Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Bộ nhớ ngoài

Chương 6

Bộ nhớ ngoài

1

6.1 ĐĨA TỪ

Cơ chế đọc và ghi từ

Tổ chức và Định dạng Dữ liệu

Tính chất vật lý

Các tham số hiệu suất đĩa

6,2 RAID

RAID cấp 0

….

RAID CẤP 6

6.3 CÁC Ổ SSD

Bộ nhớ flash

SSD So với HDD

Tổ chức SSD

Những vấn đề thực tế

6.4 BỘ NHỚ QUANG HỌC

Đĩa compact

Đĩa đa năng kỹ thuật số

Đĩa quang Độ nét cao

6.5 BĂNG TỪ

NỘI DUNG

2

Đĩa từ

• Đĩa từ là một tấm platter tròn chế tạo bằng vật liệu không

từ tính, đƣợc gọi là chất nền (substrate), đƣợc phủ một

lớp vật liệu có từ tính lên trên.

– Chất nền thƣờng là vật liệu nhôm hoặc hợp kim nhôm

• Gần đây, chất nền thủy tinh đƣợc sử dụng.

• Ƣu điểm của chất nền thủy tinh:

– Tăng tính đồng nhất bề mặt  tăng độ tin cậy của đĩa

– Giảm các khiếm khuyết bề mặt  giảm lỗi đọc-ghi

– Độ cứng tốt hơn  giảm động lực đĩa

– Khả năng chống sóc và hƣ hỏng tốt hơn

– Lower flight heights

3

CƠ CHẾ ĐỌC – GHI TỪ

. Dữ liệu đƣợc ghi vào đĩa/ lấy ra từ đĩa thông qua 1 cuộn dây

dẫn đƣợc gọi là đầu

. Hệ thống thƣờng có 2 đầu: đầu đọc và đầu ghi

. Trong quá trình đọc hoặc ghi, đầu đứng yên trong khi đĩa xoay

bên dƣới

. Ghi

. Lợi dụng tính chất: dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trƣờng

. Xung điện đƣợc gửi đến đầu ghi  mẫu từ sinh ra đƣợc ghi vào

bề mặt bên dƣới.

. Các mẫu từ khác nhau thể hiện dòng điện dƣơng và âm

. Đầu ghi đƣợc làm bằng vật liệu từ hoá, dạng hình chữ nhật rỗng

với khe hở dọc một cạnh và vòng dây dẫn ở dọc cạnh đối diện

. Dòng điện chạy trong dây tạo ra từ trƣờng trên khe  từ hoá một

vùng nhỏ của môi trƣờng ghi

. Đảo chiều dòng điện sẽ làm đảo chiều từ hóa trên môi trƣờng ghi

4

CƠ CHẾ ĐỌC – GHI TỪ

Đọc (truyền thống )

. lợi dụng tính chất: từ trƣờng chuyển động quanh cuộn dây tạo

ra dòng điện trong cuộn dây

. Khi bề mặt đĩa đi qua đầu, nó tạo ra một dòng điện cùng cực

với dòng đã ghi.

. Cấu trúc của đầu đọc cơ bản giống đầu ghi, do đó cùng một

đầu có thể đƣợc sử dụng cho cả đọc và ghi.

Đọc (hiện đại)

. Đòi hỏi phải có đầu đọc, ghi riêng biệt

. bộ cảm biến điện từ (MR) đƣợc che một phần

. điện trở phụ thuộc vào hƣớng từ trƣờng di chuyển bên dƣới

. tần số vận hành cao hơn  mật độ lƣu trữ lớn hơn và tốc độ

nhanh hơn.

5

Đầu đọc điện từ/ Đầu ghi điện cảm

6

Bố trí dữ liệu trên đĩa

• Vòng tròn đồng tâm – track

– Rãnh (gap) giữa các track

 giảm lỗi

– Độ rộng của track = độ

rộng đầu

• Track chia thành các sector

• Sector: đơn vị dữ liệu đọc ra

khỏi đĩa/ ghi vào đĩa

– có hàng trăm sector/track

– độ dài sector cố định hoặc

biến đổi

– phổ biến là sector 512 byte

7

Vận tốc đĩa

Bit gần tâm đĩa quay sẽ đi qua 1 điểm cố định chậm hơn so

với bit bên ngoài !

 2 giải pháp

. Vận tốc góc không đổi (CAV)

. Tăng khoảng cách giữa các bit trong các track khác nhau

. Các sector hình pie và các track đồng tâm

. Ƣu: Đánh địa chỉ từng khối dữ liệu theo track và sector

. Nhƣợc: Lãng phí không gian các track ngoài

. Mật độ dữ liệu thấp hơn

. Ghi nhiều vùng để tăng công suất

. Bề mặt chia thành nhiều vùng đồng tâm. Các track cùng 1

vùng có số bit nhƣ nhau.

. Mạch phức tạp hơn

8

Sơ đồ phƣơng pháp bố trí đĩa

Vận tốc góc không đổi

+ đánh địa chỉ trực tiếp cho từng

khối DL theo track và sector

Ghi nhiều vùng

+ tổng dung lƣợng lƣu trữ lớn hơn

-- mạch điện phức tạp hơn

9

-- dung lƣợng dữ liệu hạn chế

Đặc tính vật lý của hệ thống đĩa

• Cơ chế

• Chuyển động đầu

-Đầu cố định

-Tiếp xúc (điã mềm)

-Rãnh cố định

-Đầu di chuyển

• Tấm platter

-Đơn tấm

-Rãnh khí động học

(Winchester)

• Mặt

-1 mặt

-2 mặt

-Đa tấm

• Tính di động của đĩa

-Đĩa không tháo đƣợc

-Đĩa tháo đƣợc

10

Đặc tính (2)

. Đĩa có đầu cố định

. Một đầu đọc-ghi cho mỗi track

. Đầu đƣợc gắn trên một cánh tay cố định kéo dài

trên toàn bộ tracks

. Đĩa có đầu di chuyển

. Một đầu đọc-ghi

. Đầu đƣợc gắn trên một cánh tay

. Cánh tay có thể đƣợc kéo dài hoặc rút ngắn

. Đĩa hai mặt

. Lớp phủ từ tính đƣợc phủ lên cả

hai mặt của tấm platter

11

Đặc tính (3)

. Đĩa tháo được

. Có thể đƣợc gỡ ra và thay thế bằng một đĩa khác

. Ƣu điểm:

. Hệ thống đĩa hữu hạn nhƣng sẵn sàng chứa lƣợn

dữ liệu vô hạn

. Đĩa có thể đƣợc di chuyển từ hệ thống máy tính

này sang hệ thống khác

. Ví dụ: đĩa mềm, đĩa cartridge ZIP

. Đĩa không tháo được

. Gắn cố định vào ổ đĩa

. VD: Đĩa cứng trong máy tính cá nhân

12

Đa tấm platter

. ổ đĩa chứa nhiều tấm đĩa

xếp chồng lên nhau theo

chiều dọc

. Nhiều cánh tay gắn cố

định trên 1 trục

. một đầu đọc-ghi cho 1 bề

mặt platter

. Các đầu đƣợc gắn cố

định, thẳng hàng với nhau

 di chuyển cùng nhau

. Các track gióng hàng trên

mỗi tấm platter tạo thành

các hình trụ

13

Cylinder

14

Phân loại

Dựa vào cơ chế hoạt động, phân thành 3 loại đĩa

• Rãnh cố định: truyền thống, đầu đọc-ghi cách platter 1 khoảng

cố định

• Tiếp xúc: Đầu tiếp xúc với môi trƣờng đọc-ghi khi thực hiện

đọc/ghi (VD: đĩa mềm – rẻ, nhỏ, chậm)

• Rãnh khí động học: Đầu hoạt động gần bề mặt đĩa

– VD: đĩa Winchester

• Mối quan hệ giữa mật độ dữ liệu và khoảng cách đầu-mặt đĩa:

– Đầu phải tạo ra hoặc cảm nhận 1 trƣờng điện từ đủ lớn thì mới

ghi và đọc đúng

– Đầu càng hẹp  càng phải đặt gần bề mặt platter

– Đầu hẹp hơn nghĩa là track hẹp hơn  mật độ dữ liệu lớn hơn

– Đầu càng gần đĩa  khả năng lỗi càng cao

15

Đầu đĩa Winchester

• Phát triển bởi IBM ở Winchester, Mỹ

• Dùng trong các cụm ổ kín, hầu nhƣ không có chất gây ô nhiễm

• Đầu hoạt động gần bề mặt đĩa hơn so với các đầu đĩa cứng

thông thƣờng, do đó mật độ dữ liệu lớn hơn

• Là 1 tấm foil khí động học đặt nhẹ trên bề mặt đĩa khi đĩa

không di chuyển

• Áp suất không khí sinh ra khi đĩa quay

làm tấm foil nâng lên khỏi bề mặt

 khoảng cách rất nhỏ

• Bộ nhớ ngoài nhanh nhất

16

Các thông số đĩa cứng điển hình

17

Thời gian truyền vào ra của đĩa

Rotation delay

18

Các tham số hiệu năng

• Khi ổ đĩa đang hoạt động đĩa quay với vận tốc không đổi

• Để đọc/ghi, đầu phải đƣợc đặt ở track mong muốn và ở sector đầu

tiên của track đó

– Chọn track bằng cách di chuyển đầu (hệ thống đầu đĩa di chuyển đƣợc)

hoặc lựa chọn đầu (hệ thống đầu cố định)

– Khi đã chọn đƣợc track, đợi đến khi sector thích hợp xoay tới chỗ đầu

• Thời gian tìm kiếm là thời gian cần để đặt đƣợc đầu vào track

• Trễ quay là thời gian cần để điểm bắt đầu sector chạm đến đầu

• Thời gian truy nhập = Thời gian tìm kiếm + Trễ quay

– Thời gian cần để vào vị trí đọc và ghi

• Thời gian truyền

– Khi đầu vào vị trí, thao tác đọc/ghi đƣợc thực hiện khi sector di chuyển

dƣới đầu

– Đây là giai đoạn truyền dữ liệu

19

• Sử dụng nhiều đĩa để nâng cao hoạt

động

RAID

• Gồm 7 mức

• Mức không thể hiện mối quan hệ

thứ bậc mà là các kiến trúc thiết kế

khác nhau có chung ba đặc điểm:

Redundant Array of

Independent Disks

1) Tập hợp các ổ đĩa vật lý đƣợc hệ

điều hành coi nhƣ một ổ đĩa logic

đơn

Mảng dƣ thừa nhiều

đĩa độc lập

2) Dữ liệu đƣợc phân bố trên các ổ đĩa

vật lý của một mảng theo cơ chế

striping – phân dải

3) Dung lƣợng đĩa dƣ thừa đƣợc sử

dụng để lƣu trữ thông tin parity, đảm

bảo khả năng phục hồi dữ liệu trong

trƣờng hợp đĩa bị hỏng

20

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Bộ nhớ ngoài - Nguyễn Hằng Phương