Tìm hiểu về Ổ cứng máy tính

Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh gọi là 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 (nonvolatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng. Ổ đĩa cứng là một trong các thiết bị quan trọng nhất của máy tính bởi chúng có khả năng lưu trữ dữ liệu lớn, phục vụ nhu cầu lưu trữ dữ liệu của người dùng. Trường hợp phần cứng của ổ đĩa bị hư hỏng, dữ liệu có thể bị mất và rất khó lấy lại được. Môi trường trong ổ cứng là chân không vì vậy khi tháo rời ổ cứng có thể gây hỏng.

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TÌM HIỂU CHUNG VỀ Ổ CỨNG

1.4 Nguyên lí hoạt động 14

1.5 Các thông số cơ bản của ổ cứng 16

CHƯƠNG II PHÂN VÙNG VÀ ĐỊNH DẠNG PHÂN VÙNG 2.1 Phân vùng 18

2.2 Các định dạng cho phân vùng 19

2.3 Định dạng (Fomat) 21

2.4 Một lỗi thường gặp của ổ cứng và cách khắc phục 23

CHƯƠNG III CHUẨN GIAO TIẾP CỦA Ổ CỨNG 3.1 Chuẩn IDE 25

3.2 Chuẩn Serial ATA (SATA) 27

CHƯƠNG IV NGUỒN TÀI LIỆU 33

CHƯƠNG I.

TÌM HIỂU VỀ Ổ ĐĨA CỨNG

1.1 Khái niệm ổ đĩa cứng.

- Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh gọi là 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 trong các thiết bị quan trọng nhất của máy tính bởi chúng cókhả năng lưu trữ dữ liệu lớn, phục vụ nhu cầu lưu trữ dữ liệu của người dùng

- Trường hợp phần cứng của ổ đĩa bị hư hỏng, dữ liệu có thể bị mất và rất khó lấy lại được

- Môi trường trong ổ cứng là chân không vì vậy khi tháo rời ổ cứng có thể gây hỏng

- Ngày nay, ổ cứng được nâng cấp ngày càng hiện đại, dung lượng ngày càng cao với kích thước nhỏ tối đa đạt tới tiêu chuẩn, tiêu thụ năng lượng thấp, việc

sử dụng phương thức tiên tiến giúp tốc độ đọc/ghi dữ liệu tăng lên đáng kể tương thích với tốc độ của bộ xử lí Ngày nay, ổ cứng sử dụng chuẩn giao tiếp SATA 3 có tốc độ truyền dữ liệu lên đến 6 BGit/s (tốc độ đọc/ghi cho SATA 3 là 300MB/s) – nhanh gấp 72 lần so với ổ cứng những thời kì đầu (ATA-1)

- Ổ cứng ngày nay không chỉ được thiết kế cho máy vi tính mà còn được thiết

kế sử dụng trong các thiết bị nhúng khác (Điện thoại di động, máy tính bảng…)

Hình ảnh minh họa :

Ổ cứng IBM trước đây

Ổ cứng dùng ngày này

Trước sự bùng nổ của công nghệ cao, máy vi tính không chỉ dùng để tính toán

mà còn được sử dụng để lưu trữ những kho dữ liệu lớn Đồng nghĩa với đó là nhu cầu có một thiết bị lưu trữ có khả năng lưu trữ hàng triệu văn bản, hình ảnh Vi vậy, trên thế giới đã có nhiều phát minh, cải tiến ổ cứng và việc phát triển vẫn được tiếp tục đến ngay này

Năm 1955

Ổ cứng đầu tiên trên thế giới có tên là IBM 350 Disk File được chế tạo

bởi Reynold Johnson ra mắt năm 1955 cùng máy tính IBM 305 Ổ cứng này có tới 50 tấm đĩa kích thước 24" với tổng dung lượng là 5 triệu kí tự Một đầu từ được dùng để truy nhập tất cả các tấm đĩa khiến cho tốc độ truy nhập trung bìnhkhá thấp

Hình ảnh cho IBM 350 (Kích thước ổ cứng rất lớn) :

Năm 1961

Thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301 ra mắt năm 1961 bắt đầu sử dụng mỗi đầu từ cho một mặt đĩa.

Ổ đĩa đầu tiên có bộ phận lưu trữ tháo lắp được là ổ IBM 1311 Ổ này sử dụng đĩa IBM 1316 có dung lượng 2 triệu kí tự

Năm 1973

Ổ cứng thời gian này vẫn rất cồng cềnh, phải sử dụng đến điện cao áp hoặc thậm chí điện ba pha để chạy những mô tơ của chúng Vì vậy, hầu hết các ổ cứng giai đoạn này không được tích hợp trong máy vi tính

Đến năm 1980, ổ cứng đầu tiên có dung lượng 5MB ra đời (Do hãng Seagate Technology sản xuất).

Các họ ổ đĩa cứng lớn là MFM, RLL, ESDI, SCSI, IDE và EIDE, và mới nhất làSATA Dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với thời gian

Ổ cứng ngày nay có dung lượng lớn nhất lên đến 8 TB (Do hãng Seagate ra mắt vào ngày 27/08/2014 – Sử dụng chuẩn giao tiếp SATA 3, tốc độ truy xuất dữ liệu không bị ảnh hưởng)

1.3 Cấu tạo ổ cứng hiện đại

Các ổ cứng ngày nay lưu trữ được dữ liệu lớn phục vụ nhu cầu làm việc, giải trí ngày càng cao của con người

Các nhà thiết kế luôn mong muốn phát triển các thế hệ kế tiếp của ổ cứng nhằm

Tuy nhiên, mọi loại ổ cứng ngày nay đều có chung một mẫu thiết kế bao gồm 11

bộ phận chính (như hình)

Cụm đầu đọc

• Cần di chuyển đầu đọc

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

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 vàotrong 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

Đĩa từ

Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt đượcphủ một lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu Tuỳ theo hãng sản xuất mà các đĩa này được sử dụng một hoặc cả hai mặt trên và dưới Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng và công nghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau

Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai mặt, đĩa cứng có thể có nhiều đĩa từ, chúng

gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt động

Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểm trabằng các phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (bad block) thì cónghĩa là phần cơ của nó đã rơ rão và làm việc không chính xác như khi mới sảnxuất, lúc này thích hợp nhất là format cấp thấp cho nó để tương thích hơn vớichế độ làm việc của phần cơ

Sector

Trên track chia thành những phần nhỏ bằng các đoạn hướng tâm thành

các sector Các sector là phần nhỏ cuối cùng được chia ra để chứa dữ liệu Theo chuẩn thông thường thì một sector chứa dung lượng 512 byte

Số sector trên các track là khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, các ổđĩa cứng đều chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau

Bảng sau cho thấy các khu vực với các thông số khác nhau và sự ảnh hưởng củachúng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ cứng Các khu vực ghi dữ liệu của ổ đĩa cứng Hitachi Travelstar 7K60 2,5"

Cylinder

Tập hợp các track 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 nên sự rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trình đọc/ghi không chính xác

Đầu đọc/ghi

Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn dây (giống như nam châm điện) Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt hơn như: chuyển các hạt từ sắp xếp theo phương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc được thiết kế nhỏ gọn và phát triển theo các ứng dụng công nghệ mới

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, có nghĩa chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa (nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩanhưng chỉ sử dụng 3 mặt)

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 đếnvùng 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

“ảo” Hệ điều hành Windows có cung cấp sẵn công cụ “Optimize and

defragment driver” để xử lí lỗi này

Khi cần giải quyết một tác vụ, CPU (Center Processing Unit) ra lệnh truy xuất tới Cache L1 > Cache L2 > Ram rồi tới đĩa cứng, khi đó đĩa cứng truy xuất dữ liệu mà CPU đòi hỏi Trong trường hợp CPU đòi hỏi truy xuất/ghi nhiều hơn một tệp tin tại một thời điểm, ổ cứng sẽ tự động đáp ứng tuần tự từng tệp tin hoặc đồng thời các tệp tin theo phương thức riêng.

Trước đây, ổ cứng sẽ thực hiện tuần tự các lệnh do CPU yêu cầu Tuy nhiên, để giải quyết vấn đề tốc độ đọc/ghi dữ liệu, ổ cứng ngày nay được tích hợp thêm các bộ nhớ đệm (Cache) cùng các phương thức đọc/ghi mới giúp tối ưu cho hành động truy cập dữ liệu cùng lúc, tư đó tốc độ đọc/ghi dữ liệu được tăng lên đáng kể

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 nàykết 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

1.5 Các thông số cơ bản của ổ cứng

Năm 2014, ổ cứng đầu tiên có dung lượng 8TB được Seagate ra mắt

- Dung lượng của ổ cứng được tính bằng

Số byte/sector x Số sector/Trask x Số Cylinder x Số đầu đọc/ghi

- Thông số dung lượng ghi trên ổ cứng thường không chính xác do 1GB được tính bằng 1000MB (Thực tế là 1024MB)

1.5.2 Tốc độ quay của ổ cứng

- Tốc độ quay của ổ cứng là số vòng đĩa cứng quay được trong một phút

(revolutions per minute – RPM) Tốc độ quay càng nhanh thì tốc độ đọc/ghi dữ liệu của ổ cứng càng cao

- Ổ cứng hiện tại có tốc độ lên đến 15000 RPM

1.5.3 Bộ nhớ đệm

Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer) trong ổ đĩa cứng có chức năng giống như RAMcủa máy tính, có nhiệm vụ lưu trữ tạm dữ liệu trong quá trình làm việc của ổ cứng, nó sẽ bị mất đi khi phiên làm việc kết thúc hoặc bị ngắt nguồn điện

Trong thời gian đợi đầu đọc/ghi của ổ cứng di chuyển đến vùng cần đọc/ghi, dữ liệu sẽ được đặt trong bộ nhớ đệm và sử dụng ngay khi cần đọc/ghi đã di

chuyển tới vùng cần tương tác dữ liệu Vì vậy, dung lượng bộ nhớ đệm càng lớnthì tốc độ truy xuât/ghi dữ liệu của ổ cứng càng nhanh

Hệ điều hành có cơ chế lấy một phần bộ nhớ RAM để tạo bộ nhớ đệm lưu trữ

dữ liệu được lấy từ ổ đĩa cứng nhằm tối ưu việc xử lí đối với các dữ liệu thường xuyên truy cập (HĐH còn lấy một phần RAM để làm bộ nhớ cho Card đồ họa

để tăng khả năng xử lí đồ họa trên máy tính)

1.5.4 Các thông số khác

Ngoài các thông số quan trọng nêu trên, còn một số thông số của ổ cứng cần chú ý như : Kích thước (tính bằng inch), sử dụng điện năng, Model, số Serial

…

Sự phân chia phân vùng giúp cho ổ đĩa cứng có thể định dạng các loại tập tin khác nhau để có thể cài đặt nhiều hệ điều hành đồng thời trên cùng một ổ đĩa cứng Ví dụ : Ta có thể sử dụng một phân vùng FAT32 để cài đặt hệ điều hành Windows XP, và một phân vùng NTFS để cài đặt Windows 8.

Hiện nay ổ cứng máy tính thường được chia làm 2 đến 3 phân vùng, một phân vùng chứa Hệ điều hành và phần còn lại lưu trữ dữ liệu người dùng Những phân vùng có dữ liệu liên tục thay đổi thường dễ bị phân mảnh, vì vậy để cải thiện tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng, người dùng nên thực hiện thao tác ghép mảnh, có thể được thực hiện bằng công cụ có sẵn của Windows hoặc phần mềm khác

Công cụ chống phân mảnh ổ cứng của HĐH Windows

2.2 Các định dạng cho phân vùng (Format).

Một ổ đĩa cứng có thể hỗ trợ một hoặc nhiều chuẩn định dạng, mỗi thế hệ mới

có nhiều cải tiến về dung lượng và tốc độ

Hệ điều hành cho phép người dùng định dạng phân vùng bằng công cụ của họ Trong Properties của mỗi phân vùng đều hiện thị định dạng của phân vùng đó

Định dạng của phân vùng này là NTFS

Tùy vào hệ điều hành và tùy vào nhu cầu sử dụng mà phân vùng có định dạng khác nhau Một số định dạng thường được sử dụng:

- FAT (File Allocation Table) : Chuẩn hỗ trợ DOS và các hệ điều hành thế hệ Windows 98/Me Phân vùng FAT hỗ trợ độ dài tên 11 kí tự (8 kí tự tên và 3 kí tự

mở rộng) Dung lượng tối đa của phân vùng FAT chỉ đạt tối đa 2GB Hiện nay định dạng này không còn được sử dụng

- FAT32 (File Allocation Table – 32bit) : Bắt đầu hỗ trợ từ hệ điều hành

Windows 95 OSR2 Dung lượng tối đa của phân vùng này lên đến 2TB Hiện

nay định dạng này vẫn còn được sử dụng phổ biến Với các thiết bị Flash USB

sử dụng định dạng FAT32 không thể copy được dữ liệu lớn trên 3GB

- NTFS (Windows New Tech File System) : Được hỗ trợ bắt đầu từ hệ điều hành Windows NT/XP Dung lượng tối đa của phân vùng này lên đến 16

Exabytes (Tương đương 1 triệu TB)

o Định dạng cấp cao (High level – format) : Hệ điều hành cung cấp sẵn cho người dùng công cụ “Format” giúp định dạng lại các phân vùng

Công cụ định dạng cấp cao do HĐH cung cấp

Có 2 hình thức lựa chọn cho định dạng cấp cao :

- Quick format (Định dạng nhanh) : Xóa vị trí lưu trữ các kí tự đầu tiên để hệ điều hành có thể ghi đè dữ liệu lên đó Việc định dạng này diễn ra nhanh

- Normal format (Định dạng thường) : Xóa hoàn toàn dữ liệu cũ đồng thời kiểm tra các vùng hư hỏng, đánh dấu chúng không được sử dụng Việc định dạng này mất khá nhiều thời gian tùy thuộc vào dung lượng phân vùng

2.4 Một số lỗi thường gặp của ổ cứng.

Thông thường, ổ đĩa cứng rất ít khi hư hỏng, tuy nhiên khi ổ cứng bị lỗi sẽ kéo theo lỗi cho toàn bộ hệ thống Dưới đây là một số lỗi thường xuất hiện trong ổ cứng

Phân mảnh

Quá trình tương tác với ổ cứng (cài đặt, gỡ bỏ phần mềm, tạo mới hoặc xóa các file dữ liệu…) khiến các dữ liệu rải khắp nơi trên bề mặt đĩa cứng, từ đó đầu đọc phải di chuyển khó khăn hơn để truy xuất dữ liệu được yêu cầu, làm giảm tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng Hiện tượng đó gọi là phân mảnh ổ cứng Biết kì công nghệ ổ cứng nào (HDD & SSD) đều có hiện tượng phân mảnh

- Dấu hiệu : Tốc độ hiển thị các tệp tin chậm, tốc độ truy xuất các thư mục thấp, tốc độ của toàn hệ thống giảm khi truy xuất dữ liệu, thập chí dẫn đến treo máy

- Các khắc phục : Sử dụng các phần mềm Chống phân mảnh ổ cứng, các phần mềm này sẽ kiểm tra các tệp tin bị phân mảnh và thực hiện “ghép mảnh” (hay còn gọi là dồn đĩa) , từ đó dữ liệu trên đĩa cứng được xếp lại có thứ tự, bỏ những

dữ liệu tạm không sử dụng

Có thể sử dụng công cụ hệ thống trong HĐH Windows, tuy nhiên tốc độ kiểm tra và ghép mảnh đối với thế hệ Windows 7 trở xuống khá chậm, từ Windows 8,tốc độ này được nâng cao đáng kể

Bad sector

Bad sector có thể được mô tả một cách đơn giản là một vùng nhớ trên ổ cứng bị lỗi, khi đó hệ điều hành và các phần mềm sẽ không thể thực hiện yêu cầu