thảo luận môn kiến trúc máy tính và hệ điều hành đĩa cứng cấu tạo, các chuẩn ghép nối, bảng phân khu, thư mục gốc và hệ thống file; đĩa quang cấu tạo, nguyên lí đọc CD và các loại đĩa quang

Đĩa cứng Đĩa cứng Hard Disk Drive: HDD có thể hiểu là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu điện tử bằng cách sử dụng công cụ từ hóa bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính..  Các

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BẢN BÁO CÁO Bài tập thảo luận môn Kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Nhóm: 05

Bùi Quang Phi Long - B19DCPT145 Trương Công Hòa - B19DCPT090 Phạm Thúy Lệ - B19DCPT135

Lê Hải Yến - B19DCPT253 Trần Đức Cường - B19DCPT025 Bùi Thị Mai - B19DCPT154

Ngô Hương Linh - B19DCPT139

Hà Nội 2021 LỜI TỰA ĐẦU

Trước tiên với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến cô Vũ Thị Thúy Hà – giảng viên Kiến trúc máy tính và hệ điều hành lời cảm ơn chân thành vì đã cùng với tri thức

và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong thời gian học tập tại học viện

Đặc biệt, trong học kỳ này, khi dịch Covid – 19 gây ảnh hưởng ít nhiều đến việc học tập của chúng em nhưng cô vẫn truyền đạt tâm huyết của mình của màn ảnh nhỏ Cô đã luôn bên cạnh, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập, động viên và giúp đỡ để chúng em hoàn thành tốt môn học này Bước đầu tiếp cận đến kiến trúc máy tính và hệ điều hành, kiến thức của chúng em còn hạn chế và thiếu sót Vì vậy em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của cô để bài tập lớn của chúng em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin kính chúc cô Hà và quý thầy cô Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông thật dồi dào sức khỏe, tràn đầy năng lượng để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên,

Bùi Quang Phi Long – B19DCPT145

Trương Công Hòa – B19DCPT090

Phạm Thúy Lệ - B19DCPT135

Lê Hải Yến – B19DCPT253

Trần Đức Cường – B19DCPT025

Bùi Thị Mai – B19DCPT154

Ngô Hương Linh – B19DCPT139

MỤC LỤC

I Đĩa cứng 4

 Cấu tạo 4

1 Giao diện ghép nối ATA 5

2 Chuẩn ghép nối SATA 7

3 Chuẩn ghép nối SCSI 7

Phân khu (Partitions) đĩa cứng 8

Bảng phân khu (HDD Partition Table) 8

Thư mục gốc 9

Hệ thống file 9

II.Đĩa Quang 9

 Cấu tạo 9

 Nguyên lý đọc CD 10

 Các loại đĩa quang 11

III RAID 12

 RAID là gì? 12

 Các kỹ thuật chính tạo ra RAID 12

 Một số loại RAID thông dụng 14

Chủ đề 4 : Đĩa cứng: cấu tạo, các chuẩn ghép nối, bảng phân khu, thư mục gốc và hệ thống file; Đĩa quang: cấu tạo, nguyên lí đọc CD và các loại đĩa quang; RAID: RAID

là gì? Các kĩ thuật chỉnh tạo RAID; một số loại RAID thông dụng.

I Đĩa cứng

Đĩa cứng (Hard Disk Drive: HDD) có thể hiểu là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu điện tử bằng cách sử dụng công cụ từ hóa bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính Những tấm đĩa này thường được làm bằng nhôm hoặc thủy tinh gốm có kích thước xác định, trên

bề mặt có phủ một lớp mỏng (0,5-0,7μm) vật liệu từ tính

Hiện nay, các ổ đĩa cứng thường có dung lượng rất lớn, từ vài chục gigabyte đến hàng ngàn gigabyte và là thiết bị lưu trữ chủ yếu của các hệ thống máy tính

 Cấu tạo

Các thành phần của đĩa cứng

- Đĩa cứng gồm các thành phần chính: các đĩa từ (Disks), các đầu từ đọc/ghi (Heads), các

rãnh (Tracks), các mặt trụ (Cylinders) và các cung (Sectors)

- Các đĩa từ (disks):

 Một ổ đĩa cứng có thể gồm một hoặc nhiều đĩa được lắp đồng trục

 Các đĩa thường phẳng và được chế tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh với lớp bột từ rất mỏng (khoảng 10-20nm) phủ trên bề mặt đĩa để lưu thông tin

 Hiện nay vật liệu thường dùng là hợp kim của coban

 Đĩa có thể lưu trữ thông tin trên 2 mặt (side), được đánh số mặt 0 và mặt 1

- Các đầu từ đọc/ ghi (heads)

 Mỗi đầu từ đĩa cứng thường có kích thước rất nhỏ, được sử dụng để đọc và ghi thông tin lên đĩa

 Khoảng cách giữa đầu từ và bề mặt đĩa là rất nhỏ, nhưng không tiếp xúc mà

“bay” trên mặt đĩa

 Số lượng đầu từ của mỗi ổ đĩa phụ thuộc vào thiết kế và dung lượng đĩa và thường rất khác nhau: 4, 8, 12, 16, 24, 32, 64

- Các rãnh (tracks)

 Có dạng là một đường tròn đồng tâm trên mặt đĩa để lưu thông tin

 Các rãnh được đánh số từ 0 theo trật từ từ phía ngoài đĩa vào trong tâm

 Mỗi mặt đĩa có thể chứa hàng ngàn rãnh

- Mặt trụ (Cylinder)

 Là tập hợp của các rãnh ở các mặt đĩa khác nhau nằm trên cùng một vị trí đầu từ

- Cung (Sector)

 Là một phần của rãnh trên bề mặt đĩa và là đơn vị lưu trữ nhỏ nhất có thể quản

lý của đĩa

 Kích thước thông dụng của mỗi cung là 512 bytes

- Cách tính dung lượng của đĩa cứng

 Ba tham số được sử dụng để tính dung lượng đĩa là: Số lượng mặt trụ (C), số lượng đầu từ (H) và số lượng cung trong một rãnh (S)

 Dung lượng = C x H x S x 512 bytes

- Các chuẩn ghép nối

 Các chuẩn hay giao diện ghép nối ổ đĩa cứng giải quyết vấn đề các ổ đĩa cứng được ghép nối và trao đổi dữ liệu với CPU như thế nào

 Các dạng giao diện ghép nối ổ đĩa cứng với máy tính gồm:

 Parallel ATA (PATA hoặc IDE/EIDE - Integrated Drive Electronics) – Advanced Technology Attachments

 Serial ATA (SATA)

 SCSI – Small Computer System Interface

 Serial Attached SCSI (SAS)

 iSCSI – Internet SCSI

Ở đây ta tìm hiểu về ba chuẩn ghép nối thông dụng nhất cho máy tính là PATA/ATA/IDE, SATA và SCSI

1 Giao diện ghép nối ATA

+ ATA/ IDE sử dụng cáp dẹt (pin cables) 40 hoặc 80 chân để nối HDD với bảng mạch chủ

+ Mỗi cáp thường hỗ trợ ghép nối với 2 ổ đĩa: một ổ đĩa chủ (master) và một ổ đĩa tớ (slave)

+ Tốc độ truyền dữ liệu:

- Bandwidth: 16 bit

- Thông lượng: 16, 33, 66, 100 và 133MB/s

2 Chuẩn ghép nối SATA

Khe cắm và cáp ghép nối SATA

- Chuẩn SATA sử dụng cùng tập lệnh mức thấp như chuẩn ATA nhưng SATA sử dụng đường truyền tin nối tiếp tốc độ cao trên 2 cặp dây dẫn

- Bộ điều khiển SATA sử dụng chuẩn AHCI (Advanced Host Controller Interface)

- SATA có nhiều đặc tính ưu việt hơn ATA:

 Truyền dữ liệu nhanh và hiệu quả hơn

 Tính năng cắm nóng (Hot plug)

 Số lượng dây cáp ít hơn

- Tốc độ truyền dữ liệu SATA:

 Thế hệ 1: 1.5 Gb/s

 Thế hệ 2: 3.0 Gb/s

 Thế hệ 3: 6 Gb/s

3 Chuẩn ghép nối SCSI

- SCSI là một tập các chuẩn để kết nối vật lý và vận chuyển dữ liệu giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi, thường được sử dụng trong các máy chủ

- Mọi thiết bị kết nối với SCSI bus theo cùng một cách, có thể từ 8 – 16 thiết bị cùng kết nối tới 1 đường bus

- Các đặc điểm ưu việt của SCSI:

 Tốc độ truyền dữ liệu rất nhanh và ổn định

 Hot plug

- Tốc độ truyền dữ liệu SCSI: 5, 10, 20, 40MB/s (SCSI cũ), 160, 320 và 640 MB/s

- SCSI HDD thường đắt và được sử dụng cho các hệ thống lưu trữ tốc độ cao và

server, ví dụ RAID, NAS, SAN

Hệ thống khe cắm ổ cứng SCSI trên máy chủ

Phân khu (Partitions) đĩa cứng

- Một đĩa cứng vật lý có thể được chia thành nhiều phần để thuận tiện cho quản lý và lưu trữ Mỗi phần được gọi là một phân đoạn hay một phân khu (partition)

 Có hai loại phân khu:

 Phân khu chính (primary partition)

 Phân khu mở rộng (extended partition)

 Một phân khu có thể được chia thành một hoặc một số ổ đĩa logic:

 Phân khu chính chỉ có thể chứa duy nhất 1 ổ đĩa logic

 Phân khu mở rộng có thể được chia thành một hoặc một số ổ đĩa logic

Bảng phân khu (HDD Partition Table)

 Là một bảng gồm các bản ghi lưu thông tin quản lý các phân khu đĩa cứng

 Các thông tin cụ thể về mỗi phân khu như sau:

 Phân khu này có hoạt động hay không (active)

 Số mặt trụ (C), đầu từ (H) và cung (S) điểm bắt đầu phân khu;

 Số mặt trụ (C), đầu từ (H) và cung (S) điểm kết thúc phân khu;

 Kiểu định dạng phân khu (FAT, NTFS, EXT);

 Kích thước của phân khu tính theo số cung

Thư mục gốc

- Thư mục gốc (Root directory) là thư mục ở mức thấp nhất trong hệ thống cây thư mục của ổ đĩa logic

- Thư mục gốc là điểm bắt đầu khi hệ thống tìm kiếm và truy nhập file

- Thư mục gốc không có thư mục cha như các thư mục khác

- Chứa các thư mục con và các file

Hệ thống file

- Hệ thống file (file system) là một dạng bảng danh mục (directory) để quản lý việc lưu trữ các files trên đĩa

- Các files thường đƣợc lưu trữ trong các thư mục (folders) và các thư mục được tổ chức theo mô hình cây

- Hệ thống file được thiết kế theo phiên bản của hệ điều hành:

 FAT (DOS, Windows 3.x, Windows 95, 98, ME)

 NTFS (Windows NT, 2000, XP, 2003, Vista, 7)

 Ext2, Ext3 (Unix, Linux)

 MFS (Macintosh FS)/HFS (Hierarchical FS) (Mac OS)

II.Đĩa Quang

Đĩa quang là thuật ngữ dùng để chỉ chung các loại đĩa mà dữ liệu được ghi/đọc bằng tia ánh sáng hội tụ

 Cấu tạo

- Các đĩa quang thường được chế tạo bằng plastic với một mặt được tráng bằng một lớp nhôm mỏng để phản xạ tia laser

- Mặt đĩa quang được “khắc” rãnh và mức lõm của rãnh được sử dụng để biểu diễn các bit thông tin

- Đĩa quang có cấu tạo gồm:

 Lớp nhãn đĩa (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt)

 Lớp phủ chống xước (chỉ có ở loại đĩa quang một mặt)

 Lớp bảo vệ tia tử ngoại

 Lớp chứa dữ liệu

 Lớp polycarbonat trong suốt (phía bề mặt làm việc)

- Đối với đĩa quang ghi dữ liệu ở hai mặt, các lớp được bố trí đối xứng để đảm bảo ghi dữ liệu ở cả hai mặt đĩa

 Nguyên lý đọc CD

- Đĩa quang hoạt động dựa trên nguyên lý quang học: sử dụng ánh sáng để đọc và ghi thông tin trên đĩa

- Việc đọc thông tin trên đĩa quang được thực hiện trong ổ đĩa quang theo các bước:

 B1: Tia laser từ diot phát laser đi qua bộ tách tia đến gương quay

 B2: Gương quay được điều khiển bởi tín hiệu đọc, lái tia laser đến vị trí cần đọc trên mặt đĩa

 B3: Tia phản xạ từ mặt đĩa phản ánh mức lồi lõm trên mặt đĩa quay trở lại gương quay

 B4: Gương quay chuyển tia phản xạ về bộ tách tia và sau đó đến bộ cảm biến quang điện

 B5: Bộ cảm biến quang điện chuyển đổi tia laser phản xạ thành tín hiệu đầu

ra Cường độ của tia laser được biểu diễn thành mức tín hiệu

 Các loại đĩa quang

Có hai loại đĩa quang chính: Đĩa CD (Compact Disk), đĩa DVD (Digital Video Disk)

a Đĩa CD (Compact Disk)

- Họ đĩa CD gồm 3 loại chính:

 Đĩa CD chỉ đọc (CD-ROM – Read Only CD): được ghi sẵn nội dung từ khi sản xuất và chỉ có thể đọc ra trong quá trình sử dụng; thường được sử dụng

để lưu âm nhạc và các phần mềm

 Đĩa CD có thể ghi một lần (CD-R – Recordable CD): đĩa có thể ghi được duy nhất một lần bởi người sử dụng; sau khi thông tin được ghi, đĩa trở thành đĩa chỉ đọc

 Đĩa CD có thể ghi lại (CD-RW – Rewritable CD): cho phép xóa thông tin

đã ghi và ghi lại nhiều lần; thường có giá thành cao và có thể ghi lại khoảng

1000 lần

b Họ đĩa DVD gồm nhiều loại:

 Đĩa DVD chỉ đọc (DVD-ROM – Read Only DVD): thường được sử dụng

để lưu phim ảnh và các phần mềm có dung lượng lớn

 Đĩa DVD có thể ghi một lần (DVD-R – Recordable DVD): có thể ghi được duy nhất một lần bởi người sử dụng; sau khi thông tin được ghi đĩa trở thành loại chỉ đọc

 Đĩa DVD có thể ghi lại (DVD-RW – Rewritable DVD): cho phép xóa thông tin và ghi lại nhiều lần

 Đĩa DVD mật độ cao (HD-DVD – High density DVD), đĩa DVD mật độ siêu cao (Blu-ray DVD – Ultra-high density DVD): là các loại đĩa DVD có

dung lượng siêu cao với dung lượng tương ứng vào khoảng 15GB và 25GB với đĩa một lớp

III RAID

 RAID là gì?

1 RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks hoặc Redundant Arrays of

Independent Disks) là hình thức ghép nhiều ổ đĩa cứng vật lý thành một hệ thống

ổ đĩa cứng có chức năng gia tăng tốc độ đọc/ghi dữ liệu hoặc nhằm tăng thêm sự

an toàn của dữ liệu chứa trên hệ thống đĩa hoặc kết hợp cả hai yếu tố trên

2 Mục đích: - Hiệu năng, tốc độ cao (high performance/ speed)

- Độ tin cậy cao (high reliability)

- Dung lượng lớn (large volume)

3 RAID là một tập/ mảng các HDD nhưng được HDH coi như 1 ổ đĩa logic

4 Các đĩa cứng theo chuẩn SATA và SCSI mới hỗ trợ tạo RAID

5 Dữ liệu được phân tán trên các đĩa vật lý

6 Đĩa dư thừa được sử dụng để lưu trữ thông tin parity => đảm bảo khôi phục dữ

liệu

 Các kỹ thuật chính tạo ra RAID

 Có 2 kỹ thuật chính để tạo ra RAID:

7 Disk stripping (tạo lát đĩa):

 Dữ liệu được chia thành các khối và mỗi khối được ghi đồng thời vào một đĩa độc lập

 Sau đó, các khối dữ liệu có thể được đọc từ HDD một cách đồng thời

 Cải thiện tốc độ truy cập

12

RAID – disk stripping

RAID Controller Computer

8 Disk mirroring :

 Dữ liệu được chia thành các khối và mỗi khối được ghi vào một số đĩa

 Tại thời điểm bất kì, luôn có nhiều hơn 1 bản sao dữ liệu

 Tăng độ tin cậy tăng

 Một số loại RAID thông dụng

 RAID 0

Disk 1 Disk2 Các đặc điểm:

 Dựa trên kĩ thuật disk stripping (đọc/ ghi song song)

 Dữ liệu được phân bố trên các đĩa trong mảng

 Tối thiểu cần 2 HDD

RAID – disk mirroring

45

Computer

RAID Controller

Ưu điểm:

9 Tốc độ nhanh

10.Đáp ứng tốt các hệ thống nhu cầu I/O cao

11.Dung lượng là tổng của tất cả các đĩa

Nhược điểm:

12.Độ tin cậy như một đĩa

 RAID 1

Các đặc điểm:

 Dựa trên kĩ thuật disk mirroring (nhiều bản sao)

 Tính dư thừa có được đơn giản bằng cách sao tất cả dữ liệu

 Tối thiểu cần 2 HDD

 Dữ liệu cũng phân mảnh (data stripping) như RAID 0 nhưng mỗi mảnh logic được ánh xạ tới 2 đĩa vật lý khác nhau

=> Mỗi đĩa trong mảng có một bản sao cùng dữ liệu (mirror)

RAID 1 – disk mirroring

51

Disk 1 RAID 1 - Disk mirroring

Disk 2

Computer

RAID Controller

Ưu điểm

- Độ tin cậy cao

Nhược điểm:

- Dung lượng thực sự bằng ½ tổng số đĩa

- Chi phí cao

 RAID 10:

Các đặc điểm:

- Tối thiểu cần 4 HDD

Dựa trên kĩ thuật disk mirroring và stripping

Ưu:

- Nhanh hơn so với một đĩa

- Tin cậy hơn so với một đĩa

Nhược:

- Dung lượng bằng một nửa dung lượng tổng số đĩa

 RAID 2:

- Các mảnh (strip) rất nhỏ, thường là byte hoặc word

- Các mã sửa sai được tính ứng với các bit trên đĩa dữ liệu tương ứng

- Thường sử dụng mã Hamming

- Cần ít đĩa hơn RAID1 nhưng vẫn tốn kém

- Số lượng đĩa dư thừa tỉ lệ thuận với log số lượng đĩa dữ liệu

- Yêu cầu đọc: dữ liệu và mã sửa sai được gửi tới bộ điều khiển

RAID 10 – disk stripping & mirroring

55

RAID Controller

Mirroring

Computer

 RAID 3 :

- Cấu trúc tương tự như RAID2

- Chỉ cần 1 đĩa dư thừa

- Bit chẵn lẻ đơn giản được tính cho tập các bit cùng vị trí trên các đĩa

  RAID 4:

- Từ RAID4 -> RAID6 sử dụng kỹ thuật truy cập độc lập:

- Mỗi đĩa thành viên hoạt động độc lập => các yêu cầu I/O riêng biệt có thể được đáp ứng song song

- Vẫn sử dụng data stripping nhưng các mảnh khá lớn

- Các mảnh parity theo từng bit được tính theo các mảnh tương ứng trên đĩa và lưu vào strip tương ứng trên đĩa parity

 RAID 5:

-Tổ chức tương tự như RAID4

- RAID5 phân bố các mảnh parity trên tất cả các đĩa

 RAID 6:

- Hai mã parity được tính và lưu trên các block riêng biệt trên các đĩa khác nhau