Cấu Tạo Ổ Cứng

Đầu đọc 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 dữ liệu.. Cần có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các

Cấu Tạo Ổ Cứng

Khóa: 34

Thành phố Hồ Chí Minh ngày 10/2010

Mục lục

I/ Giới thiệu về ổ đĩa cứng trang 3

III/ Thông số và đặc tính trang 12

IV/ Thiết đặt chế độ hoạt động cho đĩa cứng trang 14

I/ Giới thiệu về ổ đĩa cứng

Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh:

Hard Disk Drive, viết tắt: HDD) là thiết bị dùng

để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình

tròn phủ vật liệu từ tính

Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi"

(non-volatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu

khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng

Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ

thống bởi chúng chứa dữ liệu thành quả của một

quá trình làm việc của những người sử dụng máy

tính Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy lại được

Khám phá bên trong HDD, người ta sẽ tận mắt thấy những mạch điện chỉ huy hoạt động đọc - ghi, túi lọc khí hút mọi bụi bặm bay vào trong, hệ thống đường

xẻ rãnh và keo để bảo vệ đĩa khỏi bị va đập

Ổ cứng Scorpio 2,5 inch 160 GB của hãng Western Digital dành cho máy tính xách tay chuẩn bị lên "bàn mổ"

Tháo 6 con ốc giữ vỏ kim loại của HDD, người ta sẽ thấy các kết nối SATA để chuyển dữ liệu tới máy tính

Tháo thêm vài con ốc nữa để nâng kiến trúc điện tử PCBA (bảng mạch in) khỏi

vỏ HDD Phần phủ màu xám là miếng xốp cản âm để giảm tiếng ồn phát ra từ đĩa

Bỏ miếng xốp cản âm đi, bạn sẽ thấy kiến trúc PCBA Hình thoi màu đen bên trái là nơi tiếp năng lượng để chạy các mô tơ, giúp ổ cứng đọc và ghi Hình thoi màu đen bên phải là SOC (hệ thống trên một chip), chính là đầu não chỉ huy các hoạt động của HDD Tại đây cũng có CPU, điều khiển cache và một ít bộ nhớ flash

Khi mở phần chính của đĩa, người ta sẽ thấy tất cả thành phần quan trọng nhất Bên trái là bộ phận đầu đĩa, bao gồm một đĩa tròn chứa dữ liệu và đầu đọc dữ liệu Western Digital thêm một giá đỡ màu vàng vào góc trên bên phải để giữ chắc đầu đĩa với khoảng cách cố định so với đĩa khi không thực hiện việc đọc -ghi Điều này giúp bảo vệ đầu đọc và dữ liệu trong đĩa khỏi bị hủy hoại nếu chẳng may máy tính hoặc ổ bị va đập

Mặt trong của nắp (hình bên phải) cũng có vai trò quan trọng Đường rãnh và keo được thiết kế để tạo ra lá chắn chống bụi và những phân tử có thể gây xước hay hỏng đĩa

Phần màu trắng giống hình thang là túi carbon có vai trò là bộ lọc không khí Trong đó có một viên carbon hút bất kỳ loại bụi nào Chất liệu màu trắng bọc quanh hiệu GoreTex có khả năng cho không khí đi qua dễ dàng nhưng không thể kháng được hơi ẩm - thứ có thể giết chết ổ cứng cơ - từ

Để tháo phần màu vàng, đầu đọc cơ phải được đẩy qua đĩa tròn Điều này bạn không được tự thử vì sẽ làm hỏng hoàn toàn ổ cứng

Phần màu trắng dưới cùng góc trái cũng là một bộ lọc khí nữa để loại bỏ chất bẩn đến mức bằng 0

Ỏ góc thấp bên phải là mô tơ cuộn có chức năng điều khiển đầu đọc cơ di chuyển trên đĩa trong để ghi hoặc lấy thông tin cho máy tính

Đây là toàn bộ các thành phần của ổ cứng Hai đĩa tròn, mỗi đĩa có dung lượng

80 GB đều phản quang và được bọc bằng gương Trong khi một số nhà sản xuất bọc đĩa bằng kim loại, Western Digital dùng gương để tăng cường sức bền

Đây là vỏ của ổ cứng khi đã bỏ các bộ phận cơ - điện tử Nó được phủ bằng lớp sơn đen giúp loại bỏ bất kỳ phân tử nhôm nào lạc vào trong

II/ Cấu tạo ổ đĩa cứng

1/ Cụm đĩa

- Đĩa từ (platter): Thường bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ một lớp

vật liệu từ tính để chứa dữ liệu Tuỳ theo hãng sản xuất mà số lượng đĩa có thể nhiều hơn một và các đĩa này được sử dụng một hoặc cả hai mặt trên và dưới Các đĩa từ được gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt động

- Động cơ và trục quay: các đĩa từ được gắn lên trục quay nối trực tiếp với động cơ

quay đĩa cứng Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ động cơ đến các đĩa từ Trục quay được chế tạo bằng các vật liệu nhẹ như hợp kim nhôm và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của chúng không bị sai lệch

2 Cụm đầu đọc

- Đầu đọc/ghi (head): Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit và cuộn dây

(giống như nam châm điện) Đầu đọc 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 dữ liệu Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng

- Cần di chuyển đầu đọc/ghi (head arm hoặc actuator arm): Đầu đọc/ghi được gắn

vào cần di chuyển đầu đọc/ghi Cần có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay) Các cần di chuyển đầu đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục quay (đồng trục)

Trước kia các đầu đọc/ghi của ổ đĩa cứng thường được chế rao như trong ổ đĩa mềm, lõi sắt mềm cộng với 8 đến 34 (hoặc hơn) vòng dây đồng mảnh Các đầu từ này có kích thước lứon và tương đối năng làm hạn chế số rãnh có thể có trên mặt đĩa mà hệ thống chuyển dịch đầu từ phải khắc phục

Hiện nay, các thiết kế đầu từ đã loại bỏ các kiểu quấn dây cổ điển mà dùng loại đầu từ màng mỏng Nó được chế tạo giống như vi mạch dùng công nghệ quang hóa Do kích thước nhỏ và nhẹ nên độ rộng của rãnh ghi cũng nhỏ hơn và thời gian dịch chuyển đầu tư nhanh hơn

Trong cấu trúc tổng thể, các đầu đọc/ghi này được gắn vào các cánh tay kim loại dài điều khiển bằng các môtơ Các vi mạch tiền khuếch đại của đầu từ thường được gắn trên tấm vi mạch in nhỏ nằm trong bộ dịch chuyển đầu từ Toàn bộ cấu trúc này được bọc kín trong hộp đĩa Hộp được đậy kín bằng nắp kim loại có gioăng lót

3/ Cụm mạch điện

Mạch điều khiển: có nhiệm vụ điều khiển động cơ đồng trục, điều khiển sự di chuyển của cần di chuyển đầu đọc để đảm bảo đến đúng vị trí trên bề mặt đĩa

Mạch xử lý dữ

liệu: dùng để xử

lý những dữ liệu

đọc/ghi của ổ

đĩa cứng

Bộ nhớ đệm

(cache hoặc

buffer): là nơi

tạm lưu dữ liệu

trong quá trình đọc/ghi dữ liệu Dữ liệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện

Đầu cắm nguồn cung cấp điện cho ổ đĩa cứng

Đầu kết nối giao tiếp với máy tính

Các cầu đấu thiết đặt (tạm dịch từ jumper) 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 các kênh trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông

số làm việc khác

4 Vỏ đĩa cứng

Vỏ ổ đĩa cứng gồm

các phần: Phần đế

chứa các linh kiện gắn

trên nó, phần nắp đậy

lại để bảo vệ các linh

kiện bên trong

Vỏ ổ đĩa cứng có

chức năng chính

nhằm định vị các linh

kiện và đảm bảo độ

kín khít để không cho

phép bụi được lọt vào

bên trong của ổ đĩa

cứng

Ngoài ra, vỏ đĩa cứng còn có tác dụng chịu đựng sự va chạm (ở mức độ thấp) để bảo

vệ ổ đĩa cứng

Do đầu từ chuyển động rất sát mặt đĩa nên nếu có bụi lọt vào trong ổ đĩa cứng cũng có thể làm xước bề mặt, mất lớp từ và hư hỏng từng phần (xuất hiện các khối hư hỏng (bad block)) Thành phần bên trong của ổ đĩa cứng là không khí có độ sạch cao, để đảm bảo áp suất cân bằng giữa môi trường bên trong và bên ngoài, trên vỏ bảo vệ có các hệ lỗ thoáng đảm bảo cản bụi và cân bằng áp suất

5/ Cấu trúc dữ liệu của đĩa cứng

Track (rãnh) : Có thể coi mỗi mặt đĩa cứng là một trường hai chiều: cao và rộng.

Theo kiểu hình 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 Thông thường,mỗi đĩa có từ 312 đến 2048 rãnh Track là một tập hợp bao gồm một số sector nhất định nhưng dung lượng từng track khác nhau có độ lớn từ trong ra ngoài (Track 0>track 1 >track 2 >…>track N>track N+1)

Sector (cung từ): Mỗi track là một vòng tròn dữ liệu có tâm là tâm của trục quay đĩa

từ Một track chia thành rất nhiều cung, người ta gọi các cung này là sector (cung từ) Sector là vùng vật lý chứa dữ liệu nhỏ nhất trong ổ cứng kể cả khi đọc và ghi Thông thường thì 1 sector chứa được 512 byte dữ liệu (US Windows) Mỗi track đều chia thành một lượng sector nhất định Tuy nhiên, vì các track bên ngoài bao giờ cũng lớn

hơn các track phía trong (gần trục) cho nên càng vào sâu các track phía trong thì dung lượng mà 1 sector có thể chứa được càng thấp

Cluster: Trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu (đĩa mềm hoặc đĩa cứng) ở mức độ hệ điều

hành (HĐH), cluster (liên cung) là một đơn vị lưu trữ gồm một hoặc nhiều sector Khi HĐH lưu trữ một tập tin vào đĩa, nó ghi tập tin đó vào hàng chục, có khi hàng trăm cluster liền nhau Nếu không sẵn cluster liền nhau, HĐH sẽ tìm kiếm cluster còn trống

ở kế đó và ghi tiếp tập tin lên đĩa Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi toàn bộ được cất giữ hết

Cylinder: Tập hợp các track cùng cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các mặt đĩa

khác nhau thành các cylinder Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu tiên làm việc tại một track nào thì tập hợp toàn bộ các track trên các bề mặt đĩa còn lại mà các đầu đọc còn lại đang làm việc tại đó gọi là cylinder (cách giải thích này chính xác hơn bởi có thể xảy ra thường hợp các đầu đọc khác nhau có khoảng cách đến tâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế tạo)

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

Trục quay: Trục quay là trục 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 động quay từ động cơ đến các đĩa từ

Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ (như hợp kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của chúng không được sai lệch - bởi chỉ một sự sai lệch nhỏ có thể gây lên sự rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc

độ cao, dẫn đến quá trình đọc/ghi không chính xác

Cần di chuyển đầu đọc/ghi

Cần di chuyển đầu đọc/ghi là các thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó Cần có nhiệm

vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay)

Các cần di chuyển đầu đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục quay (đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dưới nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng

vị trí tương ứng ở các bề mặt đĩa còn lại

Sự di chuyển cần có thể thực hiện theo hai phương thức:

• Sử dụng động cơ bước để truyền chuyển động

• Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần bằng lực từ

6/ Giao tiếp với máy tính

Toàn bộ cơ chế đọc/ghi dữ liệu chỉ được

thực hiện khi máy tính (hoặc các

thiết bị sử dụng ổ đĩa cứng) có yêu

cầu truy xuất dữ liệu hoặc cần ghi dữ

liệu vào ổ đĩa cứng Việc thực hiện

giao tiếp với máy tính do bo mạch

của ổ đĩa cứng đảm nhiệm

Ta biết rằng máy tính làm việc khác nhau

theo từng phiên làm việc, từng nhiệm vụ mà

không theo một kịch bản nào, do đó quá

trình đọc và ghi dữ liệu luôn luôn xảy ra, do

đó các tập tin luôn bị thay đổi, xáo trộn vị

trí Từ đó dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng

không được chứa một cách liên tục mà

chúng nằm rải rác khắp nơi trên bề mặt vật lý Một mặt khác máy tính có thể xử lý đa nhiệm (thực hiện nhiều nhiệm vụ trong cùng một thời điểm) nên cần phải truy cập đến các tập tin khác nhau ở các thư mục khác nhau

Như vậy cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theo tuần tự mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt đĩa từ, đó là đặc điểm khác biệt nổi bật của ổ đĩa cứng so với các hình thức lưu trữ truy cập tuần tự (như băng từ)

Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ, CPU sẽ đòi hỏi dữ liệu (nó sẽ hỏi tuần tự các bộ nhớ khác trước khi đến đĩa cứng mà thứ tự thường là cache L1-> cache L2 ->RAM) và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ liệu chứa trên nó Không đơn thuần như vậy CPU có thể đòi hỏi nhiều hơn một tập tin dữ liệu tại một thời điểm, 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, các yêu cầu được đáp ứng tuần tự

 Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu theo phương thức riêng của nó

Trước đây đa số các ổ đĩa cứng đều thực hiện theo phương thức 1, có nghĩa là chúng chỉ truy cập từng tập tin cho CPU Ngày nay các ổ đĩa cứng đã được tích hợp các bộ

nhớ đệm (cache) cùng các công nghệ riêng của chúng (TCQ, NCQ) giúp tối ưu cho

hành động truy cập dữ liệu trên bề mặt đĩa nên ổ đĩa cứng sẽ thực hiện theo phương thức thứ 2 nhằm tăng tốc độ chung cho toàn hệ thống

7/ Đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa

Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện

đồng thời hai chuyển động: Chuyển động

quay của các đĩa và chuyển động của các

đầu đọc

Sự quay của các đĩa từ được thực hiện nhờ

các động cơ gắn cùng trục (với tốc độ rất

lớn: từ 3600 rpm cho đến 15.000 rpm)

chúng thường được quay ổn định tại một tốc

độ nhất định theo mỗi loại ổ đĩa cứng

Khi đĩa cứng quay đều, cần di chuyển đầu đọc sẽ di chuyển đến các vị trí trên các bề mặt chứa phủ vật liệu từ theo phương bán kính của đĩa Chuyển động này kết hợp với chuyển động quay của đĩa có thể làm đầu đọc/ghi tới bất kỳ vị trí nào trên bề mặt đĩa Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện trường để đọc dữ liệu (và tương ứng: phát ra một điện trường để xoay hướng các hạt từ khi ghi dữ liệu)

Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa Việc thực hiện phân bổ dữ liệu trên các đĩa được thực hiện nhờ các mạch điều khiển trên bo mạch của ổ đĩa cứng

III/ Thông số và đặc tính

1/ Dung lượng

Dung lượng ổ đĩa cứng (Disk capacity) là một thông số thường được người sử dụng nghĩ đến đầu tiên, là cơ sở cho việc so sánh, đầu tư và nâng cấp Người sử dụng luôn mong muốn sở hữu các ổ đĩa cứng có dung lượng lớn nhất có thể theo tầm chi phí của

họ mà có thể không tính đến các thông số khác

Dung lượng ổ đĩa cứng được tính bằng: (số byte/sector) × (số sector/track) × (số cylinder) × (số đầu đọc/ghi)

Dung lượng của ổ đĩa cứng tính theo các đơn vị dung lượng cơ bản thông thường: byte, kB MB, GB, TB

Theo thói quen trong từng thời kỳ mà người ta có thể sử dụng đơn vị nào, trong thời điểm năm 2007 người người ta thường sử dụng GB Ngày nay dung lượng ổ đĩa cứng

đã đạt tầm đơn vị TB nên rất có thể trong tương lai – theo thói quen, người ta sẽ tính theo TB

Đa số các hãng sản xuất đều tính dung lượng theo cách có lợi (theo cách tính 1 GB =

1000 MB mà thực ra phải là 1 GB = 1024 MB) nên dung lượng mà hệ điều hành (hoặc các phần mềm kiểm tra) nhận ra của ổ đĩa cứng thường thấp hơn so với dung lượng ghi trên nhãn đĩa (ví dụ ổ đĩa cứng 40 GB thường chỉ đạt khoảng 37-38 GB)

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 giam tìm 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 và thấp

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 hiện tại (2007)

• 10.000 rpm, 15.000 rpm:

Thường sử dụng cho các ổ

đĩa cứng trong các máy tính

cá nhân cao cấp, máy trạm và

các máy chủ có sử dụng giao

tiếp SCSI