BÀI tập lớn CHỦ đề NGHIÊN cứu tìm HIỂU về THIẾT bị lưu TRỮ dữ LIỆU từ TÍNH (ổ đĩa CỨNG)

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 lànơi chứa dữ liệu.. Tốc độ qu

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

- -BÀI TẬP LỚN

CHỦ ĐỀ: NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ

Lớp: ĐH Kĩ thuật phần mềm 3/K9

Nhóm thực hiện: Nhóm 2

Họ tên sinh viên: Đỗ Thị Lan (MSV:0941360180)

Dương Văn Thịnh (MSV:0941360198) Ngọ Công Lệ (MSV:0941360175)

Vũ Chiến Thắng (MSV:0941360186) Nguyễn Thế Anh (MSV:0941360207)

MỤC LỤC

CHƯƠNG I - CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG 2

2.1 Sơ đồ khối 3

2.2 Nguyên lý làm việc và đặc tính của các khối 3

2.2.1 Đĩa từ 3

2.2.2 Đầu từ, thanh mang đầu từ 4

2.2.3 Bảng mạch điều khiển 5

2.2.4 Bộ khung cơ khí (Vỏ đĩa cứng) 7

2.3 Các chuẩn giao tiếp và cơ chế đọc ghi dữ liệu của ổ cứng 8

2.3.1 Các chuẩn giao tiếp của ổ cứng 8

2.3.2 Cơ chế đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng 10

2.4 Thông số và đặc tính của ổ cứng 11

2.4.1 Dung lượng 11

2.4.2 Tốc độ quay của ổ đĩa cứng 11

2.4.3 Các thông số về thời gian của ổ đĩa cứng 12

2.4.4 Tốc độ truyền dữ liệu 12

2.4.5 Kích thước 12

2.4.6 Sự sử dụng điện năng 12

2.4.7 Độ ồn 13

2.4.8 Chu trình di chuyển 13

2.4.9 Chịu đựng sốc 13

2.4.10 Nhiệt độ và sự thích nghi 13

2.4.11 Các thông số về sản phẩm 13

2.4.12 Hệ số đan xen 14

CHƯƠNG II - CẤU TRÚC LOGIC VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN Ổ ĐĨA CỨNG 14

3.1 Sơ đồ khối 14

3.2 Nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của các khối 15

3.2.1 Master boot record (MBR) 15

3.2.2 DBR (DOS Boot Record) 17

3.3.3 FAT (File Allocation Tables) 17

3.2.4 Root Directory 18

3.2.5 Data Area 19

3.3 Tổ chức dữ liệu trên ổ đĩa cứng 19

3.4 Phương pháp truy xuất dữ liệu của ổ đĩa cứng 20

CHƯƠNG I - CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG 2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1: 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 lànơi chứa dữ liệu Trên bề mặt đĩa từ có các điểm từ tính Đĩa từ được chế tạo rấtđặc 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

Có thể coi mỗi mặt đĩa cứng là một trường hai chiều: cao và rộng Theo kiểuhình 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

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 mặtđĩa khác nhau thành các cylinder

Hình 2.2: Hình mô tả Cylinder

Trên một ổ đĩa cứng có nhiều cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa từ

Hình 2.3: 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 độngquay từ động cơ đến các đĩa từ

Hình 2.4: Mô tơ trục quay

Một trong những yếu tố xác định chất lượng của ổ cứng là tốc độ mà đĩa từlướt 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

Tốc độ quay của motor trục quay: Thông thường thì các loại đĩa cứng hiệnnay có tốc độ quay từ 5200rpm đến 7200rpm(rpm viết tắt của round per minute,nghĩa là số vòng quay trong một phút

2.2.2 Đầu từ, thanh mang đầu từ

Đầu từ của ổ đĩa cứng thường được chế tạo như trong ổ đĩa mềm, lõi sắt

mềm cộng với 8 đến 34 (hoặc hơn) vòng dây đồng mảnh

Trong cấu trúc tổng thể, các đầu từ này được gắn vào các cánh tay kimloại dài(gọi là thanh mang đầu từ) điều khiển bằng môtơ

Đầu từ đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộndây (giống như nam châm điện) 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 dữliệu

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 cáchnhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu từ tại các vị trí từ mép đĩa đếnvùng phía trong của đĩa (phía trục quay)

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

Hình 2.6: Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ

và chân cắm chuẩn IDE hoặc SATA

Hình 2.8: 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 liệutrên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện Đơn vị thườngbính bằng kB hoặc MB

Có 4 kiểu bộ đệm ổ cứng chính:

- Bộ đệm “mềm” (Software disk caches): sử dụng một phần bộ nhớ chính củamáy (PC RAM – main memory)

- Bộ đệm “cứng” (on-board disk caches): sử dụng bộ nhớ và bộ điều khiển cache

- Bộ đệm “riêng” (disk caching controllers): tương tự như bộ đệm cứng, bộ đệmriêng sử dụng bộ nhớ riêng (có cấu trúc khác RAM) nhưng bộ nhớ và bộ điềukhiển mà bộ đệm này sử dụng là bộ nhớ và chíp điều khiển được gắn riêng rẽtrên một card điều khiển chứ không phải là trên board mạch của ổ cứng

- Buffers : Giữa buffers và cache có những điểm rất giống nhau Có một điểmgiống nhau giữa cache và buffers chính là “chúng đều là bộ nhớ đệm có tácdụng 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

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 diệnSATA

Hình 2.9: Jump cấp nguồn cho ổ cứng SATA

Hình 2.10: Jump cấp nguồn cho ổ cứng ATA

Hình 2.12: 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 cáckênh trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông

số làm việc khác

Hình 2.13: 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 Các ổ đĩacứng thường dùng khung nhôm đúc, nhưng các ổ cứng loại nhỏ của máy tínhxách tay thường dùng vỏ plastic

Vỏ đĩa cứng gồm các phần: phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phần nắpđậy lại để bảo vệ các linh kiện bên trong

Hình 2.14: Phần đế của ổ đĩa cứng

Hình 2.15: 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

- ST-506/412 : tiêu chuẩn giao tiếp được phát triển bởi hãng Seagate và được sửdụng vào thời kì những máy IBM sơ khai(1980)

Hình 2.16: Khe cắm chuẩn giao tiếp ST-512 của ổ cứng

- Enhanced Small Device Interface (ESDI): giao diện bộ điều khiển ổ cứng phảicần một thiết bị trợ giúp riêng biệt

Hình 2.17: 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 đểkết nối máy tính cá nhân đến thiết bị khác như là ổ cứng, máy in, scanner vàCD-ROM

Hình 2.18: Ổ cứng sử dụng giao tiếp SCSI

- Intergrated Drive Electronics (IDE): giao diện bộ điều khiển ổ cứng kết hợpvới bộ điều khiển điện tử trên board của ổ cứng Giao tiếp EIDE là một pháttriển gần nhất của IDE

Hình 2.19: Cổng giao tiếp IDE của ổ cứng

- Extended Intergrated Drive Electronics (EIDE)(Parallel ATA (PATA) cũngđược gọi là EIDE): chuẩn này còn được gọi là “Enhance IDE”, là một chuẩngiao tiếp giúp cho bộ điều khiển ổ cứng có thể kết nối khá nhiều thiết bị lưu trữvới máy tính

Ổ cứng SCSI là ổ cứng có tốc độ nhanh nhất trong các chuẩn ổ cứng bởi vì bộđiều 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 củaCPU chính của hệ thống

Hình 2.20: Jump tín hiệu của ổ cứng giao diện SATA

Chuẩn giao tiếp SATA sử dụng cáp dữ liệu gồm 7 dây dẫn (3 dây nối đất và 4dây dữ liệu chia thành 2 cặp), có đầu nối rộng 8mm ở hai đầu SATA sử dụngcấu trúc điểm-điểm (point-to-point) để truyền dữ liệu, kết nối trực tiếp giữa chipđiều khiển và thiết bị lưu trữ, nên không cần cấu hình theo mô hình master/slavephức tạp như giao tiếp PATA

Chuẩn SATA cũng sử dụng cáp nguồn khác với chuẩn đầu cắm nguồn 4 châncủa Molex đã tồn tại hàng chục năm nay Tương tự như cáp dữ liệu, cáp nguồnSATA cũng nhỏ dẹp, sử dụng đầu cắm 15 chân và cung cấp 3 mức nguồn 3,3V,5V và 12V

Các chip điều khiển SATA sử dụng giao tiếp AHCI (Advanced HostController Interface) làm giao tiếp chuẩn, hỗ trợ các tính năng cao cấp củaSATA như tháo lắp nóng và NCQ (Native Command Queuing)

Serial ATA là một bước phát triển của giao diện lưu trữ vật lý song songATA, thay thế cáp chuẩn 40 sợi và đầu kết nối IDE thành cáp 7 sợi và đầu kếtnối SATA

2.3.2 Cơ chế đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng

Cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theotuần tự mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm nàotrên bề mặt đĩa từ Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ,CPU sẽ đòi hỏi dữ và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ liệu chứa trên nó Khôngđơn thuần như vậy CPU có thể đòi hỏi nhiều hơn một tập tin dữ liệu tại một thờiđiểm, 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, cácyêu cầu được đáp ứng tuần tự

- Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu theo phương thứcriêng của nó.

Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện đồng thời hai chuyển động: Chuyểnđộng quay của các đĩa và chuyển động của các đầu đọc

Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện trường đểđọc dữ Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa

Trong khi mật độ phân bố cứ hai năm thì tăng gấp đôi và có khi còn nhiềuhơn , và tốc độ này đã tăng chậm dần Giới hạn của Mật độ phân bố đối vớicông nghệ ghi theo chiều dọc lại phụ thuộc vào Hiệu ứng Superparamagtic Đóchính là nguyên nhân dẫn tới sự chậm trễ việc tăng dung lượng lưu trữ trên ổcứng dùng công nghệ ghi theo chiều dọc Và đó cũng chính là nguyên nhân tạo

ra công nghệ ghi vuông góc ngày nay

Một ưu thế trong công nghệ ghi vuông góc chính là tạo được những Bit cókích thước rất nhỏ khi so sánh với công nghệ ghi theo chiều dọc mà không bịảnh hưởng bới Hiệu ứng Superparamagtic

2.4.2 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 giantìm 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 vàthấp 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 trởđi

+ 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng trong các máytính cá nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ có sử dụng giao tiếp SCSI

2.4.3 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 nàyđến một cylinder khác ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng)

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)

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

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)

2.4.4 Tốc độ truyền dữ liệu

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

- 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

2.4.6 Sự sử dụng điện năng

Đa số các ổ đĩa cứng của máy tính cá nhân sử dụng hai loại điện áp nguồn: 5Vdc và 12 Vdc (DC hoặc dc: Loại điện áp một chiều) Các ổ đĩa cứng cho máytính xách tay có thể sử dụng chỉ một loại điện áp nguồn 5 Vdc Các ổ đĩa cứnggắn trong các thiết bị số cầm tay khác có thể sử dụng các nguồn có mức điện ápthấp hơn với công suất thấp

Điện năng cung cấp cho các ổ đĩa cứng phần lớn phục vụ cho động cơ quaycác ổ đĩa, phần còn lại nhỏ hơn cung cấp cho bo mạch của ổ đĩa cứng Tuỳ từngloại động cơ mà chúng sử dụng điện áp 12V hoặc 5 Vdc hơn (thông qua địnhmức tiêu thụ dòng điện của nó tại các mức điện áp này)

Ổ đĩa cứng thường tiêu thụ điện năng lớn nhất tại thời điểm khởi động của hệthống (hoặc thời điểm đĩa cứng bắt đầu hoạt động trở lại sau khi tạm nghỉ để tiếtkiệm điện năng) bởi sự khởi động của động cơ đồng trục quay các đĩa từ, cũnggiống như động cơ điện thông thường, dòng điện tiêu thụ đỉnh cực đại của giaiđoạn này có thể gấp 3 lần công suất tiêu thụ bình thường

số lần đó ổ đĩa cứng có thể gặp lỗi hoặc hư hỏng

2.4.9 Chịu đựng sốc

Chịu đựng sốc (Shock - half sine wave): Sốc (hình thức rung động theo nửachu kỳ sóng, thường được hiểu là việc giao động từ một vị trí cân bằng đến mộtgiá trị cực đại, sau đó lại trở lại vị trí ban đầu) nói đến khả năng chịu đựng sốccủa ổ đĩa cứng khi làm việc

2.4.10 Nhiệt độ và sự thích nghi

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 làmviệc 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 tốliên quan và kết hợp với môi trường tạo thành một sự phá hoại ổ đĩa cứng.

2.4.11 Các thông số về sản phẩm

Hình 2.30: 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

2.4.12 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

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 sẽđược đánh liên tục nhau và như thế lúc nào hệ số đan xen = 1 cũng là tối ưu nhất

CHƯƠNG II - CẤU TRÚC LOGIC VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN Ổ

ĐĨA CỨNG 3.1 Sơ đồ khối