Công Nghệ Thông Tin, Thiết Bị Lưu Trữ Dữ Liệu ( cấu tạo, phân loại, nguyên tắc đọc ghi dữ liệu)

Đặc điểm „Chậm hơn, kích thước lớn hơn bộ nhớ trong. „Dung tích lưu trữ lớn, dữ liệu không bị mất khi ngắt nguồn điện. „Phân loại „Dạng băng „Dạng đĩa „Nguyên tắc lưu trữ „Từ „Quang „Quang từ

Chương 08

8.1 Khái quát

„ Đặc điểm

„ Chậm hơn, kích thước lớn hơn bộ nhớ trong

„ Dung tích lưu trữ lớn, dữ liệu không bị mất khingắt nguồn điện

8.2 Đĩa từ

„ Nguyên tắc cơ bản

„ Công nghệ mới

1 Nguyên tắc cơ bản

một chuỗi các phần tử nhiễm từ.

hướng từ trường của từng phần tử.

„ Làm từ khung vật liệu có từ thẩm cao Dây dẫn được

quấn quanh khung này

„ Đầu từ đọc thường có số vòng dây nhiều hơn đầu từ ghi

để có hiệu điện thế cảm ứng lớn hơn

„ Trong ổ đĩa từ thường kết hợp các đầu đọc và ghi Sốvòng dây khoảng 5 -> 500

„ Khoảng cách giữa đầu từ và mặt đĩa là 50μm

Nguyên tắc đọc/ghi

„ Đầu từ và phim chuyển động so với nhau chuỗi

thông tin sẽ được lưu trữ trên quỹ đạo của đầu từ.

có thể bị ảnh hưởng và triệt tiêu lẫn nhau.

„ Do đó để tăng mật độ phải giảm sự nhiễm từ của

từng phần tử.

„ Do đó cũng phải sử dụng mạch cảm cảm biến, lọc và khuếch đại có độ nhạy cao.

Nguyên tắc đọc

„ Từ trường xuất hiện trong khung gây ra dòng

điện cảm ứng trong cuộn dây của đầu đọc.

„ Chiều dòng điện phụ thuộc vào chiều từ trường.

„ Nếu đầu đọc chuyển động nhanh trên bề mặt sẽ gây ra sự thay đổi chiều dòng điện.

Nguyên tắc đọc/ghi

„ Lưu trữ được cả ở 2 mặt đĩa

„ Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền

4 Công nghệ mới

„ GMR (Grant Magneto-resistive)

„ OAW (Optically Assisted Winchester)

Công nghệ từ trở khổng lồ GMR (Grant Magneto-resistive)

„ Điện trở vật dẫn phụ thuộc vào từ trường

„ Điện trở của đầu đọc nhỏ khi hướng từ trường của đầu đọc và vùng nhiễm từ trùng nhau và ngược lại.

Công nghệ từ trở khổng lồ GMR (Grant Magneto-resistive)

thước vùng nhiễm từ cũng nhỏ

„ Kích thước đầu từ 0,04μm

„ Mật độ thông tin 4.1Gbit/inch2

„ Kích thước ổ đĩa giảm

„ Thời gian truy nhập giảm -> Tốc độ truyền cao

Đầu từ GMR

Công nghệ ổ đĩa quang từ OAW (Optically Assisted Winchester)

(Magneto Optical Disk).

trên vật liệu từ, được dẫn đến đầu từ bằng sợi quang

cũ nhưng hoạt động ổn định hơn nhiều.

5 Mã hoá thông tin lưu trữ

Mã hoá thông tin lưu trữ

„ Tốc độ lấy mẫu sẽ tự động được điều chỉnh mỗi khi phần tử nhiễm từ chuyển cực (hoặc dòng cảm ứng đổi chiều)

„ Không đảm bảo đọc chính xác nếu có một chuỗi các phần tử nhiễm từ đồng cực

„ Sử dụng rãnh hiệu chỉnh song song với rãnh dữ liệu, phần

tử nhiễm từ trên rãnh hiệu chỉnh thay đổi cực liên tục

„ Phương pháp này có nhiều nhược điểm (Giá thành đắt,

phải chế tạo 2 đầu đọc, đảm bảo khoảng cách giữa chúng Tốn diện tích)

„ Thường không được sử dụng

1 Đĩa mềm

Cấu tạo và hoạt động đĩa 3,5 inch

(1.44MB)

„ Thiết kế vạt chéo góc và phần cơ khí trong ổ đĩa giúp

người sử dụng đưa vào đúng chiều

„ Nắp bảo vệ bằng kim loại tự động trượt sang 1 bên khi

đưa vào ổ đĩa

„ Công tắc bảo vệ ghi ở trạng thái mở sẽ chống ghi lên đĩa

„ Lỗ còn lại đánh dấu đĩa mật độ cao hay thấp

„ Đĩa từ làm bằng chất dẻo Mylar được phủ vật liệu từ (sắt, niken, côban)

„ Đĩa từ được gắn vào tâm quay (bằng kim loại) Tâm quay

sẽ gắn với động cơ ổ đĩa

„ Mỗi đĩa gồm 2 mặt: (Trên 0, dưới 1)

Cấu tạo đĩa từ

8 Ổ đĩa mềm

Cho đĩa 5 1/4 inch Cho đĩa 3 1/2 inch

Một số dạng khác của ổ đĩa mềm

Cấu tạo bên trong ổ đĩa mềm

Cấu tạo bên trong ổ đĩa mềm

Đầu đọc ghi và động cơ bước

Trục vít:

Biến chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến

Đầu đọc/ghi:

Được gá trên trục dẫn

(Không dùng chổi quét)

Stator được cấy trên bản

mạch

Rotor chứa bánh đà và

trục quay

Đầu đọc/ghi

„ Chứa 2 đầu đọc ghi cho cả 2 mặt đĩa

„ Chuyển động tịnh tiến theo bán kính

đĩa bằng động cơ bước (Stepper

Motor) thông qua trục vít.

„ Khi đĩa được đưa vào, 2 đầu đọc ghi

được kẹp tiếp xúc vào 2 bề mặt đĩa

„ Đầu đọc/ghi tiếp xúc trực tiếp, nên được tráng một lớp giảm

ma sát

„ Mỗi đầu từ có cáp mềm nối ra bản mạch điều khiển

„ Mỗi đầu từ có 3 cuộn dây trên 3 lõi sắt

„ 2 cuộn dùng để đọc/ghi trên 2 mặt

„ 1 cuộn xoá

„ Dữ liệu được xoá trước khi ghi

Cáp dữ liệu cho ổ đĩa mềm

Cáp dữ liệu cho ổ đĩa mềm

Khe cắm

8.3 Ổ cứng/Ổ đĩa cứng (Hard disk/HD Driver)

Đặc điểm đĩa cứng

„ Vật liệu nền cứng như: nhôm, thuỷ tinh hay gốm

„ Trên vật liệu nền là Lớp tiếp xúc bám nickel

„ Tiếp đó là màng từ lưu trữ dữ liệu cobalt

„ Bề mặt phủ lớp chống ma sát (graphit hay saphia)

Đầu từ đọc/ghi

„ Đĩa quay với tốc độ

nhanh, nên đầu đọc/ghi

không được tiếp xúc với

bề mặt đĩa (đệm không

khí được hình thành giữa

đầu từ và bề mặt đĩa khi

đĩa quay với tốc độ cao)

„ Khoảng cách khoảng vài

Cấu tạo

Phần vỏ Mạch điều khiển

Ổ đĩa (Hard disk)

Lớp bảo vệ được đánh bóng

Cấu tạo bên trong

Động cơ quay đầu đọc

Động cơ điều khiển

„ Không chuyển động theo bước như trong ổ đĩa mềm.

„ Góc quay của đầu từ phụ thuộc vào cường

độ dòng điện chạy trong động cơ.

„ Tương tự như trong ổ đĩa mềm

„ Sử dụng cảm biến chỉ số để đo tốc độ

quay, do đó giữ cho tốc độ quay không đổi

Cấu tạo vật lý đĩa từ

Một ổ gồm nhiều đĩa Một đĩa có 2 mặt

Cấu tạo vật lý đĩa từ

Số lượng 500->1000 Được đánh số từ ngoài vào từ 0

Đo bằng TPI (Track Per Inch)

Gồm 1 hoặc nhiều sector

Tổ chức vật lý và logic

„ Sector

„ Sector là mỗi phần của track được

đánh số (thường được đánh tuần

tự)

„ Mỗi sector gồm có phần đầu sector

(sector header) và mã sửa lối (error

correction code (ECC))

„ Đánh địa chỉ (Data addressing)

„ CHS (cylinder-head-sector)

„ Được sử dụng trong phần lớn các ổ IDE.

„ CHS định địa chỉ dữ liệu bằng trụ, chỉ số đầu đọc (mặt các đĩa) và các sector.

„ LBA (logical block address)

„ Được sử dụng trong các ổ SCSI và enhanced IDE.

„ LBA gán mỗi sector của ổ đĩa bởi một con số tuần tự, vì vậy nó đơn giản hơn.

Cấu trúc logic của đĩa từ

Phân khu đĩa cứng (Partition)

lớn Chia thành các Partition để tiện quản lý đối với người sử dụng.

„ Hệ điều hành coi mỗi Partition là một ổ đĩa riêng.

„ Cung phân khu (Partition Sector)

„ Ở mặt 0, track 0, cung 1

„ Lưu trữ thông tin Partition

„ Chứa bảng phân khu (Partition Table)

„ Có điểm vào phân khu (Partition Entry)

„ Dài 16byte

„ Chứa thông tin từng phân khu

Hệ tệp (File System)

„ Cấu trúc logic, tổ chức và lưu trữ tệp trên đĩa từ là

nhiệm vụ của hệ điều hành.

„ Mỗi HĐH có thể có cách quản lý dữ liệu khác nhau và

có thể không truy nhập được dữ liệu của nhau.

„ Các loại hệ tệp

„ FAT (hay FAT16): của MS-DOS, Windows 3.x

„ FAT32: Windows for Workgroup, Windows 95, Windows 98

„ NTFS (New Technology File System): Windows NT

„ VFS: Linux

„ Quản lý nhiều hệ tệp khác nhau như MINIX, EXT2

Phân khu (Partition)

„ Phân chia logic ổ đĩa cứng thành nhiều vùng tiện cho việc lưu trữ và quản lý.

„ Thông thường, thông tin về Partition được lưu tại:

„ Head 0, track 0, sector 1 (Cung phân khu (Partition sector)

„ Partition sector chứa bảng phân khu (Partition table)

„ Mỗi bảng phân khu chứa một điểm vào phân khu (Partition Entry) gồm 16byte:

„ Quy định phân khu khởi động được hay không

„ Nơi bắt đầu phân khu.

„ Dạng hệ tệp.

„ Số cung trong phân khu

FAT (File Allocation Table)

„ Ra đời năm 1977, áp dụng cho MS-DOS năm

1981.

„ Gồm

„ FAT12 cho đĩa mềm

„ FAT16 cho đĩa cứng

„ Sector là đơn vị quản lý đĩa từ nhỏ nhất của DOS

„ Một hoặc nhiều sector hợp lại thành một khối

(block hoặc cluster – liên cung) Khối là đơn vị

logic nhỏ nhất của một đĩa.

„ DOS quản lý theo phương pháp tuyến tính (Đánh

số tuần tự các sector).

„ DOS quản lý được 216 liên cung

„ 1 cung = 29 byte

„ Số cung dành cho bảng FAT.

„ Số cung trên một track

„ Mỗi giá trị FAT tương ứng với 1 cluster trên đĩa

„ Một cluster có chiều dài từ 1->32 sector.

„ Các phần trên đĩa… (tiếp)

„ Nằm kế tiếp bảng FAT: chứa thông tin tệp tin hay các thư mục con khác trên đĩa

„ Sử dụng 32 bít để quản lý các khối

„ Cấu trúc thư mục gốc:

„ Cho phép tệp tin có tên dài đến 255 ký tự

„ Cho phép quản lý các ổ đĩa có dung lượng

từ 260MB->2Terabyte.

„ Có khả năng hỗ trợ tên file dài đến 255 ký tự

„ Quản lý được phân khu lên đến 16 exabyte

(1exabyte=260byte)

„ Dung lượng file có thể từ 4G->64GB

„ Cung cấp khả năng nén đến 50%

„ Có tính năng bảo mật cao:

„ Phân quyền đến từng file và thư mục cho các user đăng nhập cục

bộ cũng như qua mạng.

„ An toàn và tin cậy:

„ Có khả năng chịu đựng sai sót (fault tolerance) lớn

„ Các sector lỗi sẽ được đánh dấu lại để chương trình không ghi dữ liệu lên đó Nếu dữ liệu được ghi trên các vùng cluster đã hỏng thì

nó sẽ khôi phục lại và lưu ở vị trí khác.

Ổ cứng (Hard disk)

Chuẩn EIDE

Đĩa quang

Nguyên tắc lưu trữ quang

dạng thay đổi tính chất quang trên bề mặt

đĩa.

phản xạ của tia sáng trên bề mặt.

laser) để đọc/ghi

„ Bước sóng 790nm -> 850nm

„ Năng lượng khoảng 5mW (không hại mắt)

Thickness 1.2mm

Recording layer (Reflective layer)

Protective layer around 10um

Polycarbonate substrate around 1.2mm

Đĩa CD-ROM

(Lớp ghi) (Lớp bảo vệ)

Ghi từ trong ra ngoài theo

đường xoắn ốc

(Có duy nhất 1 Track)

DVD

2 pcs of 12cm Diameter and thickness 0.6mm disc stuck it together

Polycarbonate substrate

around 0.6cm

Upper recording Layer

Transparency layer around 40um

Lower record layer

(reflective layer)

Protective layer

around 10um

DVD

„ Gồm 2 đĩa mỗi đĩa dày 0.6mm.

„ 2lớp ghi (recording layers) có thể được ghi trên một mặt đĩa hoặc 4 lớp ghi trên 2 mặt đĩa.

„ Có nhiều loại đĩa DVD

„ Khả năng lưu trữ gấp 7 lần so với CD

„ 4.7GB trên một mặt đĩa và 9.4GB trên 2 mặt đĩa

DVD-ROM

Lớp ghi (Recording Layer)

Pit Land

Track interval Pit length Pit interval Track interval Pit length Pit interval

So sánh CD và DVD

Tham số (đơn vị μm) CD DVD Comparsion

Cấu trúc logic đĩa CD

„ Do đó, tốc độ quay của đĩa

sẽ chậm đi khi đọc hoặc ghi

từ trong ra ngoài.

Sector1

Sector2

Lens Rotation

So sánh Đĩa từ & Đĩa quang

„ Mã hoá dữ liệu trước khi lưu

„ Áp dụng nguyên tắc mã hoá tương tự đĩa từ (dùng mã RLL: Tiết kiệm diện tích và tự định thời)

„ Kiểm tra và sửa lỗi

„ Cần kiểm tra và sửa lỗi nhiều hơn do dễ bị nhiều hơn.

„ Chế độ làm việc

„ Đĩa từ làm việc ở chế độ vận tốc góc không đổi CAV (Constant Angular Velocity)

„ Do mật độ lưu trữ ở gần tâm cao hơn ở bên ngoài

„ Tốc độ đọc dữ liệu nhanh hơn, do động cơ không cần điều chỉnh lại tốc độ góc

„ Đĩa quang làm việc trong chế độ vận tốc tuyến tính không đổi CLV

(Constant Linear Velocity)

„ Đảm bảo mật độ lưu trữ toàn đĩa cao (mật độ đồng đều)

„ Vận tốc góc cần thay đổi để đảm bảo vận tốc tuyến tính không đổi.

Phân loại

„ CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory)

„ Thông tin được lưu trữ ngay khi sản xuất đĩa

„ Dữ liệu được lưu dưới dạng pit và land

„ Dùng khuôn đúc để cho ra nhiều phiên bản

„ CD-R (Recordable Compact Disk)

„ Có thể đọc từ ổ CD-ROM bình thường

„ Có thể ghi được 1 lần (WORM: Write Once Read Many)

„ Dữ liệu lưu trữ theo sự thay đổi màu của lớp polimer nhạymàu dưới tác dụng của tia laser

„ CD-RW (Readable/Writable Compact Disk)

„ Dùng tia laser để đọc ghi dữ liệu

„ Bề mặt đĩa phủ lớp kim loại mỏng, trạng thái lớp kim loạinày được thay đổi dưới tác dụng của tia laser

„ DVD (Digital Video Disk hoặc Digital Versatile Disk):

DVD ROM, DVD-R, DVD-RW

Cấu tạo ổ đĩa quang

Cấu tạo ổ đĩa quang

Worm gear Pinion

„ Ex Sending Servo Structure

Worm hole

Cấu trúc lái tia Laser

Carriage (Stand)

Mirror (Lăng kính phản xạ) Screw

Focusing/

tracking coil

Laser oscillator (Bộ tạo dao động)

Cấu trúc toàn diện

Spindle motor

Disc

Screw Tracking

motor

lens

Carriage

Hệ thống quang của ổ CD

„ Nguồn sáng từ Bộ tạo dao

động Laser (Laser oscillator)

được phản xạ 90 o bởi bộ

phân chia chùm tia (beam

splitter), tiếp đó lại được đổi

hướng 90 o lần nữa bởi gương

(mirror), chùm tia Laser này

được hội tụ thông qua một

thấu kính (lens)

„ Chùm tia phản xạ lại thông

qua Lens, mirror và beam

splitter, tác động vào bộ cảm

biến quang (optical sensor),

cuỗi cùng được chuyển thành

Light

diffraction

Light Objective lens

Khe cắm trên Mainboard