Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Bộ nhớ ngoài

CHƯƠNG 7: BỘ NHỚ NGOÀI

◼ 50 năm trước đây, ngày 13/9/1956, chiếc ổ cứng RAMAC

(1956) – Chiếc ổ cứng máy tính đầu tiên trên thế giới đã

ra đời, với cấu tạo làm từ 50 lớp đĩa có đường kính tới...

0,6m, nặng tới 1 tấn và chỉ chứa được... 5MB dữ liệu.

◼ Sản phẩm RAMAC tích hợp có chiều rộng gấp đôi 2 chiếc

tủ lạnh, nhưng lại không cao bằng và nặng 1 tấn.

RAMAC có tổng cộng 50 lớp đĩa có đường kính khoảng

0,6m với tốc độ quay trung bình đạt 1.200 /phút, nhưng

dung lượng lưu trữ chỉ có đúng 5MB, đủ để lưu một bài

hát có độ dài 5 phút được mã hoá chuẩn MP3 128bit.

◼ IBM chỉ cho xuất xưởng đúng 12 chiếc ổ đĩa RAMAC.

◼ Ngày nay, chúng ta có những chiếc ổ đĩa cứng với rất

nhiều kích cỡ và đặc tính khác nhau. Từ chiếc ổ đĩa cứng

nhỏ nhất thế giới của Toshiba với kích thước khoảng

2cm và dung lượng lưu trữ 2GB và 4GB cho đến những

chiếc ổ đĩa cứng dung lượng khổng lồ 750GB. Các nhà

sản xuất đã tung ra thị trường hàng loạt sản phẩm ổ đĩa

cứng dành riêng cho máy chủ, máy tính để bàn, máy

tính xách tay, máy ghi video, thiết bị nghe nhạc số… Bạn

có thể tìm thấy ổ đĩa cứng ở bất kỳ đâu, trong một chiếc

ô tô, máy bay hay trong các ứng dụng quân sư. Bên

cạnh đó, giá thành của ổ đĩa cứng cũng đã giảm đí một

cách đáng kể. Nếu chiếc dung lượng lưu trữ trong ổ

cứng RAMAC của IBM có giá 10.000USD/MB, thì những

chiếc ổ cứng ngày nay chỉ có giá 0,03 cent/MB.

Những cột mốc trong tiến trình phát triển ổ đĩa cứng

1956 Ổ cứng IBM RAMAC 350 với 50 lớp đĩa có đường kính 24-inch

1962 IBM sản xuất thành công hệ thống lưu trữ kết hợp 6 ổ đĩa cứng 14-inch, mỗi

ổ có dung lượng lưu trữ 2MB.

1979 IBM sản xuất thành công ổ đĩa cứng 8-inch.

1980 Ổ đĩa cứng 5.25-inch Winchester lần đầu tiên ra mắt. Thiết kế của loại ổ đĩa

này đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thị trường PC.

1983 Rodine ra mắt ổ đĩa cứng 10MB 3.25-inch. Kích thước ổ đĩa này hiện vẫn là

kích thước chuẩn của ổ đĩa cứng hiện nay.

1988 PrairieTek ra mắt ổ đĩa cứng 2.5-inch 20MB. Kích thước của ổ đĩa này hiện

là kích thước chuẩn ổ đĩa cứng dành cho laptop hiện nay.

1991 Integrated Peripherals ra mắt ổ đĩa 1.8-inch. Loại ổ đĩa này chỉ thực sự được

biết đến khi Apple tung ra chiếc iPod đầu tiên khoảng 10 năm trước đây.

1992 Hewlett-Packard ra mắt ổ đĩa cứng 1.3-inch.

1999 IBM ra mắt ổ đĩa cứng "tí hon" 1-inch 340MB. Dung lượng loại ổ này hiện

đã lên tới 8GB

2004 Toshiba thu nhỏ kích thước ổ đĩa cứng xuống còn 0.85 inch. Đây được xem

là chiếc ổ đĩa cứng nhỏ nhất thế giới

7.1 ĐĨA TỪ

◼ Đĩa từ là một tấm kim loại/nhựa hình tròn có bề mặt phủ vật

liệu từ tính. Dữ liệu được ghi lên/đọc ra từ đĩa thông qua một

thiết bị gọi là đầu đọc. Trong khi có thao tác đọc/ghi, đầu đọc

đứng yên và tấm đĩa quay liên tục bên dưới nó.

◼ Cơ chế ghi dựa trên từ trường sinh bởi dòng điện đi qua ống

xoắn. Các xung động được gửi đến đầu đọc, sau đó những

khuôn dạng từ khác nhau ứng với các dòng điện âm/dương

sẽ được ghi lên bề mặt đĩa ở bên dưới.

◼ Cơ chế đọc dựa trên dòng điện trong ống xoắn vốn được sinh

bởi sự dịch chuyển từ trường quanh nó. Khi bề mặt đĩa đi qua

dưới đầu đọc, nó sẽ sinh ra một dòng điện có cùng cực với

dòng đã được ghi trước đó.

TỔ CHỨC VÀ ĐỊNH DẠNG DỮ LIỆU

◼ Đầu đọc là một thiết bị tương đối nhỏ có khả năng đọc/ghi

từ/lên một phần của tấm đĩa quay bên dưới. Điều này dẫn

đến việc tổ chức dữ liệu trên đĩa theo dạng một tập hợp các

vòng tròn đồng tâm gọi là các track (rãnh). Mỗi track có

cùng độ rộng như đầu đọc.

◼ Các rãnh kề nhau được phân biệt bằng các gap (khoảng

trống), nhờ đó ngăn chặn ở mức tối thiểu các sai sót do sự

canh biên không chính xác của đầu đọc hoặc nhiễu của các

trường điện từ. Để đơn giản hóa về mặt điện tử, mỗi track có

số bit thông tin bằng nhau. Do đó dộ trù mật tính theo số bit

trên mỗi inch tuyến tính sẽ tăng lên khi chúng ta đi từ track

xa nhất bên ngoài vào đến track gần nhất bên trong đĩa.

Tổ chức dữ liệu trên đĩa

◼ Như đã đề cập đến trong các chương trước, dữ liệu

được chuyển đến và đi khỏi đĩa theo từng khối một.

Thông thường kích thước của một khối dữ liệu nhỏ

hơn dung lượng của track. Cụ thể hơn, dữ liệu được

lưu trong các vùng có kích thước khối gọi là sector

(cung). Trên mỗi track thường có từ 10 đến 100

sector dữ liệu và chúng có thể có độ dài cố định hay

thay đổi. Để tránh những sai sót về độ chính xác có

thể xảy ra trong hệ thống, các sector liền nhau được

tách biệt bởi các gap liên track (liên – bản ghi).

◼ Với cách tổ chức như vậy, để xác định từng sector

trong track, cần phải có một điểm bắt đầu của track

cũng như cách thức nhận biết điểm bắt đầu và kết

thúc của một sector. Các yêu cầu này được quản lý

thông qua dữ liệu điều khiển đã được ghi lên đĩa.

Do vậy đĩa sẽ được định dạng với một số dữ liệu

phụ đi kèm và chỉ được sử dụng bởi ổ đĩa. Người sử

dụng không thể truy cập đến những dữ liệu này

CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH

◼ Những đặc trưng chính của đĩa bao gồm:

◼ Sự di chuyển của đầu đọc

◼ Tính khả chuyển của đĩa

◼ Các mặt đĩa

◼ Các tấm đĩa

◼ Cơ chế làm việc của đầu đọc

SỰ DI CHUYỂN CỦA ĐẦU ĐỌC

◼ Đầu đọc có thể được giữ cố định hoặc di chuyển

theo hướng tâm đĩa. Với đầu đọc cố định, có

một đầu đọc/ghi cho mỗi track. Tất cả các đầu

đọc được gắn lên một tay đòn kéo dài qua tất cả

các track trên đĩa. Với đầu đọc có thể di chuyển,

chỉ có một đầu đọc/ghi duy nhất. Ở đây đầu đọc

cũng được gắn lên một tay đòn có thể kéo dài

hoặc thu ngắn ứng với vị trí của track cần truy

cập trên đĩa. Hình 5.2 mô tả các loại đầu đọc cố

định và không cố định.

Tính khả chuyển của đĩa

◼ Bản thân đĩa thường được gắn vào trong một ổ đĩa với

một tay đòn, một động cơ quay đĩa cũng như các mạch

điện tử cần thiết cho việc nhập/xuất dữ liệu nhị phân.

Đĩa không thể tháo rời được gắn vĩnh viễn vào trong ổ

đĩa trong khi ổ đĩa có thể tháo rời có thể lấy ra và thay

thế bằng một ổ đĩa khác.

◼ Lợi ích của loại đĩa có thể tháo rời là khả năng cung cấp

một lượng dữ liệu không có giới hạn trên một hệ thống

giới hạn các ổ đĩa. Hơn nữa đĩa đó còn có thể di chuyển

từ máy tính này sang máy tính khác.

Các mặt đĩa

◼ Hầu hết các đĩa đều có 2 mặt trừ một số loại cũ

chỉ có 1 mặt.

Số các tấm đĩa

◼ Một số ổ đĩa cho phép xếp chồng nhiều đĩa theo

chiều thẳng đứng với nhiều tay đòn được cung

cấp. Các tấm đĩa như thế được tổ chức theo đơn

vị disk pack (gói đĩa).

Cơ chế làm việc của đầu đọc

◼ Cơ chế làm việc của đầu đọc trong thao tác đọc/ghi

cho phép phân loại đĩa rất rõ ràng. Chúng ta có ba

cơ chế như sau:

◼ Cơ chế 1: giữ đầu đọc ở một khoảng cách cố định

với bề mặt đĩa

◼ Cơ chế 2: cho phép tiếp xúc về mặt vật lý giữa

đầu đọc với bề mặt đĩa

◼ Cơ chế 3: khoảng cách giữa đầu đọc với bề mặt

đĩa có thể thay đổi trong quá trình đọc/ghi.

◼ Để hiểu rõ cơ chế 3 nói trên, chúng ta cần tìm hiểu về

mối quan hệ giữa độ trù mật dữ liệu và kích thước của

khối không khí trống giữa đầu đọc và bề mặt đĩa bên

dưới nó

◼ Đầu đọc phải sinh ra một trường điện từ đủ lớn để

đọc/ghi một cách chính xác. Đầu đọc càng hẹp thì nó

càng phải ở gần bề mặt đĩa hơn để hoạt động. Đầu đọc

hẹp hơn dẫn đến bề rộng track nhỏ hơn và do vậy độ trù

mật dữ liệu tăng lên rất nhiều.

◼ Tuy nhiên, khi đầu đọc càng gần bề mặt đĩa, nguy cơ

pha tạp và không chính xác về dữ liệu càng lớn.

◼ Nhằm đẩy kỹ thuật đĩa lên một bước xa hơn, người ta đã

chế tạo ra ổ đĩa Winchester. Các đầu đọc Winchester

được sử dụng trong các ổ đĩa gần như không có tác

nhân tạp chất. Chúng được thiết kế để hoạt động gần

hơn với bề mặt đĩa. Do đó cho phép làm tăng độ trù mật

của dữ liệu trên đĩa.

◼ Đầu đọc có dạng một lá khí động học nằm trên bề mặt

đĩa khi đĩa không chuyển động. Áp suất không khí sinh

bởi đĩa xoay tròn đủ làm cho lá rút lên khỏi bề mặt đĩa.

Phần hệ thống không tiếp xúc với đĩa có thể được chế

tạo để sử dụng với những đầu đọc kiểu mới này.

THỜI GIAN TRUY CẬP ĐĨA

◼ Khi ổ đĩa hoạt động, đĩa quay với vận tốc không đổi.

Để đọc hoặc ghi, đầu đọc định vị track cần truy cập và

tại đầu của sector cần thao tác trên track đó. Việc

chọn track bao gồm việc di chuyển đầu đọc (trong hệ

thống đầu đọc di chuyển) hay lựa chọn một cách điện

tử một đầu đọc/ghi (trong hệ thống có đầu đọc cố

định).

◼ Với hệ thống có đầu đọc di chuyển được, thời gian

cần để định vị track được gọi là thời gian tìm kiếm

(seek time). Trong hai trường hợp, khi track đã được

chọn, hệ thống chờ sector thích hợp quay đến bên

dưới đầu đọc. Thời gian cần thiết để sector quay

đến dưới đầu đọc này gọi là độ trễ quay (rotational

latency).

◼ Tổng thời gian tìm kiếm và độ trễ quay được gọi là

thời gian truy cập, hay thời gian cần thiết để định vị

dữ liệu cần đọc/ghi. Khi đầu đọc đã ở đúng vị trí,

thao tác đọc/ghi sẽ được thực hiện ngay khi sector

di chuyển dưới đầu đọc.