốc độ của motor trục quay luôn luôn là một hằng số, nếu nó bị thay đổi có nghĩa là ổ cứng đó không thể sử được nữa. 2.2.2. Đầu từ, thanh mang đầu từ Đầu từ của ổ đĩa cứng thường được chế rao như trong ổ đĩa mềm, lõi sắt mềm cộng với 8 đến 34 (hoặc hơn) vòng dây đồng mảnh. Các đầu từ này có kích thước lớn và tương đối năng làm hạn chế số rãnh có thể có trên mặt đĩa mà hệ thống chuyển dịch đầu từ phải khắc phục. Hiện nay, các thiết kế đầu từ đã loại bỏ các kiểu quấn dây cổ điển mà dùng loại đầu từ màng mỏng. Nó được chế tạo giống như vi mạch dùng công nghệ quang hóa. Do kích thước nhỏ và nhẹ nên độ rộng của rãnh ghi cũng nhỏ hơn và thời gian dịch chuyển đầu tư nhanh hơn. Trong cấu trúc tổng thể, các đầu từ này được gắn vào các cánh tay kim loại dài(gọi là thanh mang đầu từ) điều khiển bằng môtơ. Các vi mạch tiền khuếch đại của đầu từ thường được gắn trên tấm vi mạch in nhỏ nằm trong bộ dịch chuyển đầu từ. Toàn bộ cấu trúc này được bọc kín trong hộp đĩa. Hộp được đậy kín bằng nắp kim loại có gioăng lót. Hình 14: Đầu từ(head) Đầu từ đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn dây (giống như nam châm điện). Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt hơn như: chuyển các hạt từ sắp xếp theo phương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc được thiết kế nhỏ gọn và phát triển theo các ứng dụng công nghệ mới. Đầu từ trong đĩa cứng có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặc từ hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu. Số đầu từ luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa (nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa nhưng chỉ sử dụng 3 mặt). Trên mỗi mặt đĩa từ của ổ cứng thì đều có một đầu từ riêng biệt, những đầu từ này có vai trò đọc/ghi dữ liệu lên bề mặt đĩa từ. Thanh mang đầu từ là thiết bị mà đầu từ gắn vào nó. Thanh mang đầu từ có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu từ tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay). Các thanh mang đầu từ di chuyển đầu từ được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục quay(đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dưới nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng vị trí tương ứng ở các bề mặt đĩa từ còn lại. Hình 15: Thanh mang đầu từ Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đọc ghi của đầu từ. Tốc độ của motor này phải đồng bộ với tốc độ của mô tơ chính (mô tơ quay đĩa từ) nếu không sẽ không thể đọc chính xác được dữ liệu. Cấu trúc mô tơ này khá đơn giản, nó không như một mô tơ thông thường mà chỉ đơn thuần là một bộ phận chuyển động có giới hạn trong một góc quay nhất định. Mô tơ này chỉ là một bộ khung có quấn cuộn cảm phát sinh lực từ để chuyển động và một nam châm có lực hút rất mạnh được gắn vào khung điều khiển của đầu đọc. Ở trạng thái binh thường không hoạt động, mô tơ này sẽ tự động đưa đầu đọc vào khoang trống, một khoảng không trống có khung bảo vệ bên ngoài các đĩa từ, để tránh rủi ro tối đa cho các đầu từ cực nhỏ được gắn trên thanh mang đầu từ. Bên trong ổ cứng là một môi trường chân không hoàn toàn và chống ẩm. Giữa đầu từ và mặt đĩa từ có một khoảng không gian cực nhỏ có thể nói là siêu nhỏ. “Ở giữa mặt đĩa từ và đầu từ là một khoảng không gian siêu nhỏ trong môi trường chân không bên trong ổ cứng” chứ không phải là “giữa ổ cứng và đầu đọc có một lớp đệm không khí hoặc lớp đệm từ trường” như một số bài báo và sách đã đề cập đến. Tốc độ mô tơ quay đĩa từ rất cao khi quay sẽ tạo ra gió nếu như ta mở nắp đậy ổ cứng ra, nếu có không khí bên trong ổ cứng thì khi đĩa từ quay với tốc độ cao như thế sẽ tạo gió làm rung và có thể thổi bay luôn cả những đầu đọc đồng thời trong không khí có rất nhiều bụi bẩn trong khi đó mặt đĩa từ phải luôn luôn sạch bóng. Do đó bên trong ổ cứng phải là môi trường chân không. Ổ cứng là một thiết bị lưu trữ dữ liệu bằng từ tính, đầu từ đọc và ghi bằng từ tính và mặt đĩa từ cũng có độ nhạy từ rất cao như thế thì không thể nào ở giữa đầu đọc và đĩa từ lại có thêm một lớp đệm từ trường. Hình 16: Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ 2.2.3. Bảng mạch điều khiển Bảng mạch điều khiển gồm có Mạch điều khiển và Mạch xử lý dữ liệu. Mạch xử lý dữ liệu dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa cứng. Mạch điều khiển có nhiệm vụ điều khiển mô tơ trục quay đĩa từ, điều khiển sự di chuyển của thanh mang đầu từ để đảm bảo đến đúng vị trí trên bề mặt đĩa. Ổ đĩa cứng được điều khiển bởi các mạch điện tử tương đối phức tạp. Bảng mạch điều khiển được gắn dưới bộ khung cơ khí và chứa hoàn toàn các mạch cần thiết để truyền tải các tín hiệu điều khiển và dữ liệu với bộ giao diện vật lý riêng, điều khiển đầu từ, thực hiện đọc/ghi theo yêu cầu và để quay các đĩa từ. Mỗi một chức năng kể trên phải được thực hiện hoàn hảo với độ chính xác cao. Hình 17: Toàn bộ bảng mạch điều khiển của ổ đĩa cứng Bảng mạch điều khiển bao gồm chip điều khiển toàn mạch, chip điều khiển vào/ra, bộ nhớ đệm cho ổ cứng (HDD cache), một ổ cắm nguồn 5+ 5- 12- 12+, và chân cắm chuẩn IDE hoặc SATA. Hình 18: một số thành phần trên bảng mạch điều khiển của ổ cứng Bộ nhớ đệm là nơi tạm lưu dữ liệu trong quá trình đọc/ghi dữ liệu. Dữ liệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện. Đối với các thế hệ ổ cứng trước đây bộ nhớ đệm rất thấp chỉ có từ 512kb trở xuống còn với các thế hệ ổ cứng hiện đại sau này thì số lượng cache rất cao từ 1Mb trở lên. Trong bo mạch của ổ cứng thì motor , chip controller và bộ nhớ đệm đóng vai trò rất quan trọng. Độ lớn của bộ nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất hoạt động của ổ đĩa cứng bởi việc đọc/ghi không xảy ra tức thời (do phụ thuộc vào sự di chuyển của đầu đọc/ghi, dữ liệu được truyền tới hoặc đi) sẽ được đặt tạm trong bộ nhớ đệm. Đơn vị thường bính bằng kB hoặc MB. Bộ nhớ đệm càng cao thì tốc độ truy xuất dữ liệu trên ổ cứng sẽ nhanh hơn rất nhiều và vấn đề sai sót dữ liệu cũng rất thấp. Tương tự , tốc độ quay của motor và khả năng điều khiển của bộ controller cũng không kém phần quan trọng, nếu tốc độ của ổ cứng (rpm - revolution per minute - số vòng trên phút) càng cao thì tốc độ truy xuất dữ liệu sẽ càng nhanh. Trong thời điểm năm 2007, dung lượng bộ nhớ đệm thường là 2 hoặc 8 MB cho các loại ổ đĩa cứng dung lượng đến khoảng 160 GB, với các ổ đĩa cứng dụng lượng lớn hơn chúng thường sử dụng bộ nhớ đệm đến 16 MB hoặc cao hơn. Bộ nhớ đệm càng lớn thì càng tốt, nhưng hiệu năng chung của ổ đĩa cứng sẽ chững lại ở một giá trị bộ nhớ đệm nhất định mà từ đó bộ nhớ đệm có thể tăng lên nhưng hiệu năng không tăng đáng kể. Hệ điều hành cũng có thể lấy một phần bộ nhớ của hệ thống (RAM) để tạo ra một bộ nhớ đệm lưu trữ dữ liệu được lấy từ ổ đĩa cứng nhằm tối ưu việc xử lý đối với các dữ liệu thường xuyên phải truy cập, đây chỉ là một cách dùng riêng của hệ điều hành mà chúng không ảnh hưởng đến cách hoạt động hoặc hiệu suất vốn có của mỗi loại ổ đĩa cứng. Có rất nhiều phần mềm cho phép tinh chỉnh các thông số này của hệ điều hành tuỳ thuộc vào sự dư thừa RAM trên hệ thống. Hiện nay tuy các nhà sản xuất đang ngày càng một nâng cao tốc độ của ổ cứng nhưng chắc chắn là tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng sẽ không bao giờ có thể nhanh bằng RAM (Random Access Memory - bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên). Để giảm bớt phần nào khoảng cách đó, các nhà sản xuất phần cứng và phần mềm đã tạo ra bộ đệm ổ cứng (disk cache). Bộ đệm của ổ cứng sử dụng một phần của RAM để lưu trữ những thông tin thường xuyên được các ứng dụng truy nhập. Chính việc lưu trữ những thông tin này trên RAM, bộ đệm đã giúp tốc độ truy xuất dữ liệu nhanh hơn và giúp kéo dài tuổi thọ của ổ cứng. Nguyên tắc hoạt động của bộ đệm khá đơn giản: những dữ liệu thường xuyên được truy nhập sẽ được lưu trữ trong RAM khi đó nếu có ứng dụng yêu cầu truy cập những dữ liệu này thì những dữ liệu này sẽ được lấy ra trực tiếp từ RAM chứ không cần ổ cứng phải làm những công vịêc như: quay đĩa, xác định vị trí đầu đọc, tìm kiếm… Có 4 kiểu bộ đệm ổ cứng chính: - Bộ đệm “mềm” (Software disk caches): sử dụng một phần bộ nhớ chính của máy (PC RAM – main memory) để truy xuất và lưu trữ tạm thời một phần dữ liệu của ổ cứng. Loại bộ đệm này do một chương trình tao và quản lý cho nên không cần đế những phần cứng hỗ trợ đặc biệt. VCACHE chính là một ví dụ thực tế về bộ đệm mềm. - Bộ đệm “cứng” (on-board disk caches): sử dụng bộ nhớ và bộ điều khiển cache được thiết kế ngay trên board mạch của ổ cứng. Mặc dù nó không hề sử dụng bất cứ một phần RAM nào của bộ nhớ chính (computer RAM) để làm công việc lưu trữ tạm thời nhưng chúng có dung lượng rất thấp (128KB->2MB cá biệt có thể lên đến 4MB) và cực kỳ đắt tiền. - Bộ đệm “riêng” (disk caching controllers): tương tự như bộ đệm cứng, bộ đệm riêng sử dụng bộ nhớ riêng (có cấu trúc khác RAM) nhưng bộ nhớ và bộ điều khiển mà bộ đệm này sử dụng là bộ nhớ và chíp điều khiển được gắn riêng rẽ trên một card điều khiển chứ không phải là trên board mạch của ổ cứng và lẽ dĩ nhiên giá thành của chúng cực kì đắt. Tuy nhiên, bộ đệm riêng lại hoạt động tốt và nhanh hơn rất nhiều so với bộ đệm cứng vì nó vượt qua được một số giới hạn của những phần của ổ cứng mà bộ đệm cứng luôn bị ảnh hưởng. - Buffers : ở đây ta không dịch hẳn từ buffer mà để nguyên như thế vì giữa buffers và cache có những điểm rất giống nhau. Có rất nhiều tài liệu biên dịch hoặc nguyên bản hoàn toàn không phân biệt giữa 2 khái niệm “cache” và “buffers” mà lại để nguyên là “bộ đệm” – như vậy là không chính xác! Vậy giữa cache và buffers có gì khác nhau và giống nhau? Có một điểm duy nhất giống nhau giữa cache và buffers chính là “chúng đều là bộ nhớ đệm có tác dụng lưu trữ tạm thời một số dữ liệu trên ổ cứng nhằm tăng tốc tốc độ truy xuất dữ liệu và tăng tuổi thọ cho ổ cứng” và điểm khác nhau giữa chúng là: + Cache có tốc độ cao hơn nhiều so với buffers. + Cache phải cần đến bộ điều khiển cache - nếu là “cứng” thì cần phài có chíp điều khiển, còn “mềm” thì phải cần phần mềm điều khiển – trong khi đó buffers chỉ là một con chíp nhớ đơn giản không cần bộ điều khiển riêng. + Buffers gặp rất nhiều giới hạn trong các quá trình giao tiếp và chuyển đổi dữ liệu bởi vì khả năng quản lý dữ liệu của nó rất kém. Khi lưu trữ dữ liệu tạm thời, buffer lưu trữ một lúc cả một track vì thế nếu muốn tìm một sector nào trên track này thì hệ điều hành lại phải tiếp tục tìm kiếm trên track mà buffer cung cấp - chậm hơn hẳn so với cache. Những điều cần chú ý đến Cache : “ổ cứng có cache lớn không có nghĩa là sẽ truy xuất dữ liệu nhanh hơn ổ cứng có cache nhỏ (hai cái cùng loại có cùng tốc độ và dung lượng)”. Điều này thì cũng không có gì là bất thường lắm, cache là bộ nhớ do đó tốc độ truy xuất của bộ nhớ làm cache càng nhanh thì càng tốt , tuỳ thuộc vào mức độ thôn minh và khả năng quản lý của “chíp điều khiển” (cache controllers chip) và cuối cùng là tổ chức của bộ nhớ làm cache (cho phép đọc/ghi dữ liệu tuỳ ý hoặc chỉ có thể đọc hoặc ghi từ đầu đến cuối). Tuy nhiên tác dụng của bộ cache sẽ mất hoặc giảm đi rất nhiều nếu như ổ cứng đã được defragment (phần này chúng tôi sẽ nói kỹ hơn ở phần Cấu trúc File System). VCACHE: Windows có một driver ảo gọi là VCACHE có nhiệm vụ quản trị bộ nhớ đệm cho ổ cứng. VCACHE chính là một sự thay thế cho “bộ đệm mềm” của DOS và các version Windows trước đó (thường được gọi là SmartDrive). VCACHE có khả năng thay đổi rất nhanh dung lượng bộ nhớ mà nó sử dụng, điều mà các trình quản lý bộ đệm trong DOS không thể làm được. Khi đĩa cứng hoạt động liên tục (chép file hoặc đọc file lớn) trong khi đó việc truy cập bộ nhớ lại thấp thì nó sẽ tự động điều chỉnh kích thước bộ đệm (tăng lên) cho phù hợp để RAM có thể chia sẻ bớt một phần công việc của đĩa cứng. Nguợc lại, khi ổ cứng ít hoạt động (ít truy xuất dữ liệu) nhưng RAM lại liên tục có lệnh truy xuất (khi chạy các ứng dụng tính toán cao cấp) thì nó sẽ tự động điều chỉnh kích thước bộ đệm ( giảm xuống) để có được dung lượng RAM tối đa cho các ứng dụng tính toán. VCACHE hoàn toàn có khả năng tạo ra những file cache (còn gọi là swap file) ngay trên ổ cứng mạng (98,Me). Nó sử dụng quá trình “đọc trước – ghi từ cache xuống” (read-ahead and write-behind caching). VCACHE là một ví dụ điển hình của “bộ đệm mềm” (software disk cache): - Đọc trước (read-ahead) : là một phương pháp xem xét thử phần dữ liệu nào sẽ được ứng dụng yêu cầu truy xuất kế tiếp rồi đọc nó vào bộ nhớ, nó luôn luôn được kích hoạt khi máy vi tính đang trong trạng thái nghỉ ngơi (Standby) hoặc ít hoạt động (Idle). Kết quả của phương pháp này là giảm được nhiều chuyển động của đầu đọc và đĩa cứng hoạt động êm hơn (không đọc nhiều nên không gây tiếng ồn). - Ghi từ cache xuống (write-behind caching): cũng cho kết quả tương tự nhưng nó còn bao gồm luôn công việc giữ phần dữ liệu trong cache để chúng đuợc ghi xuống đĩa cứng hoàn toàn cho đến khi máy vi tính nghỉ ngơi (shutdown). Một vấn đề với phương pháp này là “nếu như máy tính mất điện đột ngột thì những phần dữ liệu chưa được ghi từ cache xuống ổ cứng sẽ mất trắng không tìm lại được vì cache là một dạng bộ nhớ cần nguồn nuôi”. Jump cấp nguồn: cung cấp điện cho ổ đĩa cứng. Ổ đĩa cứng sử dụng một trong 2 loại jump cấp nguồn với 2 chuẩn cho ổ giao diện ATA và giao diện SATA. Hình 19: Jump cấp nguồn cho ổ cứng SATA Hình 20: Jump cấp nguồn cho ổ cứng ATA Hình 21: Loại jack nguồn cấp điện cho ổ cứng ATA Hình 22: Loại jack nguồn cấp điện cho ổ cứng SATA Jumper chuyển mạch: thiết đặt chế độ làm việc của ổ đĩa cứng: lựa chọn chế độ làm việc của ổ đĩa cứng (SATA 150 hoặc SATA 300) hay thứ tự trên các kênh trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông số làm việc khác... Hình 23: Mô tả jumper thiết lập của ổ cứng 2.2.4. Bộ khung cơ khí (Vỏ đĩa cứng) Bộ khung cơ khí rất quan trọng đối với hoạt động chính xác của ổ đĩa cứng, ảnh hưởng đến sự hợp nhất về cấu trúc, về nhiệt và về điện của ổ đĩa. Khung cần phải cứng và tạo nên một cái nền vững chắc để lắp ráp các bộ phận khác. Các ổ đĩa cứng thường dùng khung nhôm đúc, nhưng các ổ cứng loại nhỏ của máy tính xách tay thường dùng vo plastic. Vật liệu vỏ cụ thể phụ thuộc vào yếu tố hình dạng (form factor) tức là kích thước của ổ cứng. Vỏ đĩa cứng gồm các phần: phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phần nắp đậy lại để bảo vệ các linh kiện bên trong. Vỏ đĩa cứng có chức năng chính nhằm định vị các linh kiện và đảm bảo độ kín khít để không cho phép bụi được lọt vào bên trong của ổ đĩa cứng. Ngoài ra, vỏ đĩa cứng còn có tác dụng chịu đựng sự va chạm (ở mức độ thấp) để bảo vệ ổ đĩa cứng. Do đầu từ chuyển động rất sát mặt đĩa nên nếu có bụi lọt vào trong ổ đĩa cứng cũng có thể làm xước bề mặt, mất lớp từ và hư hỏng từng phần (xuất hiện các khối hư hỏng (bad block))... Thành phần bên trong của ổ đĩa cứng là không khí có độ sạch cao, để đảm bảo áp suất cân bằng giữa môi trường bên trong và bên ngoài, trên vỏ bảo vệ có các hệ lỗ thoáng đảm bảo cản bụi và cân bằng áp suất. Hình 24: Phần đế của ổ đĩa cứng Hình 25: Phần nắp của ổ đĩa cứng 2.3. Các chuẩn giao tiếp và cơ chế đọc ghi dữ liệu của ổ cứng 2.3.1. Các chuẩn giao tiếp của ổ cứng Có rất nhiều chuẩn giao tiếp đã ra đời và phát triển để xác định nguyên tắc làm việc giữa ổ cứng và CPU. Sự đa dạng này một phần xuất phát từ yêu cầu tốc độ đọc/ghi dữ liệu khác nhau giữa các hệ thống máy tính, phần còn lại các ổ giao tiếp nhanh có giá thành cao hơn nhiều so với các chuẩn thông dụng. Những chuẩn dưới đây đại diện cho những chuẩn thông dụng nhất thường được sử dụng giữa bộ điều khiển và ổ cứng: - ST-506/412 : tiêu chuẩn giao tiếp được phát triển bởi hãng Seagate và được sử dụng vào thời kì những máy IBM sơ khai(1980). Chuẩn này ngày nay đã hoàn toàn được thay thế bởi các chuẩn nhanh hơn như IDE, EIDE và SCSI. Hình 26: Khe cắm chuẩn giao tiếp ST-512 của ổ cứng - Enhanced Small Device Interface (ESDI): giao diện bộ điều khiển ổ cứng phải cần một thiết bị trợ giúp riêng biệt, là một chuẩn thay thế cho ST-506/412 tuy nhiên nó cũng đã lỗi thời và đã bị IDE, EIDE và SCSI thay thế. Chuẩn ST-506/412 và ESDI là rất khó chịu với ổ cứng và phải cần bộ điều khiển riêng biệt. Những chuẩn này không chỉ đơn thuần khác biệt ở chỗ dung lượng mà nó có thể truy xuất được mà còn là tốc độ của chúng. Ví dụ ST-506/412 có thể truyền đi khoảng 5-7.5 megabit/giây trong khi đó EIDE có thể truyền đi đến 16.6 megabit/giây. Hình 27: Cổng giao tiếp ESDI - Small Computer System Interface (SCSI): vẫn thường được gọi vui là “skuzzy” (từ chữ SCSI mà ra), là một loại chuẩn giao tiếp thường được dùng để kết nối máy tính cá nhân đến thiết bị khác như là ổ cứng, máy in, scanner và CD-ROM. Hầu hết các card SCSI đều không cần phải biết về kiểu thiết bị mà nó liên kết mà chỉ cần biết duy nhất một điều “thiết bị đó làm việc được với SCSI”. Ta có thể kết nối lên đến 7 thiết bị SCSI chung với nhau và rồi kết nối chúng đế một cổng (port) SCSI trên máy vi tính, cứ như là một cấu hình thường được gọi là “dây chuyền bậc nhất” (daisy chain). Hình 28: Ổ cứng sử dụng giao tiếp SCSI - Intergrated Drive Electronics (IDE): giao diện bộ điều khiển ổ cứng kết hợp với bộ điều khiển điện tử trên board của ổ cứng. Giao tiếp EIDE là một phát triển gần nhất của IDE. IDE kết hợp chặt chẽ những hoạt động trước kia thuộc quyền của của card điều khiển riêng bây giờ đã được tích hợp trực tiếp vào bên trong ổ cứng (nằm trên board). Kết quả là một ổ cứng IDE có thể sử dụng bộ kết nối IDE trên bo mạch chủ mà không cần đến bus slot. Máy vi tính chỉ cần IDE card khi và chỉ khi trên bo mạch chủ không được tích hợp bộ kết nối IDE. Card IDE cung cấp một kết nối vật lý thông qua một bus slot và có thể cung cấp thêm các chức năng điều khiển. Một ổ cứng IDE chỉ có thể chứa được cao nhất là 528 MB dữ liệu. Với chuẩn giao tiếp mới hơn, Enhanced IDE (EIDE), ổ cứng có thể chứa đến 8.4 GB. Những ổ cứng IDE có dung lượng vượt quá 504MB đôi lúc phải cần đến những phần mềm chuyên biệt như là Ontrack’s Disk Manager hoặc là Micro House’s EZ-Drive, bởi vì có rất nhiều máy vi tính không có BIOS hoặc controller hỗ trợ những ổ cứng IDE dung lượng lớn. Hình 29: Cổng giao tiếp IDE của ổ cứng - Extended Intergrated Drive Electronics (EIDE)(Parallel ATA (PATA) cũng được gọi là EIDE): chuẩn này còn được gọi là “Enhance IDE”, là một chuẩn giao tiếp gíup cho bộ điều khiển ổ cứng có thể kết nối khá nhiều thiết bị lưu trữ ( ổ cứng dung lượng lớn, CD-ROM và băng từ) với máy tính. EIDE là một bước phát triển của chuẩn IDE. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 100 MB/giây. Các bo mạch chủ mới nhất hiện nay gần như đã bỏ hẳn chuẩn kết nối này, tuy nhiên, người dùng vẫn có thể mua loại card PCI EIDE Controller nếu muốn sử dụng tiếp ổ cứng EIDE. Ổ cứng PATA (IDE) với 40-pin kết nối song song, phần thiết lập jumper (10-pin với thiết lập master/slave/cable select) và phần nối kết nguồn điện 4-pin, độ rộng là 3,5-inch. Có thể gắn 2 thiết bị IDE trên cùng 1 dây cáp, có nghĩa là 1 cáp IDE sẽ có 3 đầu kết nối, 1 sẽ gắn kết vào bo mạch chủ và 2 đầu còn lại sẽ vào 2 thiết bị IDE. Ổ cứng SCSI là ổ cứng có tốc độ nhanh nhất trong các chuẩn ổ cứng bởi vì bộ điều khiển SCSI (hoặc host adapter) có CPU riêng để quản lý việc truyền nhận dữ liệu và công việc của các thiết bị liên quan mà không cần sự giúp đỡ của CPU chính của hệ thống. Hệ thống của bạn sẽ chạy nhanh hơn rất nhiều do CPU chính không cần phải quan tâm đến việc truyền tải mà dành sức cho các công việc khác (đây lý do chính khíên cho các thiết bị chuẩn SCSI luôn luôn mắc tiền hơn các chuẩn khác). Thêm nữa là ổ cứng SCSI không cần phần bảo vệ và không mắc phải lỗi dịch sector (điều cho đến bây giờ vẫn mắc phải trên ổ cứng EIDE). Đâu là chỗ khác biệt giữa SCSI và EIDE ? Ngoài một điểm khác biệt khá rõ đã được trình bày ở phần trên còn điểm sau:  SCSI thể hiện sức mạnh qua việc cho phép một loạt thiết bị có thể khai thác một đường bus trong cùng một thời điểm và không cần sử dụng bus nếu thiết bị không yêu cầu. Đây là một điểm rất lợi thế của SCSI ! Trái lại so với SCSI thì EIDE chia thành 2 kênh bao gồm Primary và Secondary và hai kênh này sử dụng hai đường bus khác nhau. Tuy nhiên trong mỗi kênh EIDE lại chia thành 2 cấp Master và Slaver cho 2 thiết bị được gắn cùng một cáp trên một kênh. Vì cả 2 thiết bị chỉ được phép sử dụng 1 đường bus mà EIDE lại không có khả năng cho phép nhiều thiết bị cùng sử dụng 1 đường bus trong cùng một lúc nên các thiết bị này sẽ tuần tự lần lượt được cấp phép sử dụng bus. Đây là một điểm rất hạn chế của EIDE đặc biệt nếu bạn gắn ổ cứng chung với CD-ROM trên cùng 1 kênh thì tốc độ sẽ giảm đi rất nhiều lý do như sau : ổ CD-ROM có tốc độ rất chậm như vậy thời gian mà CD_ROM sử dụng đường bus sẽ rất lâu từ đó việc cấp quyền sử dụng cho ổ cứng sẽ bị hạn chế dẫn đến tốc độ của máy châm hẳn đi. Đây cũng là lý do giải thích việc người ta vẫn khuyên bạn nên gắn ổ cứng của mình và kênh Primary ổ CD-ROM vào kênh Secondary và nếu có từ 2 cổ cứng trở lên thì tốt nhất là nên gắn các ổ cứng có tốc độ tương đương với nhau trên cùng 1 kênh. Ngoài ra chuẩn SCSI còn có nhiều kiểu khác nhau: loại 8bit thì cần cáp 50 sợi, loại 16 bit thì cần cáp 68 sợi (SCSI mở rộng). Nhịp (clock) có thể là 5 MHz (SCSI 1) , 10MHz (FAST SCSI) , 20 MHz (Fast20 – ultra SCSI) , 40 MHz (Ultra 2-SCSI) hoặc 80Mhz (Ultra 3-SCSI). Sau đây là thống kê khả năng truyền dẫn dữ liệu của chuẩn SCSI:  ---SCSI Bus Clock----|----8 bit 50 sợi-------|-----16 bit 68 sợi-(mở rộng)— 5 MHz (SCSI 1) 5 Mgbyte/s Không hỗ trợ 10MHz (Fast SCSI) 10 Mgbyte/s 20 Mgbyte/s 20MHz(Ultra SCSI) 20 Mgbyte/s 40 Mgbtye/s 40Mhz (ultra2 SCSI) 40 Mgbyte/s 80 Mgbyte/s 80MHz(ultra SCSI) 80 Mgbyte/s 160 Mgbyte/s Hình 30: Jump tín hiệu của ổ cứng giao diện SATA Kể từ khi được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2001, chuẩn giao tiếp SATA (Serial Advanced Technology Attachment) đã dần thay thế giao tiếp PATA (Parallel ATA) và trở thành giao tiếp chủ yếu cho các thiết bị lưu trữ gắn trong máy tính để bàn cũng như máy tính xách tay. Chuẩn này giúp kết nối bo mạch chủ với các thiết bị lưu trữ như đĩa cứng, ổ lưu trữ thể rắn (SSD), ổ quang hay các thiết bị băng từ di động. Chuẩn giao tiếp SATA sử dụng cáp dữ liệu gồm 7 dây dẫn (3 dây nối đất và 4 dây dữ liệu chia thành 2 cặp), có đầu nối rộng 8mm ở hai đầu. SATA sử dụng cấu trúc điểm-điểm (point-to-point) để truyền dữ liệu, kết nối trực tiếp giữa chip điều khiển và thiết bị lưu trữ, nên không cần cấu hình theo mô hình master/slave phức tạp như giao tiếp PATA. Cáp SATA thường có chiều dài lên đến 1m, và một cáp chỉ kết nối trực tiếp bo mạch chủ với một thiết bị lưu trữ duy nhất, không giống như giao tiếp PATA, một cáp có thể kết nối bo mạch chủ với 2 thiết bị lưu trữ, sử dụng cáp gồm 40 hay 80 dây dẫn, độ dài giới hạn 45cm (hiện nay cũng có cáp PATA dài đến 90cm). Với ưu điểm sử dụng cáp bản nhỏ, cáp SATA phù hợp với không gian chật hẹp và không làm cản trở không khí lưu thông bên trong thùng máy. Đầu cắm SATA ngày nay được thiết kế thêm chấu cài bằng kim loại, nhằm tránh tình trạng dây cáp vô tình bị ngắt khỏi cổng kết nối trên bo mạch chủ cũng như trên thiết bị lưu trữ khi đang trong quá trình sao lưu dữ liệu. Chuẩn SATA cũng sử dụng cáp nguồn khác với chuẩn đầu cắm nguồn 4 chân của Molex đã tồn tại hàng chục năm nay. Tương tự như cáp dữ liệu, cáp nguồn SATA cũng nhỏ dẹp, sử dụng đầu cắm 15 chân và cung cấp 3 mức nguồn 3,3V, 5V và 12V. Hình 31: Jump cấp nguồn cho ổ cứng giao diện SATA Các chip điều khiển SATA sử dụng giao tiếp AHCI (Advanced Host Controller Interface) làm giao tiếp chuẩn, hỗ trợ các tính năng cao cấp của SATA như tháo lắp nóng và NCQ (Native Command Queuing). Tất cả thiết bị SATA đều hỗ trợ tháo lắp nóng, tuy nhiên tính năng này chỉ được hỗ trợ khi thiết bị chạy chế độ AHCI. Một số HĐH cũ không hỗ trợ AHCI, trong đó có Windows XP. Các HĐH mới sau này như Windows Vista, Windows 7, FreeBSD, Linux kernel 2.6.19 trở lên, cũng như Solaris và OpenSolaris đều hỗ trợ AHCI. Serial ATA là một bước phát triển của giao diện lưu trữ vật lý song song ATA, thay thế cáp chuẩn 40 sợi và đầu kết nối IDE thành cáp 7 sợi và đầu kết nối SATA. Công nghệ ATA song song đã đến đỉnh điểm của nó, nếu tiếp tục phát triển tiếp công nghệ này thì số tiền chi ra sẽ rất lớn trong khi đó hiệu quả lại không cao đồng thời gặp rất nhiều khó khăn vì các giới hạn cơ bản từ thởu khai sinh của Parallel ATA. Điều này đã thúc đẩy những nhà nghiên cứu tìm đến một giao diện mới hơn, cho hiệu quả tốt hơn và tin cậy hơn. Serial ATA hứa hẹn khả năng mở rộng công nghệ nền tảng ATA tối thiểu cũng được 10 năm. Ngày 27/5/2009, tổ chức Serial ATA International Organization (SATA-IO) đã chính thức công bố đặc tả kỹ thuật cho chuẩn giao tiếp SATA phiên bản 3.0. So với SATA 2.0, chuẩn SATA 3.0 có tốc độ nhanh gấp đôi và có những cải tiến mới. Với băng thông dữ liệu lên đến 6Gb/giây (SATA 2.0 là 3Gb/giây), SATA 3.0 góp phần tăng hiệu năng cho ổ đĩa lưu trữ, giảm hiện tượng nghẽn cổ chai trong quá trình truyền dữ liệu. Nhờ tính năng tương thích ngược với các chuẩn giao tiếp SATA 1.0 và 2.0, nên các chuẩn đầu cắm và cáp kết nối hiện đang dùng cho phiên bản SATA 2.0 đều sử dụng được cho SATA 3.0. Điều này không những giúp người dùng giảm thiểu chi phí sắm cáp mới khi nâng cấp lên SATA 3.0 mà còn giúp các hãng sản xuất duy trì chính sách đầu tư của họ. Đặc tả SATA 3.0 có nhiều tính năng cải tiến so với phiên bản trước, bao gồm: - Giao thức điều khiển dòng dữ liệu NCQ mới cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao như các ứng dụng video/audio - Khả năng quản lý NCQ nhằm tăng hiệu năng tổng thể của hệ thống - Cải thiện tính năng tiết kiệm điện năng - Bổ sung đầu cắm nhỏ LIF (Low Insertion Force) cho các thiết bị lưu trữ kích thước nhỏ gọn 1,8” - Đầu cắm 7mm thiết kế cho ổ đĩa quang dành cho netbook mỏng và nhẹ - Phù hợp chuẩn INCITS ATA8-ACS (chuẩn CNTT của Ủy ban Quốc tế INCITS – International Committee for Information Technology Standards) Được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp máy tính ngày nay, chuẩn giao tiếp SATA sẽ tiếp tục trưởng thành và phát triển mạnh mẽ theo thời gian. Chuẩn giao tiếp SATA 3.0 góp phần mang đến cho lĩnh vực lưu trữ các giải pháp lưu trữ tốc độ cao, hỗ trợ tốt hơn cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông dữ liệu cao. Ngoài ra, với tính năng tương thích ngược, SATA 3.0 là một giải pháp hoàn hảo giúp nâng cao tốc độ gấp đôi mà vẫn tiết kiệm chi phí đầu tư cáp cho người dùng. SATA 3.0 sử dụng cùng chuẩn cáp và đầu cắm 7 chân như các thế hệ SATA trước, so với cáp PATA 40 chân (bên trái): Hình 32: Cáp PATA(bên trái) và cáp SATA(bên phải) Bảng so sánh tốc độ giữa Sata 1.0, Sata 2.0 và Sata 3.0: Sata 1.0 Chuẩn giao tiếp SATA thế hệ đầu với tốc độ truyền 150MB/giây. Sata 2.0 Chuẩn SATA nâng cao, tốc độ truyền 300MB/giây, tương thích ngược SATA 1.0. Sata 3.0 Chuẩn giao tiếp SATA mới nhất với tốc độ truyền 600MB/giây và khả năng tương thích ngược SATA 1.0 và 2.0. Những lợi ích của Serial ATA: - Tính tương thích phần mềm : đối với các phần mềm hệ thống, một thiết bị Serial ATA chẳng khác chút gì sơ với các thiết bị xưa cũ UDMA/ATA. Với các phần mềm ngày nay, không tương thích là mấy với các thiết bị cũ , Serial ATA hứa hẹn một sự chuyển đổi không liền mạch và sự chấp thuận nhanh chóng. - Cáp serial : Các thiết bị Serial ATA kết nối đến hệ thống thông qua một sợi cáp không đắt (khá rẻ) cung cấp một đầu nối nhỏ thích hợp cho môi trường tiết kiệm không gian tối đa của server. Điều này cho phép Serial ATA giảm bớ số lượng tín hiệu từ 26 tín hiệu như Parallel ATA thành 4 tín hiệu. Cáp Serial ATA còn có thể cung cấp điện năng cho thiết bị (tuỳ chọn không phải là mặc định). - Duy nhất 1 thiết bị trên 1 cáp: Khác xa với Parallel ATA, Serial ATA bỏ hẳn việc phân chia Master và Slave thay vào đó là chỉ duy nhất một thiết bị trên 1 cáp được hệ thống công nhận là thiết bị Master ATA. - Công nghệ truyền chuỗi dữ liệu: Serial ATA sử dụng công nghệ truyền chuỗi 8B/10B để truyền nhận dữ liệu thông qua serial cáp. Sơ đồ bảo toàn dữ liệu cao cấp này được nhanh chóng chấp nhận trên diện rộng như là một sơ đồ truyền chuỗi thực tế và thường được dùng trong nhiều công nghệ như GigabitEthernet và Fibre Channel. Đây thực sự là giai đoạn chuyển tiếp Serial ATA thành một phần của việc phát triển iSCSI trong tương lai. - Điện thế thấp phân biệt tín hiệu: Serial ATA sử dụng điện thế thấp nhằm phân biệt tín hiệu (LVD) bằng nguồn điện 250mV. Nó còn bao gồm cả một nguồn điện nuôi thấp và cần bộ giải nhiệt. - Con đường phát triển còn dài (10 năm nữa): Serial ATA dự định sẽ đưa ra 3 thế hệ có khả năng chuyển nhận dữ liệu lên đến 1.5Gbit/sec, 3.0Gbit/s, và 6.0Gbit/s tức là cho phép tốc độ truyền cho từng thế hệ lên đến 150Mbyte/s,300 Mbyte/s và 600 Mbyte/s. - Hiệu suất cao hôm nay và tương lai : ngay từ thế hệ đầu tiên SerialATA đã đạt đến tốc độ 150Mbyte/s so với tốc độ tối đa mà Parallel ATA (giao diện ATA song song) đạt được là 133Mbyte/s. SerialATA còn dự định sẽ tiếp tục cho ra đời 2 thế hệ tiếp theo với tốc độ cực cao 300Mbyte/s và 600Mbyte/s cho cùng 1 loại cáp (loại 150Mbyte/s) và đầu nối. - Hiệu quả kinh tế cao: với người sử dụng máy vi tính tại gia (Desktop PC) vấn đề nâng cấp phần cứng mới luôn là vấn đề lớn. Tuy nhiên các nhà sản xuất đã dự tính những ổ đĩa SerialATA sẽ có giá thành tương đương với các ổ đĩa Parallel ATA hiện lại nhưng lại có tốc độ cao và dung lượng cao hơn. - Tháo ráp “nóng” và hữu dụng : các thiết bị SerialATA sẽ có them chức năng tháo ráp nóng (hot swapable), điều mà với các ổ cứng Parallel ATA ta không bao giờ làm được. Điểm mạnh này sẽ làm cho SerialATA trở thành một giải pháp có thể tồn tại được và trong tương lai sẽ thay thế cho giải pháp RAID vốn rất rườm rà. - Cáp kết nối trực tiếp (Point-to-point cabling) : SerialATA chỉ cho phép kết nối 1 port cho 1 ổ cứng duy nhất và cũng chính vì thế đã nâng cao khả năng cô lập lỗi đồng thời tăng hiệu năng cho thiết bị. Không những thế , vì SerialATA không phải chia sẽ bus nên mỗi ỗ đĩa có thể hoàn toàn đạt đến tốc độc 150Mbyte/s. - Dễ lắp đặt (cáp) và có lợi cho việc lưu chuyển không khí: SerialATA sử dụng cáp dài, mỏng , mềm dẽo dễ uốn (không cứng và dễ nát như Parallel ATA) đồng thời truyền dẫn và lắp đặt đơn giản , những tính năng trên sẽ giúp tăng cường việc lưu chuyển không khí cho hệ thống và tăng hiệu năng giải nhiệt cho quạt. Tổng hợp lại đặc trưng và ích lợi của SerialATA: Đặc trưng :  - Được thiết kế có tốc độ cao cho tương lai. - Giao diện tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 150Mbyte/s (và sẽ còn cao hơn) - Chi phí thấp - Chuyển từ việc thiêt bị lưu trữ trong thànhthiết bị lưu trữ ngoài trong tương lai - Kết nối trực tiếp từ máy đến một thiết bị duy nhất - Điện thế thấp - Sử dụng ít pin ASIC hơn - Giao tiếp điều khiển điên năng mới - Driver và phần mềm khác biệt hoàn toàn so với Parallel ATA - Lệnh điều chỉnh. - DMA nhóm đầu tiên - Cáp và đầu kết nối khác hẳn so với Parallel. Ích lợi: - Con đường phát triển còn dài (10năm nữa) sẽ làm giảm thiểu lại vấn đế “đa chuẩn giao tiếp thiết bị” trong ngành công nghiệp máy tính hiện nay. - Được giới thiệu lần đầu với tốc độ 150Mbyte/s dẫn đầu về tốc độ truyền tải dữ liệu trên ổ cứng và đã tránh được lỗi “thắt cổ chai” có thể xảy ra với ổ đĩa 133Mbyte/s Parallel ATA. - Chi phí thấp tương đương với Parallel ATA - Được thiết kế cho việc lưu trữ bên trong. Dự định SerialATA sẽ được phát triển có thêm tính năng đặc biệt là “lưu trữ bên ngoài” (external storage). - Lắp đặt và cấu hình dễ dàng . Không cần phải chỉnh jumper hoặc termination bên ngoài, giảm thời gian tích hợp và thoả mãn yêu cầu dịch vụ của ngừoi dung cuối (end-user). SerialATA đã đặt dấu chấm hết cho vấn đề kiểm tra Master/slave bị lỗi và tăng cường cô lập vùng lỗi. Cả 2 thiết bị đều có thể truyền tải dữ liệu song song. - Kết thúc việc sử dụng nguồn 5V cho tín hiệu I/O nhằm đơn giản thiết kế phần cứng ,giàm giá và ít tốn điện năng. - Cho phép ASIC pin thành dạng “pin co chết” (die-shrink, rất dễ cắm và không bị cong quẹo như pin thông thường) nhằm nâng cao hiệu quả chi phí cho cả thiết bị lẫn máy. - Sử dụng lại driver của Parallel ATA làm đơn giản quá trình chuyển đổi. - Giảm tổng chi phí , tăng hiệu năng. Cho phép mơ rộng thị trường tới các server tiếp nhận (entry-level) và các hệ thống RAID. - Quản lý điện năng và tiêu thụ điện năng thích hợp cho thiết bị di động. - Cho phép thiết bị truy cập trực tiếp đến bộ nhớ của máy , giảm thiểu tổng lệnh và tình trang cần xử lý cho bộ vi xử lý. - SerialATA sử dụng lại cáp mới, dài , mỏng cùng loại đầu nối mới. Với những ích lợi mà SerialATA mang lại, người ta không thể không đặt ra vấn đề “liệu SerialATA có đẩy Parallel ATA đến chỗ không còn xuất hiện trên thị trường trong vòng 1 hoặc 2 năm tới không?” Câu trả lời lúc này là “chưa xác định được” ! Tuy nhiên một điều rõ ràng mà ta có thể nhận thấy là người sử dụng đang dần dần chuyển sang SerialATA , một sự lựa chọn thị trường tương tự như quá trình chuyển tiếp từ Parallel ATA sang SerialATA. Chính vì lẽ đó Serial ATA và Parallel ATA sẽ còn chung sống với nhau nhiều năm nữa nhưng Parallel ATA “chỉ hỗ trợ và lót đường cho sự phát triển của SerialATA”. Cũng như những công nghệ sáng tạo khác, sự lựa chọn luôn kèm theo vấn đề giá cả và chất lượng. Hiện nay các thiết bị SerialATA đã xuất hiện nhiều trên thị trường và càng ngày càng có nhiều dấu hiện cho thấy thị trường tiềm năng mà SerialATA mang lại. SerialATA sẽ còn tiếp tục giảm giá - đòn ăn mòn thị trường Parallel ATA một cách từ tốn ! SerialATA, như đã bàn đến về mặt thiết kế ở trên, chỉ có thể là một giải pháp dành cho các thiết bị lắp trong (inside-a-box solution) cho nên SerialATA không thể kết nối với các thiết bị ngoài. USB vẫn là cách tối ưu để kết nối những thiết bị ngoài. Những thiết bị được SerialATA hỗ trợ : chuẩn giao tiếp ATA , ATAPI như CDs, DVDs, băng từ, các loại đĩa dung lượng lớn tháo lắp được ,ZIP, CDRW’s. 2.3.2. Cơ chế đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng Toàn bộ cơ chế đọc/ghi dữ liệu chỉ được thực hiện khi máy tính (hoặc các thiết bị sử dụng ổ đĩa cứng) có yêu cầu truy xuất dữ liệu hoặc cần ghi dữ liệu vào ổ đĩa cứng. Việc thực hiện giao tiếp với máy tính do bo mạch của ổ đĩa cứng đảm nhiệm. Ta biết rằng máy tính làm việc khác nhau theo từng phiên làm việc, từng nhiệm vụ mà không theo một kịch bản nào, do đó quá trình đọc và ghi dữ liệu luôn luôn xảy ra, do đó các tập tin luôn bị thay đổi, xáo trộn vị trí. Từ đó dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng không được chứa một cách liên tục mà chúng nằm rải rác khắp nơi trên bề mặt vật lý. Một mặt khác máy tính có thể xử lý đa nhiệm (thực hiện nhiều nhiệm vụ trong cùng một thời điểm) nên cần phải truy cập đến các tập tin khác nhau ở các thư mục khác nhau. Như vậy cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theo tuần tự mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt đĩa từ, đó là đặc điểm khác biệt nổi bật của ổ đĩa cứng so với các hình thức lưu trữ truy cập tuần tự (như băng từ). Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ, CPU sẽ đòi hỏi dữ liệu (nó sẽ hỏi tuần tự các bộ nhớ khác trước khi đến đĩa cứng mà thứ tự thường là cache L1-> cache L2 ->RAM) và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ liệu chứa trên nó. Không đơn thuần như vậy CPU có thể đòi hỏi nhiều hơn một tập tin dữ liệu tại một thời điểm, khi đó sẽ xảy ra các trường hợp: - Ổ đĩa cứng chỉ đáp ứng một yêu cầu truy cập dữ liệu trong một thời điểm, các yêu cầu được đáp ứng tuần tự. - Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu theo phương thức riêng của nó. Trước đây đa số các ổ đĩa cứng đều thực hiện theo phương thức 1, có nghĩa là chúng chỉ truy cập từng tập tin cho CPU. Ngày nay các ổ đĩa cứng đã được tích hợp các bộ nhớ đệm (cache) cùng các công nghệ riêng của chúng (TCQ, NCQ) giúp tối ưu cho hành động truy cập dữ liệu trên bề mặt đĩa nên ổ đĩa cứng sẽ thực hiện theo phương thức thứ 2 nhằm tăng tốc độ chung cho toàn hệ thống. Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện đồng thời hai chuyển động: Chuyển động quay của các đĩa và chuyển động của các đầu đọc. Sự quay của các đĩa từ được thực hiện nhờ các động cơ gắn cùng trục (với tốc độ rất lớn: từ 3600 rpm cho đến 15.000 rpm) chúng thường được quay ổn định tại một tốc độ nhất định theo mỗi loại ổ đĩa cứng. Khi đĩa cứng quay đều, cần di chuyển đầu đọc sẽ di chuyển đến các vị trí trên các bề mặt chứa phủ vật liệu từ theo phương bán kính của đĩa. Chuyển động này kết hợp với chuyển động quay của đĩa có thể làm đầu đọc/ghi tới bất kỳ vị trí nào trên bề mặt đĩa. Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện trường để đọc dữ liệu (và tương ứng: phát ra một điện trường để xoay hướng các hạt từ khi ghi dữ liệu).Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa. Việc thực hiện phân bổ dữ liệu trên các đĩa được thực hiện nhờ các mạch điều khiển trên bo mạch của ổ đĩa cứng. Gần 50 năm trước , nền công nghiệp ổ đĩa đã tập trung dành riêng cho phương pháp ghi gọi là Ghi từ trường theo chiều dọc , trong đó sự từ hoá của mỗi Bit dữ liệu sắp theo hàng ngang với sự quay của đĩa . Trong kiểu ghi theo chiều dọc , những trường giữa những Bit kề sát nhau mà có trường ngược nhau được tách riêng bằng một vùng chuyển tiếp (transition region) . Trong khi mật độ phân bố ( tổng số dữ liệu được lưu trữ trên ổ cứng trên một Inch vuông và bằng Số Track/inch x Số Bit/inch ) cứ hai năm thì tăng gấp đôi và có khi còn nhiều hơn , và tốc độ này đã tăng chậm dần . Giới hạn của Mật độ phân bố đối với công nghệ ghi theo chiều dọc lại phụ thuộc vào Hiệu ứng Superparamagtic ( Điểm mà tại đó những vùng từ trường rời rạc của bề mặt đĩa quá nhỏ dẫn đến sự định hướng từ trường của chúng không ổn định trong môi trường nhiệt độ thông thường). Chính vì vậy hầu hết mật độ phân bố chỉ đạt được 100 tới 200 Gbits/ in2 trên ổ cứng là giới hạn cuối cùng. Đó chính là nguyên nhân dẫn tới sự chậm trễ việc tăng dung lượng lưu trữ trên ổ cứng dùng công nghệ ghi theo chiều dọc. Và đó cũng chính là nguyên nhân tạo ra công nghệ ghi vuông góc ngày nay . Trong cách ghi vuông góc , từ trường của Bit sắp thành hàng thẳng đứng - hoặc vuông góc - với chiều quay của đĩa . Khi đó những Bit không trực tiếp đối đầu với nhau và ảnh hưởng lẫn nhau giữa chúng giảm đi đáng kể . Điều đó cho phép những Bit xích lại gần nhau hơn và những tín hiệu truyền được rõ ràng hơn , thuận tiện cho phát hiện những Bit lỗi và chỉnh sửa lỗi . Kết quả của nó là khả năng cao mật độ lưu trữ thông tin trên một in2 tăng lên . Để giúp cho việc hiểu cách khi vuông góc làm việc như thế nào , chúng ta sẽ xem xét những Bit như là một thanh nam châm nhỏ . Thông thường ghi theo chiều dọc , những nam châm đại diện cho những Bit nằm liên tiếp gối nhau dọc theo những Track tròn trên đĩa . Nếu những Bit này được tích hợp ở mật độ cao và có những giá trị 0 và 1 , sẽ xảy ra trường hợp những nam châm kề sát nhau đối đầu với nhau – Ví dụ : cực bắc với cực bắc – và đối đuôi nhau ( cực nam với cực nam ) , lúc đó chúng sẽ tác động qua lại đẩy nhau làm cho chúng ở trạng thái dễ không ổn định nhất là khi có ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường . Cũng tương tự như thế khi những Bit đứng gần nhau mà trái đầu nhau và chúng sẽ hút nhau gây nên sự không ổn định của dữ liệu . Ảnh hưởng này càng lớn khi chúng càng đứng gần nhau và đó cũng chính là mặt hạn chế của công nghệ ghi theo chiều dọc . Một ưu thế trong công nghệ ghi vuông góc chính là tạo được những Bit có kích thước rất nhỏ khi so sánh với công nghệ ghi theo chiều dọc mà không bị ảnh hưởng bới Hiệu ứng Superparamagtic , như đã nói bên trên , bằng cách lưu trữ thông tin trên vật liệu trung gian có từ tính mạnh hơn , chính vì thế dữ liệu sẽ có độ ổn định cao . Điều ảnh hưởng tới sắp xếp vuông góc luồng nam châm là hướng qua một vật liệu từ trường mềm ( và tương đối dày ) nằm lớp bên dưới của màng từ trường cứng . Lớp từ trường mềm bên dưới có thể tác động lên Đầu ghi , làm cho Đầu ghi có công suất mạnh lên và nó có khả năng tạo nên trường ghi lớn hơn về bản chất cũng tương tự như Đầu đọc trong công nghệ ghi theo chiều dọc. 2.4. Các công nghệ đặc biệt của ổ đĩa cứng 2.4.1. S.M.A.R.T S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) là công nghệ tự động giám sát, chuẩn đoán và báo cáo các hư hỏng có thể xuất hiện của ổ đĩa cứng để thông qua BIOS, các phần mềm thông báo cho người sử dụng biết trước sự hư hỏng để có các hành động chuẩn bị đối phó (như sao chép dữ liệu dự phòng hoặc có các kế hoạch thay thế ổ đĩa cứng mới). Trong thời gian gần đây S.M.AR.T được coi là một tiêu chuẩn quan trọng trong ổ đĩa cứng. S.M.A.R.T chỉ thực sự giám sát những sự thay đổi, ảnh hưởng của phần cứng đến quá trình lỗi xảy ra của ổ đĩa cứng (mà theo hãng Seagate thì sự hư hỏng trong đĩa cứng chiếm tới 60% xuất phát từ các vấn đề liên quan đến cơ khí): Chúng có thể bao gồm những sự hư hỏng theo thời gian của phần cứng: đầu đọc/ghi (mất kết nối, khoảng cách làm việc với bề mặt đĩa thay đổi), động cơ (xuống cấp, rơ rão), bo mạch của ổ đĩa (hư hỏng linh kiện hoặc làm việc sai). S.M.A.R.T không nên được hiểu là từ "smart" bởi chúng không làm cải thiện đến tốc độ làm việc và truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng. Người sử dụng có thể bật (enable) hoặc tắt (disable) chức năng này trong BIOS (tuy nhiên không phải BIOS của hãng nào cũng hỗ trợ việc can thiệp này). 2.4.2. Ổ cứng lai Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) là các ổ đĩa cứng thông thường được gắn thêm các phần bộ nhớ flash trên bo mạch của ổ đĩa cứng. Cụm bộ nhớ này hoạt động khác với cơ chế làm việc của bộ nhớ đệm (cache) của ổ đĩa cứng: Dữ liệu chứa trên chúng không bị mất đi khi mất điện. Hình 33: Ổ cứng lai Trong quá trình làm việc của ổ cứng lai, vai trò của phần bộ nhớ flash như sau: - Lưu trữ trung gian dữ liệu trước khi ghi vào đĩa cứng, chỉ khi máy tính đã đưa các dữ liệu đến một mức nhất định (tuỳ từng loại ổ cứng lai) thì ổ đĩa cứng mới tiến hành ghi dữ liệu vào các đĩa từ, điều này giúp sự vận hành của ổ đĩa cứng tối hiệu quả và tiết kiệm điện năng hơn nhờ việc không phải thường xuyên hoạt động. - Giúp tăng tốc độ giao tiếp với máy tính: Việc đọc dữ liệu từ bộ nhớ flash nhanh hơn so với việc đọc dữ liệu tại các đĩa từ. - Giúp hệ điều hành khởi động nhanh hơn nhờ việc lưu các tập tin khởi động của hệ thống lên vùng bộ nhớ flash. - Kết hợp với bộ nhớ đệm của ổ đĩa cứng tạo thành một hệ thống hoạt động hiệu quả. Những ổ cứng lai được sản xuất hiện nay thường sử dụng bộ nhớ flash với dung lượng khiêm tốn ở 256 MB bởi chịu áp lực của vấn đề giá thành sản xuất. Do sử dụng dung lượng nhỏ như vậy nên chưa cải thiện nhiều đến việc giảm thời gian khởi động hệ điều hành, dẫn đến nhiều người sử dụng chưa cảm thấy hài lòng với chúng. Tuy nhiên người sử dụng thường khó nhận ra sự hiệu quả của chúng khi thực hiện các tác vụ thông thường hoặc việc tiết kiệm năng lượng của chúng. Hiện nay(2011) giá thành của một ổ cứng lai với dung lượng 500GB là khoảng gần 150USD(theo amazon.com). 2.4.3. Công nghệ định dạng cấp cao(Advanced Format) Từ tháng 1/2011, các hãng sản xuất đĩa cứng sẽ áp dụng công nghệ mới có tên Advanced Format, mang đến một sự thay đổi lớn cho công nghệ đĩa cứng tương lai. Như ta đã biết, cung từ (sector) là đơn vị lưu trữ nhỏ nhất trong ổ đĩa cứng. Từ thuở sơ khai cách đây khoảng 30 năm, khi máy tính còn dùng hệ điều hành (HĐH) DOS, ổ đĩa cứng đã được định dạng thành những sector có kích thước 512 byte. Hình 34: Cấu trúc sector 512-byte và Cấu trúc Advanced Format Chú thích: Sync/DAM: khối chứa địa chỉ vị trí dữ liệu ECC: mã sửa sai Mỗi sector 512 byte đều bao gồm khối chứa địa chỉ vị trí dữ liệu (Sync/DAM) và một vùng để lưu trữ mã sửa sai ECC (Error Correcting Code). Ngoài ra, giữa các sector còn có một khoảng trống nhỏ, do đó dung lượng hữu dụng của ổ đĩa cứng luôn nhỏ hơn thông báo của nhà sản xuất. Việc chia thành các sector 512 byte hữu dụng với ổ đĩa cứng có dung lượng vài megabyte (MB) trước đây. Nhưng với sự phát triển của công nghệ, dung lượng của ổ đĩa cứng ngày nay lên đến hàng terabyte (TB), và định dạng sector 512 byte của ổ đĩa cứng hiện nay đã cho thấy những mặt hạn chế, gây lãng phí dung lượng lưu trữ. Để khắc phục vấn đề này, Hiệp hội quốc tế về thiết bị và vật liệu ổ đĩa IDEMA (International Disk Drive Equipment and Materials Association) và các hãng sản xuất đĩa cứng hàng đầu đã đưa ra công nghệ Advanced Format (định dạng cao cấp), nhằm nâng dung lượng mỗi sector từ 512 byte lên thành 4.096 byte (4KB). Hiện nay, tập tin tạo ra từ các phần mềm hầu như có kích thước trung bình lớn hơn 512 byte. Đó là lý do kích thước 512 byte của một sector trở nên “lạc hậu” và cũng là lý do để các hãng sản xuất tăng kích thước sector lên 4KB. Mỗi vùng ECC trong cấu trúc sector 512 byte có kích thước 40 byte. Do đó, 8 sector 512 byte (tương đương 4KB) sẽ cần đến 320 byte để lưu mã ECC. Trong khi đó, mỗi sector 4KB chỉ cần 100 byte để lưu dữ liệu ECC, tiết kiệm đến 220 byte so với cấu trúc sector 512 byte. Theo Western Digital, một trong những hãng tiên phong trong việc sử dụng Advanced Format, định dạng mới với các sector 4KB sẽ giúp tiết kiệm dung lượng ổ cứng nhiều hơn, giảm không gian lãng phí khoảng 8 lần, hiệu suất cũng sẽ được nâng lên 7-11%. Đồng thời, công nghệ Advanced Format cũng giúp cải tiến việc sửa lỗi theo khối đến 50% thông qua việc sử dụng đoạn mã ECC lớn hơn. Từ tháng 1/2011, các hãng sản xuất đĩa cứng trên thế giới cam kết sẽ áp dụng việc chuyển đổi này cho các sản phẩm mới của họ, và ổ đĩa cứng sử dụng công nghệ sector Advanced Format đều sẽ mang logo AF. 2.4.4. Ổ lưu trữ thể rắn SSD(Solid State Drive) Solid-State Drive(SSD) là ổ lưu trữ thể rắn không sử dụng đĩa từ mà hoàn toàn dựa trên bộ nhớ flash NAND. Do đó, SSD có độ bền cao khi di chuyển (do không có bộ phận cơ khí), tiêu thụ ít điện năng hơn, nhẹ hơn, nhỏ hơn và tốc độ làm việc nhanh hơn ổ cứng thông thường rất nhiều. Hiện giá SSD vẫn còn cao so với túi tiền của người tiêu dùng, dù vẫn giảm 30%/năm. Ví dụ, loại 64 GB giá khoảng 900 USD, 128 GB giá 1.500 USD trong khi ổ cứng thông thường(HDD) dung lượng tương đương chỉ có giá trên dưới 100 USD. HDD(ổ cứng thông thường) chỉ cần thêm điện năng khi xử lý dữ liệu nhưng SSD cần lượng điện gần như bằng nhau vào bất kỳ lúc nào. Vấn đề của SSD nằm ở chỗ chế độ tiết kiệm điện chỉ được đặt là "bật" và "tắt". Thậm chí, một số nhà sản xuất còn chưa đưa tính năng tiết kiệm điện vào ổ này. Còn HDD luôn bật chế độ này để nếu người dùng không truy cập vào ổ cứng thì nó sẽ về trạng thái nghi với mức tiêu thụ thấp nhất. Một HDD 2,5 inch cần 0,5 - 1,3 watt khi chạy ở trạng thái nghỉ, 2 - 4 watt khi tải ở mức tối đa - lúc đầu đọc phải di chuyển tới lui trên bề mặt đĩa vì có nhiều truy cập ngẫu nhiên. Thử nghiệm so sánh 4 loại SSD khác nhau và một ổ cứng 7.200 vòng/phút (tất cả đều là cỡ 2,5 inch) cho thấy SSD tiêu tốn điện hơn. Còn HDD có vòng quay thấp hơn (5.400 vòng/phút hay 4.200 vòng/phút) tiết kiệm điện hơn loại 7.200 vòng/phút nhưng tất nhiên có hiệu suất hoạt động thấp hơn. SSD có dung lượng khác nhau nhưng không khác biệt về khả năng tiết kiệm điện. Điều đáng chú ý là ổ SSD kích cỡ nhỏ như 1,8 inch lại không tiết kiệm hơn thiết bị 2,5 inch là bao, trong khi thua kém hẳn ổ cứng cùng cỡ. Hình 35: Ổ lưu trữ thể rắn SSD 2.5. Thông số và đặc tính của ổ cứng 2.5.1. Dung lượng Dung lượng ổ đĩa cứng (Disk capacity) là một thông số thường được người sử dụng nghĩ đến đầu tiên, là cơ sở cho việc so sánh, đầu tư và nâng cấp. Người sử dụng luôn mong muốn sở hữu các ổ đĩa cứng có dung lượng lớn nhất có thể theo tầm chi phí của họ mà có thể không tính đến các thông số khác. Dung lượng ổ đĩa cứng được tính bằng: (số byte/sector) × (số sector/track) × (số cylinder) × (số đầu đọc/ghi). Dung lượng của ổ đĩa cứng tính theo các đơn vị dung lượng cơ bản thông thường: byte, kB MB, GB, TB. Theo thói quen trong từng thời kỳ mà người ta có thể sử dụng đơn vị nào, trong thời điểm năm 2007 người người ta thường sử dụng GB. Ngày nay dung lượng ổ đĩa cứng đã đạt tầm đơn vị TB nên rất có thể trong tương lai – theo thói quen, người ta sẽ tính theo TB. Đa số các hãng sản xuất đều tính dung lượng theo cách có lợi (theo cách tính 1 GB = 1000 MB mà thực ra phải là 1 GB = 1024 MB) nên dung lượng mà hệ điều hành (hoặc các phần mềm kiểm tra) nhận ra của ổ đĩa cứng thường thấp hơn so với dung lượng ghi trên nhãn đĩa (ví dụ ổ đĩa cứng 40 GB thường chỉ đạt khoảng 37-38 GB). 2.5.2. Tốc độ quay của ổ đĩa cứng Tốc độ quay của đĩa cứng thường được ký hiệu bằng rpm (viết tắt của từ tiếng Anh: revolutions per minute) số vòng quay trong một phút. Tốc độ quay càng cao thì ổ càng làm việc nhanh do chúng thực hiện đọc/ghi nhanh hơn, thời gian tìm kiếm thấp. Các tốc độ quay thông dụng thường là: + 3.600 rpm: Tốc độ của các ổ đĩa cứng đĩa thế hệ trước. + 4.200 rpm: Thường sử dụng với các máy tính xách tay mức giá trung bình và thấp trong thời điểm 2007. + 5.400 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng 3,5” sản xuất cách đây 2-3 năm; với các ổ đĩa cứng 2,5” cho các máy tính xách tay hiện nay đã chuyển sang tốc độ 5400 rpm để đáp ứng nhu cầu đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn. + 7.200 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất trong thời gian từ 2008 trở đi. + 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng trong các máy tính cá nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ có sử dụng giao tiếp SCSI. Hình 36 : Ổ cứng với tốc độ quay 10000 vòng/phút 2.5.3. Các thông số về thời gian của ổ đĩa cứng Thời gian tìm kiếm trung bình (Average Seek Time) là khoảng thời gian trung bình (theo mili giây: ms) mà đầu đọc có thể di chuyển từ một cylinder này đến một cylinder khác ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng). Thời gian tìm kiếm trung bình được cung cấp bởi nhà sản xuất khi họ tiến hành hàng loạt các việc thử việc đọc/ghi ở các vị trí khác nhau rồi chia cho số lần thực hiện để có kết quả thông số cuối cùng. Thông số này càng thấp càng tốt. Thời gian tìm kiếm trung bình không kiểm tra bằng các phần mềm bởi các phần mềm không can thiệp được sâu đến các hoạt động của ổ đĩa cứng. Cách tổ chức dữ liệu trên ổ cứng là cách tổ chức dữ liệu có tính liên tục do đó khi bộ controller phát lệnh seek (tìm kiếm) thì bộ controller sẽ chờ đầu đọc một khoảng thời gian nhất định để đầu đọc tìm ra đúng track,sector. Thời gian đó gọi là thời gian dùng để xác định vị trí (tìm kiếm ra sector,track). Tuy nhiên đối với một số ổ cứng (đặc biệt là chuẩn SCSI ) đôi khi thực thi lệnh seek không chính xác. Bộ controller của những ỗ đĩa này chỉ đưa đầu đọc đến sector hoặc track gần đến vị trí xác định hoặc sẽ không di chuyển đầu đọc mà chỉ để yên ở đó. Vì “cách lưu trữ dữ liệu của ổ cứng có tính liên tục” nên thời gian để đầu đọc chuyển từ sector này sang sector kế tiếp hoặc từ track này sang track kết tiếp sẽ rất nhanh và ngược lại nếu đang đọc ở sector 1 track 0 sang sector 13 track 3 thì sẽ mất rất nhiều thời gian ! Chính vì điều này mà thời gian tìm một file trên một ổ cứng có dung lượng càng nhỏ thì càng nhanh và ngược lại. Thời gian chuyển cylinder là thời gian để đầu đọc chuyển từ track này sang track khác. Thời gian được tính theo đơn vị mili-giây (ms). Thời gian truy cập ngẫu nhiên (Random Access Time): Là khoảng thời gian trung bình để đĩa cứng tìm kiếm một dữ liệu ngẫu nhiên. Tính bằng mili giây (ms). Đây là tham số quan trọng do chúng ảnh hưởng đến hiệu năng làm việc của hệ thống, do đó người sử dụng nên quan tâm đến chúng khi lựa chọn giữa các ổ đĩa cứng. Thông số này càng thấp càng tốt. Tham số: Các ổ đĩa cứng sản xuất gần đây (2007) có thời gian truy cập ngẫu nhiên trong khoảng: 5 đến 15 ms. Thời gian tìm sector trên 1 track xác định (Rotational latency) hay còn gọi là “góc trễ quay”: khi đầu đọc đã tìm được track xác định, bộ controller tiếp tục thực hiện việc tìm sector trên track này. Lúc này đầu đọc sẽ không di chuyển nữa mà sẽ đứng yên trong lúc đó đĩa từ quay liên tục cho đến khi nào đầu đọc xác định được vị trí sector mà nó cần tìm. Thời gian để làm công vịêc này gọi là “Thời gian tìm sector trên 1 track xác định“ - Rotational latency. Tốc độ của ổ cứng càng nhanh thì thời gian tìm sector trên 1 track càng ít. Thời gian trung bình mà đầu đọc tìm ra sector chính xác trên 1 track là 4ms(7200rpm) đến 6ms(5400rpm). Thời gian truy cập dữ liệu(Data Access time) là tổng thời gian tìm kiếm, chuyển đầu đọc và tìm sector trên 1 track xác định. Nói như thế là vì đầu tiên bộ controller phải xác định vị trí để đưa đầu đọc đến vị trí trên cylinder cần tìm. Sau đó khi dữ liệu đã được đọc hoặc ghi thì cần thêm thời gian để chuyển đầu đọc để tìm ra track và cuối cùng sau khi xác định được track thì phải tốn thêm một ít thời gian cho việc tìm ra đúng sector trên track đó. Thời gian làm việc tin cậy MTBF(Mean Time Between Failures) được tính theo giờ (hay có thể hiểu một cách đơn thuần là tuổi thọ của ổ đĩa cứng). Đây là khoảng thời gian mà nhà sản xuất dự tính ổ đĩa cứng hoạt động ổn định mà sau thời gian này ổ đĩa cứng có thể sẽ xuất hiện lỗi (và không đảm bảo tin cậy). Một số nhà sản xuất công bố ổ đĩa cứng của họ hoạt động với tốc độ 10.000 rpm với tham số: MTBF lên tới 1 triệu giờ, hoặc với ổ đĩa cứng hoạt động ở tốc độ 15.000 rpm có giá trị MTBF đến 1,4 triệu giờ thì những thông số này chỉ là kết quả của các tính toán trên lý thuyết. Hãy hình dung số năm mà nó hoạt động tin cậy (khi chia thông số MTBF cho (24 giờ/ngày × 365 ngày/năm) sẽ thấy rằng nó có thể dài hơn lịch sử của bất kỳ hãng sản xuất ổ đĩa cứng nào, do đó người sử dụng có thể không cần quan tâm đến thông số này. 2.5.4. Tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ của các chuẩn giao tiếp không có nghĩa là ổ đĩa cứng có thể đáp ứng đúng theo tốc độ của nó, đa phần tốc độ truyền dữ liệu trên các chuẩn giao tiếp thấp hơn so với thiết kế của nó bởi chúng gặp các rào cản trong vấn đề công nghệ chế tạo. Các thông số sau ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng: - Tốc độ quay của đĩa từ. - Số lượng đĩa từ trong ổ đĩa cứng: bởi càng nhiều đĩa từ thì số lượng đầu đọc càng lớn, khả năng đọc/ghi của đồng thời của các đầu từ tại các mặt đĩa càng nhiều thì lượng dữ liệu đọc/ghi càng lớn hơn. - Công nghệ chế tạo: Mật độ sít chặt của các track và công nghệ ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa (phương từ song song hoặc vuông góc với bề mặt đĩa): dẫn đến tốc độ đọc/ghi cao hơn. - Dung lượng bộ nhớ đệm: Ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu tức thời trong một thời điểm. Bảng so sánh tốc độ giữa các vùng ở các ổ cứng khác nhau dưới đây sẽ giúp chúng ta nhận ra một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng. Hình 37: Bảng so sánh tốc độ giữa các vùng ở các ổ cứng khác nhau Như vậy ta thấy rằng tốc độ truyền dữ liệu thực sự ở mức trung bình 42,27 MBps ở ổ đĩa có giao tiếp Ultra-ATA/100 (với tốc độ thiết kế truyền dữ liệu 100 MBps) chỉ gần bằng 1/2 so với tốc độ giao tiếp. 2.5.5. Kích thước Để đảm bảo thay thế lắp ráp vừa với các loại máy tính, kích thước của ổ đĩa cứng được chuẩn hoá thành 6 loại là: 5,25 inch dùng trong các máy tính các thế hệ trước. 3,5 inch dùng cho các máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ. 2,5 inch dùng cho máy tính xách tay. 1,8 inch hoặc nhỏ hơn dùng trong các thiết bị kỹ thuật số cá nhân và PC Card. 1,0 inch dùng cho các thiết bị siêu nhỏ (micro device). Hình 38: Kích thước vỏ các loại ổ cứng Hình 39: Các loại ổ đĩa cứng 1,8”, 2,5” và 3,5” (từ trái qua phải) 2.5.6. Sự sử dụng điện năng Đa số các ổ đĩa cứng của máy tính cá nhân sử dụng hai loại điện áp nguồn: 5 Vdc và 12 Vdc (DC hoặc dc: Loại điện áp một chiều). Các ổ đĩa cứng cho máy tính xách tay có thể sử dụng chỉ một loại điện áp nguồn 5 Vdc. Các ổ đĩa cứng gắn trong các thiết bị số cầm tay khác có thể sử dụng các nguồn có mức điện áp thấp hơn với công suất thấp. Điện năng cung cấp cho các ổ đĩa cứng phần lớn phục vụ cho động cơ quay các ổ đĩa, phần còn lại nhỏ hơn cung cấp cho bo mạch của ổ đĩa cứng. Tuỳ từng loại động cơ mà chúng sử dụng điện áp 12V hoặc 5 Vdc hơn (thông qua định mức tiêu thụ dòng điện của nó tại các mức điện áp này). Trên mỗi ổ đĩa cứng đều ghi rõ các thông số về dòng điện tiêu thụ của mỗi loại điện áp sử dụng để đảm bảo cho người sử dụng tính toán công suất chung. Ổ đĩa cứng thường tiêu thụ điện năng lớn nhất tại thời điểm khởi động của hệ thống (hoặc thời điểm đĩa cứng bắt đầu hoạt động trở lại sau khi tạm nghỉ để tiết kiệm điện năng) bởi sự khởi động của động cơ đồng trục quay các đĩa từ, cũng giống như động cơ điện thông thường, dòng điện tiêu thụ đỉnh cực đại của giai đoạn này có thể gấp 3 lần công suất tiêu thụ bình thường. Ổ cứng thông thường lấy điện trực tiếp từ nguồn máy tính, với các ổ đĩa cứng ngoài có thể sử dụng các bộ cung cấp điện riêng kèm theo hoặc chúng có thể dùng nguồn điện cung cấp qua các cổng giao tiếp USB. 2.5.7. Độ ồn Độ ồn của ổ đĩa cứng là thông số được tính bằng dB, chúng được đo khi ổ đĩa cứng đang làm việc bình thường. Ổ đĩa cứng với các đặc trưng hoạt động là các chuyển động cơ khí của các đĩa từ và cần di chuyển đầu đọc, do đó chúng không tránh khỏi phát tiếng ồn. Do ổ đĩa cứng thường có độ ồn thấp hơn nhiều so với bất kỳ một quạt làm mát hệ thống nào đang làm việc nên người sử dụng có thể không cần quan tâm đến thông số này. Những tiếng “lắc tắc” nhỏ phát ra trong quá trình làm việc của ổ cứng một cách không đều đặn được sinh ra bởi cần đỡ đầu đọc/ghi di chuyển và dừng đột ngột tại các vị trí cần định vị để làm việc. Âm thanh này có thể giúp người sử dụng biết được trạng thái làm việc của ổ đĩa cứng mà không cần quan sát đèn trạng thái HDD. 2.5.8. Chu trình di chuyển Chu trình di chuyển của cần đọc/ghi (Load/Unload cycle) được tính bằng số lần chúng khởi động từ vị trí an toàn đến vùng làm việc của bề mặt đĩa cứng và ngược lại. Thông số này chỉ một số hữu hạn những lần di chuyển mà có thể sau số lần đó ổ đĩa cứng có thể gặp lỗi hoặc hư hỏng. Sau mỗi phiên làm việc (tắt máy), các đầu từ được di chuyển đến một vị trí an toàn nằm ngoài các đĩa từ nhằm tránh sự va chạm có thể gây xước bề mặt lớp từ tính, một số ổ đĩa có thiết kế cần di chuyển đầu đọc tự động di chuyển về vị trí an toàn sau khi ngừng cấp điện đột ngột. Nhiều người sử dụng năng động có thói quen ngắt điện trong một phiên làm việc trên nền DOS (bởi không có sự tắt máy chính thống) rồi tháo ổ đĩa cứng cho các công việc khác, quá trình di chuyển có thể gây va chạm và làm xuất hiện các khối hư hỏng (bad block). Chu trình di chuyển là một thông số lớn hơn số lần khởi động máy tính (hoặc các thiết bị sử dụng ổ đĩa cứng) bởi trong một phiên làm việc, ổ đĩa cứng có thể được chuyển sang chế độ tạm nghỉ (stand by) để tiết kiệm điện năng nhiều lần. 2.5.9. Chịu đựng sốc Chịu đựng sốc (Shock - half sine wave): Sốc (hình thức rung động theo nửa chu kỳ sóng, thường được hiểu là việc giao động từ một vị trí cân bằng đến một giá trị cực đại, sau đó lại trở lại vị trí ban đầu) nói đến khả năng chịu đựng sốc của ổ đĩa cứng khi làm việc. Với các ổ cứng cho máy tính xách tay hoặc các thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân hay các ổ đĩa cứng ngoài thì thông số này càng cao càng tốt, với các ổ đĩa cứng gắn cho máy tính cá nhân để bàn thì thông số này ít được coi trọng khi so sánh lựa chọn giữa các loại ổ cứng bởi chúng đã được gắn cố định nên hiếm khi xảy ra sốc. 2.5.10. Nhiệt độ và sự thích nghi Tất cả các thiết bị dựa trên hoạt động cơ khí đều có thể bị thay đổi thông số nếu nhiệt độ của chúng tăng lên đến một mức giới hạn nào đó (sự giãn nở theo nhiệt độ luôn là một đặc tính của kim loại), do đó cũng như nhiều thiết bị khác, nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của ổ đĩa cứng nhất là bên trong nó các chuyển động cơ khí cần tuyệt đối chính xác. Nhiệt độ làm việc của ổ đĩa cứng thường là từ 0 cho đến 40 độ C, điều này thường phù hợp với nhiều môi trường khác nhau, tuy nhiên không chỉ có vậy: độ ẩm là yếu tố liên quan và kết hợp với môi trường tạo thành một sự phá hoại ổ đĩa cứng. Ổ cứng thường có các lỗ (chứa bộ lọc không khí) để cân bằng áp suất với bên ngoài, do đó nếu như không khí trong môi trường chứa nhiều hơi nước, sự ngưng tụ hơi nước thành các giọt hoặc đóng băng ở đâu đó bên trong ổ đĩa cứng có thể làm hư hỏng ổ nếu ta hình dung được tốc độ quay của nó lớn thế nào và khoảng cách giữa đầu từ với bề mặt làm việc của đĩa từ nhỏ đến đâu. Chính vì vậy trước khi đưa một ổ đĩa cứng vào làm việc lần đầu tiên (tháo bỏ vỏ nhựa bọc kín nó khi sản xuất) trong thiết bị hoặc ổ đĩa cứng đã sử dụng được đưa đến từ một môi trường khác đến một nơi làm việc mới (có nhiệt độ môi trường cao hơn), nên đặt nó vào khoang chứa trong một số thời gian nhất định trước khi kết nối các dây cấp nguồn và cáp dữ liệu để chúng làm việc. Thời gian thích nghi đủ lớn để để đảm bảo cho: - Các giọt nước bị bay hơi hoặc các cụm băng tuyết biến thành hơi nước và cân bằng với môi trường bên ngoài. - Đảm bảo sự đồng đều về môi trường bên trong và bên ngoài của ổ đĩa cứng, tránh sự biến đổi (do nhiệt độ thay đổi đột ngột) với các thiết bị cơ khí bên trong khi nhiệt độ của ổ đĩa cứng tăng lên sau một thời gian hoạt động. 2.5.11. Các thông số về sản phẩm Phần dưới đây giải thích một số thông số khác của các ổ đĩa cứng. - Model: Ký hiệu về kiểu sản phẩm của ổ đĩa cứng, model có thể được sử dụng chung cho một lô sản phẩm cùng loại có các đặc tính và thông số giống như nhau. Thông thường mỗi hãng có một cách ký hiệu riêng về thông số model để có thể giải thích sơ qua về một số thông số trên ổ đĩa cứng đó. Ví dụ trên một ổ cứng của hãng Western Digital có ghi - Serial number: Mã số sản phẩm, mỗi ổ đĩa cứng có một số hiệu này riêng. Thông số này thường chứa đựng thông tin đã được quy ước riêng của hãng sản xuất về thời gian sản xuất hoặc đơn thuần chỉ là thứ tự sản phẩm khi được sản xuất. - Firmware revision: Thông số về phiên bản firmware đang sử dụng hiện thời của ổ đĩa cứng. Thông số này có thể thay đổi nếu người sử dụng nâng cấp các phiên bản firmware của ổ đĩa cứng (nhưng việc nâng cấp này thường rất hiếm khi xảy ra). Một số hãng sản xuất phần mềm có thể sử dụng các thông số trên của ổ đĩa cứng để nhận dạng tình trạng bản quyền của phần mềm trên duy nhất một máy tính, tuy nhiên cách này không được áp dụng rộng rãi do việc đăng ký phức tạp, không thuận tiện cho quá trình nâng cấp ổ đĩa cứng của người sử dụng. Ta lấy hình sau làm ví dụ: Hình 40: Minh họa một ổ cứng với các thông số trên nó Các thông số: Ổ đĩa cứng này của hãng Western Digital, modern Caviar Black Đây là ổ có chuẩn giao tiếp SATA, với dung lượng bộ nhớ đệm là 64MB Serial Number: 50014EEL12345678 Dung lượng: 2 Terabyte 2.5.12. Hệ số đan xen Trong đĩa cứng có thêm một khái niệm là hệ số đan xen (interleave factor) của các sector nhằm làm khớp tốc độ quay của đĩa từ với tốc độ mà đầu từ có thể xử lý dữ liệu khi chúng qua hết một sector. Ví dụ như với đĩa có 17 sector/track, đầu từ sẽ đọc được 512 x 16 x 60 = 522,240 byte/s. Do đó, vùng đệm sẽ đầy lên rất nhanh. Đồng thời, CPU cần phải xử lý dữ liệu nên sẽ mất thêm một khoảng thời gian nữa. Như vậy, nếu dữ liệu được ghi lên các sector liên tiếp thì CPU không thể xử lý kịp, sector kế tiếp sẽ đặt cách đó n sector. Khi đó, đĩa cứng sẽ có hệ số đan xen n, các sector dữ liệu không liên tiếp nhau về mặt vật lý. Chương trình định dạng cấp thấp sẽ đánh số thứ tự các sector liên tiếp theo một trật tự định trước phụ thuộc vào hệ số xen kẽ. Nếu đĩa cứng không được định dạng với hệ số đan xen tối ưu thì hiệu suất sử dụng sẽ thấp. Thực chất lúc trước khi đánh số thứ tự của các sector trên track nhà sản xuất không nghĩ đến chuyện đan xen các sector là gì cả và đơn giản nhà sản xuất đĩa chỉ việc đánh số thứ tự của các sector trên track liên tục nhau. Nhưng sau một thời gian sử dụng đĩa thì họ nhận thấy rằng tốc độ truy cập đĩa chậm đi một cách bất bình thường bởi vì nếu đánh số thứ tự của các sector trên track liên tục như thế thì tốc độ làm việc của card điều khiển đĩa (Hard Disk Controller )ngay lúc này không thể nào làm việc kịp với tốc độ quay đĩa (ta biết tốc độ làm việc của HDC trong thời gian này rất chậm bởi vì nó thực hiện rất nhiều thao tác để hoàn tất việc đọc ghi 1 sector: nhận lệnh từ CPU, định vị đầu từ, điều khiển đọc ghi, đọc vào buffer , chuyển dữ liệu, báo sẵn sàng) và nếu như thế thì mỗi khi đọc một sector xong , để đọc được sector kế tiếp đĩa phải đợi đúng một vòng quay. Như vậy để không mất thời gian chờ, nhà sản xuất đi tính tốc độ làm việc của card điều khiển, tính tốc độ quay đĩa tương ứng với khoảng thời gian đó và như thế đan xen đi một vài sector, mới đánh số thứ tự của sector tiếp theo. Làm như thế thì khi truy xuất sector đầu xong, đến sector thứ hai thì đĩa sẽ vừa quay đến đầu sector này và sẽ làm việc ngay mà không mất thời gian chờ quay đĩa nữa. Tóm lại, hệ số đan xen là một khái niệm tương đối quan trọng đối với các đĩa cứng thời “khai sinh lập địa “khi các card điều khiển còn tương đối chậm. Đối với các HDD có dung lương như hiện nay thì hệ số đan xen không còn nữa vì tốc độ của các card điều khiển trên các đĩa cứng này đã làm việc cực nhanh ,có thể ngang bằng với tốc độ quay đĩa ,và như thế số thứ tự của các sector trên cùng một track lúc này mặc nhiên sẽ được đánh liên tục nhau và như thế lúc nào hệ số đan xen = 1 cũng là tối ưu nhất. CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC LOGIC VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN Ổ ĐĨA CỨNG 3.1. Sơ đồ khối Hình 41: Sơ đồ khối cấu trúc logic của ổ đĩa cứng Chú thích: - Master Boot Record(MBR): chương trình kiểm tra bảng phân vùng và gọi boot sector. - DBR (DOS Boot Record): chứa thông số logic của từng phân vùng ổ cứng - FAT File Allocation Tables: Hệ thống file FAT - Root Directory: thư mục gốc của tất cả các thư mục tệp tin trên ổ đĩa cứng - Data Area: khu vực lưu trữ dữ liệu 3.2. Nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của các khối 3.2.1. Master boot record (MBR) Master Boot Record là cung từ vật lý đầu tiên của ổ cứng và lưu mã để nạp (load), khởi động của ổ đĩa trong quá trình boot. Master Boot Record là Sector đầu tiên của ổ đĩa cứng, nó chứa các thông tin về các Partition như số thứ tự , tên ổ đĩa cứng, trạng thái, kích thước của Partition gọi là các điểm vào. Mỗi Master Boot Record có thể quản lý 4 điểm vào, mỗi điểm vào có kích thước 16 bytes, như vậy cần 64bytes để lưu giữ các điểm vào này gọi là bảng Partition. Không gian còn lại của Sector này được lưu trữ chương trình Bootrap của đĩa khởi động. Như trên, ta thấy mỗi Master Boot Record chỉ có 4 điểm vào, như vậy mỗi đĩa cứng chỉ phân tối đa thành 4 phần. Để khắc phục điều này, người ta lấy Sector đầu tiên của Partition thứ 4 để quản lý các phần chia tiếp theo như là một Master Boot Record thực thụ gọi l à Master Boot Record phụ, cứ như thế mà ta có thể chia đĩa cứng thành nhiều phần khác nhau. Master Boot Record được tạo ra bởi chương trình Fdisk của DOS, do đó, ta có thể khôi phục lại nó bằng lệnh này khi bị hỏng với tham số mbr, tức là lệnh Fdisk/mbr. Trong chế độ lưu trữ cơ bản, một đĩa vật lý được chia thành các phân vùng và mỗi phân vùng hoạt động như một đơn vị lưu trữ vật lý riêng biệt. Thông tin về vị trí và kích thước của mỗi phân vùng được lưu lại trong bảng phân vùng Master Boot Record trên đĩa. Đối với các hệ điều hành Dos và Windows chỉ cho phép khởi động ở Partition đầu tiên. Ngoài ra, còn có một số hệ điều hành cho phép khởi động từ các Partition khác. Để phân đĩa cứng thành các Partition, ta có thể dùng lệnh Fdisk của DOS, theo dõi các trình đơn của tiện ích này để chia đĩa cứng và tạo Partition khởi động. MBR bao gồm 2 thành phần: + Master partition table: chứa thông tin về việc phân chia partition của đĩa, bao gồm số các partition trên đĩa, kích thước và vị trí của từng partition, kiểu và cho biết partition nào sẽ là partition chủ động (chứa hệ điều hành) + Master code: chứa chương trình khởi động (boootstrap routine). Chương trình này sẽ tìm ra đâu là partition chủ động. Sau đó nó trao quyền khởi động cho Boot record thuộc về partition chủ động. MBR nằm tại sector 1, track 1, side 0. MBR chiếm từ địa chỉ Offset 0 đến 1BDh, trên thực tế MBR chỉ chiếm từ Offset 0 tới 0DFh. Chức năng của MBR: + Kiểm tra bảng Partition để xác định xem Partition nào là chủ động (active partition). + Nạp Boot Record của Partition chủ động vào bộ nhớ rồi chuyển điều khiển cho Boot record của đĩa chủ để tiếp tục thực hiện quá trình khởi động. Hình 42: Cấu trúc của Table Partition Boot Record là chương trình nhỏ (viết bằng ngôn ngữ máy) mà chương trình này sẽ khởi đầu quá trình nạp DOS vào bộ nhớ. Đầu tiên nó sẽ kiểm tra xem đĩa có chứa các tập tin hệ thống không. Sau đó tiến hành các xử lý thích ứng. Boot Record được tạo ra trong quá trình định dạng cấp cao (High level format) bằng lệnh FORMAT của DOS. Boot Record nằm trên tại mọi ổ đĩa logic. Tuy rằng mọi ổ đĩa logic đều có Boot Record nhưng chỉ có chương trình khỏi động nằm tại Boot Record của Master Boot Record mới được thực hiện. Boot Record cũng tương tự như Master Boot Record cũng bao gồm 2 thành phần: + Khối thông số về đĩa: lưu trữ thông tin về nhãn đĩa, kích thước ổ đĩa, số sector đang được sử dụng, kích thước của một Cluster. + Mã khởi động: đó là chương trình bắt đầu quá trình nạp hệ điều hành. Đối với hệ điều MSDOS đó là quá trình nạp tệp IO.SYS. Hình 43: Cấu trúc của Boot Record Sector (cung từ): Mỗi track là một vòng tròn dữ liệu có tâm là tâm của trục quay đĩa từ. Một track chia thành rất nhiều cung, người ta gọi các cung này là sector (cung từ). Sector là vùng vật lý chứa dữ liệu nhỏ nhất trong ổ cứng kể cả khi đọc và ghi. Thông thường thì 1 sector chứa được 512 byte dữ liệu (US Windows). Số sector trên các track là khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, các ổ đĩa cứng đều chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau. Mỗi track đều chia thành một lượng sector nhất định. Tuy nhiên, vì các track bên ngoài bao giờ cũng lớn hơn các track phía trong (gần trục) cho nên càng vào sâu các track phía trong thì dung lượng mà 1 sector có thể chứa được càng thấp. Cấu trúc của sector : - Sector header (thông tin cơ bản) : lưu trữ các thông tin về vị trí đầu đọc , cylinder, và số thứ tự vật lý của sector. Nó cũng đảm nhận luôn nhiệm vụ xác định sector có sử dụng được hay không hoặc sector nào sẽ lưu dữ liệu thay cho sector này. Thông tin cuối cùng mà sector header cung cấp chính là giá trị của việc kiểm tra lỗi dữ liệu tuần hoàn (hay còn gọi là lỗi chẵn lẽ CRC), giá trị này giúp cho các chương trình xác định được sector header có chính xác hay không. - Góc rỗng (GAP) : đối với một sector sự có mặt của góc rỗng là rất cần thiết. Góc rỗng cung cấp cho đầu đọc/ghi một khoảng thời gian nhất định để nó có thể chuyển từ việc đọc dữ liệu trên sector sang ghi dữ liệu. Khi đọc dữ liệu, đầu từ sẽ bỏ qua góc rỗng. - Dữ liệu: Thông thường khi ta format đĩa cứng duới nền Windows hoặc DOS thì một sector có thể chứa được 512 byte dữ liệu. Phần cuối cùng của vùng dữ liệu này chứa thông tin về mã sửa lỗi (ECCs), dùng cho việc phát hiện và sửa lỗi. - Góc rỗng mở rộng (Inter-GAP): Có gì khác nhau giữa “Góc rỗng” và “Góc rỗng mở rộng” (GAP và Inter-GAP) ? Góc rỗng cung cấp cho đầu từ một khoảng thời gian nhất định đễ đầu từ chuyển đổi từ việc “đọc dữ liệu ” sang “ghi dữ liệu” trên cùng 1 sector. Còn Góc rỗng mở rộng thì cung cấp cho đầu đọc 1 khoản thời gian nhất định để đầu đọc có thể chuyển từ việc “ghi trên 1 sector này” sang “đọc sang sector kết tiếp”. Tương tự như Gócrỗng, khi đọc dữ liệu đầu đọc bỏ qua Góc rỗng mở rộng. - Số sector trên một track: khi sản xuất ra đĩa cứng nhà sản xuất luôn ghi rõ ràng những thông số liên quan đến ổ cứng trong đó có phần số sector trên một track (sector per track). Những ổ cứng hiện đại ngày nay sử dụng rất nhiều kích cỡ khác nhau trên từng track. Ổ cứng ghi và đọc theo nguyên tắc từ ngoài vào trong trên mặt đĩa từ. Các track nằm ngoài cùng thì bao giờ cũng có nhiều không gian cho sector hơn là các track nằm sâu ở bên trong (gần tâm đĩa từ). Do đó những phần dữ liệu nằm trên sector và track đầu tiên của ổ cứng bao giờ cũng được truy xuất nhanh nhất. 3.2.2. DBR (DOS Boot Record) DBR chứa Block thông số khởi động, thông số logic của từng phân vùng(kích cỡ, tên phân vùng, số lượng sector,…). Giá trị của block thông số khởi động phụ thuộc hoàn toàn vào kích cỡ của phân vùng và loại tệp hệ thống. 3.3.3. FAT (File Allocation Tables) Về cơ bản, bảng FAT ổ đĩa cứng giống hệt như việc tổ chức trên đĩa mềm, song chúng chỉ khác về kích thước. Đối với đĩa mềm, do kích thước đĩa hạn chế nên chỉ dùng 12bits để đánh địa chỉ là đủ, thường được gọi là FAT 12.(12bits đánh được 212 địa chỉ điểm vào của FAT, nếu dùng 1 Cluster = 1 Sector ta sẽ đánh địa chỉ cho đĩa có dung lượng 212 . 512 = 221 = 2MB lớn hơn các loại đĩa mềm hiện nay). Song đối với đĩa cứng có dung lượng lớn, nếu dùng FAT 12 để quản lý toàn bộ đĩa cứng ta phải tăng chỉ số Cluster =250 Sector(1.024.000/4096) = 125KB. Song mỗi lần ghi dùng một Cluster nên nếu ghi một File có kích thước 100Byte cũng phải sử dụng 125KB thật là lãng phí. Để khắc phục tình trạng trên người ta đưa ra bảng FAT 16 (216 điểm vào) và FAT 32, FAT NTFS (232 điểm vào) để quản lý cho đĩa cứng. Với tốc độ tăng dung lượng của đĩa cứng như hiện nay trong tương lai chắc chắn sẽ có FAT 64 và hơn nữa. Tuy nhiên, với một ổ đĩa nhỏ mà ta dùng bảng FAT lớn sẽ gây lãng phí không gian chứa bảng FAT và ảnh hưởng đến tốc độ truy tìm. Bảng FAT là danh sách các mục vào nghĩa là có bao nhiêu cluster trên đĩa thì có bấy nhiêu mục vào trong bảng FAT. DOS dùng FAT để quản lý các không gian trong phần dữ liệu. Khi DOS ghi tập tin lên đĩa thì nó sẽ tìm các Cluster còn trống để ghi và nó cũng phát hiện Cluster nào bị lỗi. Muốn tìm một tệp tin ở trên đĩa thì đầu tiên DOS tìm ở thư mục gốc. Độ dài của bảng FAT chính là ám chỉ độ dài của mục vào (entry) tính là bit. Độ dài này phụ thuộc vào số lượng cluster có ở trên đĩa. Nếu số cluster <4096 (212) thì độ dài của mục vào sẽ là 12 bit và lúc đó bảng FAT được gọi là FAT12. Hai mục vào đầu tiên của bảng FAT dùng để lưu trữ mô tả về đĩa: + F0h: đĩa mềm 3 1/2 + FDh: đĩa mềm 5 1/4 + F8h: đĩa cứng Mỗi mục vào trong bảng FAT chứa một mã xác định cho biết vùng tương ứng trên đĩa đã được sử dụng, còn trống hoặc không thể sử dụng. Các mục vào có 2 nhiệm vụ sau: + Cho biết tính trạng của liên cung tương ứng còn rỗi hay đã bị chiếm. + Dữ liệu được ghi ở liên cung nào, phần này bao giờ cũng ghi số hiệu của liên cung mà chứa phần kế tiếp của tệp tin. Số hiệu liên cung đầu tiên bao giờ cùng được ghi ở bảng TM gốc. => Tóm lại, mục vào trong thư mục gốc của tệp tin sẽ chứa địa chỉ của cluster đầu tiên. Trong bảng FAT, entry tương ứng với cluster đầu tiên này sẽ chứa số hiệu cluster thứ 2, còn entry tương ứng với cluster thứ 2 lại chứa số hiệu cluster thứ 3. Cứ tiếp tục như vậy cho tới khi nào gặp entry chứa số hiệu FFFh thì có nghĩa đã đến cluster cuối cùng của tệp tin. Nếu tệp tin bị xoá thì tất cả cluster này sẽ bị đánh lại bằng 00h. Tuy nhiên một vài entry bao gồm một số giá trị hexa và ý nghĩa của chúng như sau: + 0000h : liên cung tương ứng còn rỗi + FFF0h ¸ FFF6h : liên cung tương ứng dành riêng + FFF7h : liên cung tương ứng bị hỏng + FFF8h¸ FFFFh : liên cung cuối cùng của tệp tin. Như vậy là mỗi một tệp tin ở trên đĩa là tương ứng với một chuỗi các mục vào trên bảng FAT và các mục vào đó tạo thành một danh sách liên kết mà con trỏ ở đầu danh sách thì nằm ở bảng thư mục gốc. Mỗi mục vào trong danh sách liên kiết đó chứa số hiệu của liên cung kế tiếp. Do FAT được dùng để điều khiển toàn bộ phần dữ liệu sử dụng cho nên có đến 2 bản sao giống nhau của nó trên đĩa để đề phòng trường hợp một bản bị hỏng. FAT 12 dùng 12bit để mã hoá có thể đánh tới 212 = 4096 liên cung (mỗi liên cung = 4 sector = 4*512=2048 byte = 2Kb). FAT 12 chỉ dùng đối với đĩa mềm và các ổ đĩa cứng có dung lượng <15M. FAT 16 dùng 16 bit để mã hoá có thể đánh tới 216 = 65536 liên cung. Tuỳ thuộc vào dung lượng đĩa mà liên cung sẽ chiếm bao nhiêu sector. FAT 32 dùng 32 bit mã hoá có thể đánh tới 232 = 4.294.967.296 liên cung. Tuỳ thuộc vào dung lượng đĩa mà liên cung sẽ chiếm bao nhiêu sector. Hình 44: Kích thước partition và kích thước cluster tương ứng Sự khác nhau giữa FAT 16 và FAT 32: - Bởi vì máy tính lưu trữ dữ liệu trong các cluster. Nội dung của các tập tin có thể được lưu trữ trong một hoặc nhiều cluster. Nếu tập tin không điền kín hết cluster cuối cùng mà hệ điều hành dành cho chúng, phần trống đó coi như bỏ phí. Bằng cách sử dụng các cluster nhỏ hơn, FAT 32 ít phí phạm phần dư trong cluster hơn và cho phép tăng dung lượng đĩa còn trống. - FAT 32: + Ưu điểm: Tiết kiệm dung lượng đĩa + Nhược điểm: Khi chúng ta truy cập tập tin nằm trên nhiều cluster, đầu từ phải truy cập vào bảng FAT nhiều hơn làm giảm tốc độ của máy tính. - FAT 16: + Ưu điểm: Tốc độ truy cập nhanh hơn + Nhược điểm: Lãng phí dung lượng đĩa NTFS(New Technology File System) là hệ thống file có hiệu suất cao và có thể tự sửa lỗi sử dụng cho Windows XP, 2000, NT. Hệ thống này hỗ trợ vấn đề bảo mật ở cấp độ file, nén file và kiểm định. Nó cũng hỗ trợ đĩa dung lượng lớn và giải pháp lưu trữ cao như RAID. NTFS cung cấp khả năng kết hợp giữa sự thực thi, độ tin cậy và tính tương thích không có trong hệ thống FAT đồng thời làm giảm thời gian thực thi các hoạt động trên file như đọc, ghi, tìm kiếm và cả các hoạt động nâng cao như khôi phục hệ thống file ở các đĩa cứng dung lượng rất lớn. NTFS bao gồm các đặc trưng bảo mật cần thiết cho các máy dịch vụ file (file server) và các máy tính cá nhân đầu trên (high-end) trong môi trường làm việc theo nhóm. NFTS cũng hỗ trợ điều khiển xử lý dữ liệu và cấp quyền quản lý dữ liệu nhằm bảo đảm tính chính xác của dữ liệu. NTFS có thể cho phép cấp quyền xử lý cho file hay folder theo từng user riêng lẻ. Cluster (chỉ dành riêng cho FATx File System): là đơn vị lưu trữ cơ bản được chỉ định của đĩa từ. Cluster bao gồm 1 hoặc nhiều sector. Không gian lưu trữ của ổ cứng được xác định dựa trên những cluster, cho dù đó là một file (hoặc một phần của file) chỉ chiếm dụng một phần hoặc toàn bộ không gian của cluster thì điều đó cũng được coi là đã sử dụng một phần không gian của ổ cứng. Hiếm khi nào dung lượng của một file vừa bằng tổng dung lượng một số cluster. Nói như thế là vì thông thường cluster cuối cùng lưu trữ một phần dữ liệu của file thường chứa luôn cả những không gian trống không dùng đến mà người ta vẫn thường gọi là “không gian rỗng” ở phần cuối của cluster. Ta thử làm một phép tính đơn giản để minh hoạ vấn đề này: Cho 1 cluster = 4 KB; ta có 1 file test.txt dung lượng 14 KB như vậy khi ta lưu file test.txt xuống đĩa cứng file này sẽ được tách thành 4 cluster lần lượt là : Cluster 1 -> 4KB đầu tiên Cluster 2 -> 4KB tiếp theo Cluster 3 -> 4KB tiếp theo Cluster 4 (cluster cuối cùng) ->lưu trữ 2KB còn lại và 2KB bị bỏ trống. 2KB bỏ trống này không thuộc về bất cứ file nào, không lưu bất cứ dữ liệu nào vì cluster 4 đã được chỉ định thuộc về file test.txt do đó đây là một khoảng không gian rỗng hay nói khác đi “chúng ta đã phí phạm một khoảng không gian trên ổ cứng” - đây chính là một trong những điểm khác nhau và tiến bộ giữa các thế hệ FAT File System mà chúng tôi sẽ nói đến trong phần hệ thống file của OS ở phần sau. Mặc dù thế nhưng rõ ràng cái mà người ta nhận được từ cluster là rất đáng kể, nó làm tăng hiệu năng làm việc của ổ cứng và giúp hệ điều hành quản lý file tốt hơn nhiều so với việc bắt hệ điều hành và ổ cứng phải làm việc ở cấp độ sector. Lost cluster: thông thường khi các bạn dùng các chương trình sửa ổ cứng nhất là scandisk/ndd (chạy trên FATx File System) đôi khi bạn nhận được thông báo “Lost cluster found! Fix it ?” Thật ra trong quá trong ổ cứng đọc và ghi dữ liệu, hệ điều hành có vai trò mở file/tạo file (open/assign file) sau đó tiếp tục phát lệnh để ổ cứng ghi từng phần dữ liệu vào từng cluster được chỉ định rồi cuối cùng ra lệnh đóng file (close file). Tuy nhiên đôi khi có một số trường hợp khi ổ cứng đang ghi dữ liệu vào các cluster đã được chỉ định nhưng bất ngờ bị mất điện hoặc kết thúc quá trình ghi dữ liệu nhưng lại không thực hiện quá trình đóng file, cho nên những cluster này sẽ được công nhận là “đã được sử dụng” nhưng lại không thuộc về bất cứ một file nào. Trong trường hợp này các chương trình sửa đĩa sẽ ghi các thông tin mà các các cluster này lưu trữ ra từng file một để backup lại các dữ liệu có giá trị bị mất. Chain (chỉ dành riêng cho FATx File System): không phải lúc nào dữ liệu của một file cũng được ghi trên nhưng cluster liên tiếp nhau (1,2,3,4…n). Do đó nếu như cluster kế tiếp đã được chỉ định là đã sử dụng thì OS sẽ cố gắng tìm đến cluster kế tiếp hoặc kế tiếp nữa cho đến khi tìm ra cluster trống để ghi dữ liệu vào. Việc dữ liệu của một file (hoặc từng phần) được ghi rải rác mà không có sự liên tục trên những cluster thì được gọi là “một chuỗi các cluster” (chain) và việc OS dịnh dạng trên bảng FAT cũng được gọi là “định dạng một chuỗi FAT”. Lost chain cũng tương tự như lost cluster chỉ khác là nguyên cả một chuỗi cluster bị khai báo nhầm là đã được sử dụng. 3.2.4. Root Directory Root Directory là thư mục gốc chứa toàn bộ các thư mục nằm trên ổ đĩa cứng. Hình 44: Mô tả Root Directory Chú thích: C là thư mục gốc, chứa các thư mục con là DOCS, APPS, DOS Thư mục DOCS, APPS, DOS lại chứa các thư mục con của chúng. Ở đây APPS chứa 2 thư mục con là SPREAD và GAMES. Bất kỳ một ổ đĩa nào cũng chỉ có một thư mục gốc. Thư mục gốc có kích thước cố định và được cất giữ cố định trên ổ đĩa cứng. Thư mục con coi như phần bổ sung cho thư mục gốc, có kích thước thay đổi và có thể cất giữ ở bất kỳ nơi nào ở trên đĩa. Thư mục gốc nằm ngay sau bảng FAT thứ 2, đây là dãy các mục vào gọi là ENTRY. Mỗi một mục vào trên thư mục gốc thì tương ứng với một tệp hoặc một thư mục con ở trên thư mục gốc. Thư mục gốc dùng để cất giữ thông tin cơ bản nhất của những tập tin trên đĩa bao gồm tên và kích thước tập tin, số hiệu cluster đầu tiên, ngày giờ tạo lập và vài thuộc tính đặc biệt. Thông tin duy nhất không chứa trong thư mục là vị trí chính xác của các cluster mà tập tin chiếm giữ. Số lượng ENTRY của thư mục con không bị hạn chế như thư mục gốc. Thư mục gốc có số lượng giới hạn các ENTRY được chỉ dưới đây: Cấu trúc của một ENTRY: Hình 45: Mô tả của một ENTRY - Phần tên tệp: có kích thước 8 bytes và chiếm các byte đầu tiên. Nếu tên tệp của FILE và DIRECTORY mà không dùng hết 8 ký tự thì DOS tự động điền các kí tự trắng. - Phần mở rộng: có kích thước 3 bytes. Tương tự như với tên tệp nếu không dùng hết 3 bytes thì DOS tự động điền các ký tự trắng vào. - Phần thuộc tính: có kích thước 1 byte. Mỗi bit trong byte này dùng để phân loại ENTRY. Các bit này được đánh dấu từ 0 tới 7 và có ý nghĩa như sau: 0: Read only 1: Hid