tiểu luận các nguyên tắc sáng tạo ứng dụng trong qúa trình phát triển ổ đĩa lưu trữ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP CAO HỌC KHÓA 22 CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Bài tiểu luận Môn : Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học Đề tài : CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỚP CAO HỌC KHÓA 22 CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH

Bài tiểu luận

Môn : Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học

Đề tài :

CÁC NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO

ỨNG DỤNG TRONG QÚA TRÌNH PHÁT TRIỂN

Ổ ĐĨA LƯU TRỮ

Giáo viên hướng dẫn : GS.TSKH Hoàng Kiếm

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu các nguyên tắc sáng tạo được sử dụng 1

1.1 Nguyên tắc phân nhỏ 1

1.2 Nguyên tắc tách khỏi 1

1.3 Nguyên tắc kết hợp 1

1.4 Nguyên tắc chứa trong 1

1.5 Nguyên tắc dự phòng 1

1.6 Nguyên tắc trung gian 1

1.7 Nguyên tắc đảo ngược 2

1.8 Nguyên tắc vượt nhanh 2

2 Sự phát của Hard Disk Drive (HDD) 2

2.1 Tổng quan 2

2.2 Lịch sử phát triển 3

2.2.1 IBM 350 Disk File 3

2.2.2 IBM 1301 3

2.2.3 IBM 1311 4

2.2.1 Hệ thống IBM 3330 5

2.2.2 Hệ thống IBM 2305 6

2.2.3 IBM 3340 Winchester 7

2.2.4 ST-506 7

2.2.5 c n 8

2.2.6 Ổ cứng IDE và SATA 8

2.2.7 Ổ cứng hiện tại và tương lai 10

2.3 Kết luận 11

Tài liệu tham khảo 12

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 : IBM 350 Disk File 3

Hình 2 : IBM 1301 4

Hình 3 : IBM 1311 5

Hình 4 : Hệ thống lư trữ IBM 2305 6

Hình 5 : ST-506 [1] 8

Hình 6 : HSS SCSI [1] 8

Hình 7 : WD 4TB HDD 10

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc lư trữ lượng lớn dữ liệu không còn là vấn đề nữa Rất dễ dàng để sở hữu một chiếc ổ cứng nhỏ gọn với

d ng lượng àng trăm GB với tốc độ truy xuất n an , và độ bền cao

Để đạt được thành tự n ư ngày ôm nay, ổ đĩa lư trữ đã p ải trải qua một quá trình phát triển ơn 50 năm, với n ưng t ay đổi không ngừng, nhằm hoàn thiện và giảm chi phí xuống mức thấp nhất để có thể đưa vào sử dụng đại trà

N ư vậy, quá trình phát triển đã diễn ra n ư t ế nào ? Chúng ta hãy vận dụng các nguyên tắc sáng tạo để phân tích, giải thích, làm rõ thêm quá trình phát triển trên

1

1 Giới thiệu các nguyên tắc sáng tạo được sử dụng

1.1 Nguyên tắc phân nhỏ

ia đối tượng thành các phần độc lập

Làm đối tượng trở nên tháo lắp được

Tăng mức độ phân nhỏ đối tượng

1.2 Nguyên tắc tách khỏi

Tách phần gây “p iền phức” (tín c ất “p iền phức”) ay ngược lại tách phần duy nhất “cần thiết” (tín c ất “cần thiết”) ra k ỏi đối tượng

1.3 Nguyên tắc kết hợp

Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dùng cho các hoạt động kế cận Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận

1.4 Nguyên tắc chứa trong

Một đối tượng được đặt bên trong đối tượng khác và bản thân nó lại chứa đối tượng thứ ba …

Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tượng khác

1.5 Nguyên tắc dự phòng

Bù đắp độ tin cậy không lớn của đối tượng bằng cách chu n bị các p ơng tiện báo động, ứng cứu, an toàn

1.6 Nguyên tắc trung gian

Sử dụng đối tượng trung gian, chuyển tiếp

2

1.7 Nguyên tắc đảo ngược

T ay vì àn động n ư yê cầu của bài toán, àn động ngược lại (ví dụ không làm nóng mà làm lạn đối tượng)

Làm phần chuyển động của đối tượng (hay mội trường bên ngoài) t àn đứng yên

và ngược lại phần đứng yên thành chuyển động

1.8 Nguyên tắc vượt nhanh

Vượt qua những giai đoạn có hại hoặc nguy hiểm với vận tốc lớn

Vượt n an để có được hiệu ứng cần thiết

2 Sự phát của Hard Disk Drive (HDD)

2.1 Tổng quan

Ổ đĩa cứng HDD (Hard Disk Drive) là thiết bị dùng để lư trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa ìn tròn p ủ vật liệu từ tính Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ “k ông t ay đổi” (non-volatile), có ng ĩa là c úng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện

Mục đíc c ín của các nhà sản xuất trong việc chế tạo là lư trữ dữ liệu Đây

là một ứng dụng của Nguyên tắc tách khỏi, do nhu cầu muốn tách các thành phần

dữ liệu quan trọng, cần thiết lưu lại riêng khi máy tính tắt nguồn Nhu cầu về một

thiết bị lư trữ lớn và cố địn đã làm nảy sinh ra ổ đĩa cứng (ổ cứng) vào những năm đầu của thập kỷ 80 Đương n iên k ả năng lư trữ lớn lại đ y mạn ơn nữa sự phát triển của máy tính Hiện nay ổ cứng là một thiết bị chu n trong các loại máy tính

Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, ổ đĩa cứng đã có n ững bước tiến công nghệ nhằm giúp lư trữ và truy xuất dữ liệ n an ơn Ví dụ công ng ệ sản ất các ổ đĩa cứng iện nay giúp c o ệ điều hành hoạt động tối ư ơn, giảm thời gian khởi động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng, sự t ay đổi p ương t ức ghi dữ liệu trên các đĩa từ làm c o d ng lượng mỗi ổ đĩa cứng tăng lên đáng kể

3

2.2 Lịch sử phát triển

2.2.1 IBM 350 Disk File

Năm 1956, ổ đĩa cứng đầu tiên trên thế giới là BM 350 isk File được chế tạo bởi Reynold Johnson ra mắt năm 1955 cùng máy tín BM 305 Ổ cứng nàycó tới 50 tấm đĩa kíc t ước 24" với tổng d ng lượng là 5 triệu kí tự Một đầu từ được dùng

để truy nhập tất cả các tấm đĩa k iến cho tốc độ truy nhập trung bình khá thấp [1] [2] Tốc độ quay của đĩa cứng là 1200 vòng/phút, tỉ lệ track/inch là 20, tỉ lệ dữ liệu ghi là 100 bits/inch Khoảng cách trung bình giữa ead đến bề mặt là 800 micro-inch Ổ cứng đầu tiên với kích t ước 24" là rất lớn, khó di chuyển, không có tính tiện dụng

Hình 1 : IBM 350 Disk File

(Nguồn :

http://quantrimang.edu.vn/phan-cung/kien-thuc-phan-cung/tong-quan-va-lich-su-phat-trien-hdd.htm)

2.2.2 IBM 1301

Năm 1961,t iết bị lư trữ dữ liệu IBM 1301 ra mắt năm 1961 bắt đầu sử dụng mỗi đầu từ cho một mặt đĩa [1] [2] Tốc độ quay của đĩa cứng là 1800 vòng/phút, tỉ lệ track/inch là 50, tỉ lệ dữ liệu ghi là 520 bits/inch Khoảng cách trung bình giữa head

4

đến bề mặt là 250 micro-inch (giảm nhiều so với 800 micro-inch của IBM 350), vì thế hiệ năng lư trữ tính theo diện tích bề mặt đĩa tăng lên 13 lần [3]

Hình 2 : IBM 1301

(Nguồn :

http://quantrimang.edu.vn/phan-cung/kien-thuc-phan-cung/tong-quan-va-lich-su-phat-trien-hdd.htm)

Ở đây ta t ấy có sự ứng dụng của Nguyên tắc kết hợp, thay vì lúc trước một đĩa chỉ

ghi được một mắt và cần đầu từ cho một đĩa thì bây giờ tích hợp hai mặt đĩa đều ghi được và sử dụng cả hai đầu từ để ghi dữ liệu được lên hai mặt đĩa Khi tích hợp được như vậy thì kích thước của ổ đĩa sẽ giảm đi rất nhiều và tốc độ truy xuất cũng tăng lên (do có 2 đầu ghi)

2.2.3 IBM 1311

Năm 1962, IBM giới thiệu các pack ổ cứng có thể di chuyển được gồm 6 đĩa với đường kích mỗi đĩa là 14 inch, tạo thành một chồng đĩa cao 4 inc , có thể lư trữ được 2 triệu ký tự cho mỗi pack

5

Hình 3 : IBM 1311

(Nguồn : http://www.computerhistory.org/timeline/?year=1962)

Tốc độ quay của đĩa cứng là 1500 vòng/phút, tỉ lệ track/inch là 50, tỉ lệ dữ liệu ghi

là 1025 bits/inch Khoảng cách trung bình giữa ead đến bề mặt là 150 micro-inch (giảm so với 250 micro-inch của IBM 1301) [1] [4] Kíc t ước được giảm đi đáng

kể vì khoảng không gian giữa phần đầu và phần đĩa được giảm đi một nữa [4] Đây

là ổ đĩa đầu tiên có bộ phận lư trữ tháo lắp được [2] Nguyên tắc phân nhỏ và

Nguyên tắc tách khỏi đối tượng được sử dụng Tách các thành phần giao tiếp dính

liền với máy ra ngoài, giảm khoảng cách để làm cho đĩa cứng trở nên nhỏ hơn, hiệu năng lưu trữ cao hơn

2.2.1 Hệ thống IBM 3330

Ra đời vào t áng 1 năm 1970, đây là ệ thống lư trữ được đán giá có tốc độ cao,

d ng lượng lớn Mỗi hệ thống con 3330 có thể chứa 2 cho tới 16 ổ đĩa, đ y dung lượng lư trữ lên đến 1,6 tỉ byte ( 1.6GB), tốc độ truy xuất trung bình 30ms, độ trễ trung bình là 8.4ms, tốc độ truy xuất 806Kb/s, đặt điểm của a " Control Unit Retry" giúp 3330 khắc phục rất nhiều lỗi mà không cần đến c ương trìn k ắc phục lỗi của máy tính Mặt khác, mạch khắc phục lỗi có thể dò tìm và sửa chữa các lỗi ghi lên đến 11 bits trong một track [5]

6

Phần cải tiến này đã ứng dụng Nguyên tắc chứa trong, hệ thống lưu trữ chứa nhiều

ổ con, mỗi ổ con là một thành phần lưu trữ nhỏ hơn Ngoài ra, còn có Nguyên tắc

dự phòng, bằng cách thiết kế bộ điều khiển khắc phục lỗi và mạch khắc phục lỗi ghi

của dữ liệu để đảm bảo an toàn dữ liệu, cảnh báo khi có sự cố

2.2.2 Hệ thống IBM 2305

Ra đời năm 1970, 2305 có tốc độ nhanh, liên tục và kíc t ước vừa phải, bao gồm một bộ điểu khiển lư trữ 2835 và 1 hoặc 2 mod le lư trữ (đĩa) 2305 Mỗi ổ đĩa bao gồm 6 đĩa từ, 12 mặt có thể g i được Mỗi ổ đĩa có t ể chứa 11.2 triệu byte, cho nên hệ thống có thể chứa được tối đa 22,4 triệu byte (2 ổ đĩa) Tốc độ truy xuất trung bình 25 ms, tốc độ truyền tải dữ liệu 1,5MB/s [6]

Hình 4 : Hệ thống lưu trữ IBM 2305

(Nguồn : http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_2305.html)

Ta thấy rằng, Nguyên tắc chưa trong đã được ứng dụng ở đây Hệ thống đã tíc

hợp hai ổ 2305 vào lại với nhau nhằm tăng d ng lượng lư trữ và tốc độ truy xuất của dữ liệu Thành phần được chứa trong là hai ổ con 2305, được điều khiển thông

qua bộ điều khiển lư trữ 2380 Đây chính là Nguyên tắc trung gian Thay vì giao

tiếp trực tiếp với từng ổ đĩa, máy tính thông qua bộ điều khiển này, để quan lý toàn

bộ các đĩa con, tạo thành một khối đồng nhất

7

2.2.3 IBM 3340 Winchester

Năm 1973, BM giới thiệu hệ thống đĩa 3340 “Winc ester”, ổ đĩa đầu tiên sử dụng

kĩ t ật lắp ráp đóng ộp (sealed head/disk assembly – A) Kĩ sư trưởng dự án/chủ nhiệm dự án Kennet a g ton đặt tên t eo “súng trườngWinc ester” 30-30 sau khi một thành viên trong nhóm gọi nó là “30-30” vì các trục quay 30 MB của ổ đĩa cứng Trong một thời gian dài, ổ đĩa cứng có kíc t ước lớn và cồng kềnh, thích hợp với một môi trường được bảo vệ của một trung tâm dữ liệu hoặc một văn p òng lớn ơn là trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt (vì sự mong man ), ay văn phòng nhỏ hoặc nhà riêng (vì kích cỡ quá khổ và lượng điện năng tiê thụ)

2.2.4 ST-506

Trước thập niên 1980, hầu hết ổ đĩa cứng có các tấm đĩa cỡ 8-inch (20 cm) hoặc 14-inch (35 cm), cần có một giá thiết bị cũng n ư diện tíc k ông gian sàn đáng kể (tiêu biểu là các ổ đĩa cứng lớn có đĩa t áo lắp được, t ường được gọi là “máy giặt”),

và trong nhiề trường hợp cần tới điện cao áp hoặc thậm c í điện 3 pha cho những

mô tơ lớn c úng sử dụng [7]

Vì l do đó, các ổ đĩa cứng k ông được dùng phổ biến trong máy vi tín đến tận năm 1980, k i eagate Tec nology c o ra đời ổ đĩa T-506 – ổ đĩa 5,25" đầu tiên

có d ng lượng 5 MB eagate đã tìm một con đường mới Mặc dù d ng lương lư trữ khá thấp (5MB), tốc độ truy xuất trung bình 170ms, n ưng với kíc t ước nhỏ 5,25 inch, nó đủ nhỏ để có thể sử dụng trong các hệ thống micro-computer [7]

8

Hình 5 : ST-506 [1]

Năm 1981, eagate ra đời ST-412, d ng lượng lư trữ 10MB, tốc độ truy xuất trung bình là 15-30ms

Ổ cứng RO351 ra đời với kíc t ước 3,5 inch, với d ng lượng 5MB, thời gian tìm kiếm 85ms, tốc độ truyền tải dữ liệu 0.625MB/s, nhiệt độ hoạt động 10-50OC, tốc

độ quay ổ cứng : 3600 vòng/phút

2.2.5 HDD

Năm 1986, ổ SCSI-1, tên gọi là Narrow SCSI ra đời Tốc độ truy xuất 5MB/s

a đó lần lượt xuất hiện các ổ nhanh ơn với tốc độ truy xuất rất cao (Năm 2003, Ultra-640 SCSI tốc độ 640MB/s, tốc độ quay của ổ cứng là 15000 vòng/phút)

Hình 6 : HSS SCSI [1]

2.2.6 Ổ cứng IDE và SATA

Ngày nay, d ng lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng t eo àm mũ với thời gian Đối với những máy PC thế hệ đầu, ổ đĩa d ng lượng 20 megabyte được coi là lớn Cuối thập niên 1990 đã có n ững ổ đĩa cứng với d ng lượng trên 1 gigabyte

Vào thời điểm đầ năm 2005, ổ đĩa cứng có d ng lượng khiêm tốn nhất cho máy tín để bàn còn được sản xuất có d ng lượng lên tới 40 gigabyte còn ổ đĩa lắp trong

9

có d ng lượng lớn nhất lên tới một nửa terabyte (500 GB), và những ổ đĩalắp ngoài đạt xấp xỉ một terabyte [1]

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 ỏi mạc điều khiển phải tương t íc với phần điện trên ổ đĩa cứng hay nói cách khác là ổ đĩa và mạch điều khiền phải tương t íc RLL (R n Lengt Limited) là một p ương p áp mã hóa bit trên các tấm đĩa giúp làm tăng mật độ bit Phần lớn các ổ đĩa RLL cần phải tương t íc với bộ điều khiển mà nó làm việc ESDI là một giao diện được phát triển bởi Ma tor làm tăng tốc trao đổi thông tin giữa PC và đĩa cứng [1]

Khi giá linh kiện điện tử giảm (do nhu cầ tăng lên) các c i tiết điện tử trước kia đặt trên card điều khiển đã được tíc ợp lên trên c ín ổ đĩa cứng Cải tiến này được gọi là ổ đĩa cứng tích hợp linh kiện điện tử (IntegratedDrive Electronics hay IDE)

Ở đây, Nguyên tắc kết hợp được sử dụng Các link kiện, các bộ điều khiển đều

được tính hợp lên board mạch điểu khiển chung của ổ cứng

Các nhà sản xuất IDE mong muốn tốc độ của IDE tiếp cận tới tốc độ của SCSI Các

ổ đĩa E c ậm ơn do k ông có bộ nhớ đệm (Cache) lớn n ư các ổ đĩa và không có khả năng g i trực tiếp lên RAM Các công ty chế tạo E đã cố gắng khắc phục khoảng cách tốc độ này bằng p ương p áp đán địa chỉ logic khối (Logical Block Addressing – LBA) Các ổ đĩa này đượcgọi là EIDE Cùng lúc với sự ra đời của EIDE, các nhà sản xuất đã tiếp tục cải tiến tốc độ SCSI Những cải tiến đó đồng thời khiến cho giá thành của giao tiếp SCSI cao thêm [1]

Để có thể vừa nâng cao hiệu suất của EIDE vừa k ông làm tăng c i p í c o các linh kiện điện tử, không có cách nào khác là phải thay giao diện kiể “song song” (PATA) bằng kiể “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 ơn cả trên toàn thế giới

10

Ở đây, để cái tiến tốc độ, thay vì đưa dữ liệu từ ổ cứng lên CPU sau đó chuyển lên

RAM, thì người ta, đưa trực tiếp dữ liệu lên RAM để tăng tốc xử lý Đây là ứng

dụng Nguyên tắc vượt nhanh, bỏ giai đoạn load dữ liệu lên CPU để giảm chi phí

2.2.7 Ổ cứng hiện tại và tươ g lai

Thời điểm hiện tại, ổ cứng đơn lớn nhất có d ng lượng 4TB của hai hãng Western

và Seagate

Hình 7 : WD 4TB HDD

(Nguồn :

http://www.fudzilla.com/home/item/29535-western-digital-adds-4tb-hdd-to-black-line)

11

Hiện tại t ì để tăng d ng lượng ổ cứng, người ta chỉ có cách tích hợp nhiều phiến đĩa t êm vào ổ cứng, hoặc giảm kíc t ước phiến đĩa Trong tương lai, cần có một

sự cải tiến chẳng hạng bằng các t ay đổi cách sắp xếp phiến đĩa theo thứ tự khác

(Nguyên tắc đảo ngược), hoặc thay thế kiến trúc hiện tại của đĩa cứng (Ví dụ n ư là

không sử dụng phiến đĩa nữa mà dùng hình hài khác, hoặc dùng một dạng k ác n ư dây cuốn chẳng hạn, tiết kiếm k ông gian ơn)

2.3 Kết luận

Việc áp dụng các nguyên tắc sáng tạo sẽ giúp ta giải quyết vấn để nhanh chóng, triệt

để ơn và ướng để người dùng nhiề ơn

Để có được thành tự n ư ngày nay, n ân loại đã p ải trải qua một q á trìn dài tư duy, cải tổ, phát triển

Để đạt được những thành tự cao ơn sa này, con người cần vận dụng triệt để các

p ương p áp tư d y sáng tạo để tạo ra sản ph m chất lượng ơn, tiện dụng ơn