Bài giảng Kiến trúc máy tính (ThS. Nguyễn Hằng Phương) Chương 6

Các tham số hiệu năng • Khi ổ đĩa đang hoạt động đĩa quay với vận tốc không đổi • Để đọc/ghi, đầu phải được đặt ở track mong muốn và ở sector đầu tiên của track đó – Chọn track bằng cách

Chương 6

Bộ nhớ ngoài

1

6.1 ĐĨA TỪ

Cơ chế đọc và ghi từ

Tổ chức và Định dạng Dữ liệu Tính chất vật lý

Các tham số hiệu suất đĩa 6,2 RAID

RAID cấp 0

…

RAID CẤP 6 6.3 CÁC Ổ SSD

Bộ nhớ flash SSD So với HDD

Tổ chức SSD Những vấn đề thực tế 6.4 BỘ NHỚ QUANG HỌC

Đĩa compact Đĩa đa năng kỹ thuật số Đĩa quang Độ nét cao 6.5 BĂNG TỪ

NỘI DUNG

2

Đĩa từ

• Đĩa từ là một tấm platter tròn chế tạo bằng vật liệu không

từ tính, được gọi là chất nền (substrate), được phủ một

lớp vật liệu có từ tính lên trên

– Chất nền thường là vật liệu nhôm hoặc hợp kim nhôm

• Gần đây, chất nền thủy tinh được sử dụng

• Ưu điểm của chất nền thủy tinh:

– Tăng tính đồng nhất bề mặt  tăng độ tin cậy của đĩa

– Giảm các khiếm khuyết bề mặt  giảm lỗi đọc-ghi

– Độ cứng tốt hơn  giảm động lực đĩa

– Khả năng chống sóc và hư hỏng tốt hơn

– Lower flight heights

3

CƠ CHẾ ĐỌC – GHI TỪ

4

dẫn được gọi là đầu

 Hệ thống thường có 2 đầu: đầu đọc và đầu ghi

 Trong quá trình đọc hoặc ghi, đầu đứng yên trong khi đĩa xoay bên dưới

 Ghi

 Lợi dụng tính chất: dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường

 Xung điện được gửi đến đầu ghi  mẫu từ sinh ra được ghi vào

bề mặt bên dưới

 Các mẫu từ khác nhau thể hiện dòng điện dương và âm

 Đầu ghi được làm bằng vật liệu từ hoá, dạng hình chữ nhật rỗng với khe hở dọc một cạnh và vòng dây dẫn ở dọc cạnh đối diện

 Dòng điện chạy trong dây tạo ra từ trường trên khe  từ hoá một vùng nhỏ của môi trường ghi

 Đảo chiều dòng điện sẽ làm đảo chiều từ hóa trên môi trường ghi

CƠ CHẾ ĐỌC – GHI TỪ

5

Đọc (truyền thống )

ra dòng điện trong cuộn dây

với dòng đã ghi

đầu có thể đƣợc sử dụng cho cả đọc và ghi

Đọc (hiện đại)

nhanh hơn

Đầu đọc điện từ/ Đầu ghi điện cảm

6

Bố trí dữ liệu trên đĩa

• Track chia thành các sector

• Sector: đơn vị dữ liệu đọc ra

khỏi đĩa/ ghi vào đĩa

 Vận tốc góc không đổi (CAV)

 Các sector hình pie và các track đồng tâm

 Mật độ dữ liệu thấp hơn

 Ghi nhiều vùng để tăng công suất

 Bề mặt chia thành nhiều vùng đồng tâm Các track cùng 1 vùng có số bit nhƣ nhau

Sơ đồ phương pháp bố trí đĩa

Vận tốc góc không đổi

+ đánh địa chỉ trực tiếp cho từng

khối DL theo track và sector

dung lượng dữ liệu hạn chế

Ghi nhiều vùng + tổng dung lượng lưu trữ lớn hơn mạch điện phức tạp hơn

9

-Rãnh khí động học (Winchester)

• Mặt

-1 mặt -2 mặt

10

Đặc tính (2)

 Đĩa có đầu cố định

 Một đầu đọc-ghi cho mỗi track

 Đầu đƣợc gắn trên một cánh tay cố định kéo dài

trên toàn bộ tracks

 Đĩa có đầu di chuyển

 Một đầu đọc-ghi

 Đầu đƣợc gắn trên một cánh tay

 Cánh tay có thể đƣợc kéo dài hoặc rút ngắn

 Đĩa hai mặt

 Lớp phủ từ tính đƣợc phủ lên cả

hai mặt của tấm platter

11

 Ví dụ: đĩa mềm, đĩa cartridge ZIP

 Gắn cố định vào ổ đĩa

 VD: Đĩa cứng trong máy tính cá nhân

12

Đa tấm platter

xếp chồng lên nhau theo

 Các track gióng hàng trên

mỗi tấm platter tạo thành

các hình trụ

13

Cylinder

14

Phân loại

Dựa vào cơ chế hoạt động, phân thành 3 loại đĩa

• Rãnh cố định: truyền thống, đầu đọc-ghi cách platter 1 khoảng

• Mối quan hệ giữa mật độ dữ liệu và khoảng cách đầu-mặt đĩa:

– Đầu phải tạo ra hoặc cảm nhận 1 trường điện từ đủ lớn thì mới ghi và đọc đúng

– Đầu càng hẹp  càng phải đặt gần bề mặt platter

– Đầu hẹp hơn nghĩa là track hẹp hơn  mật độ dữ liệu lớn hơn – Đầu càng gần đĩa  khả năng lỗi càng cao

15

Đầu đĩa Winchester

• Phát triển bởi IBM ở Winchester, Mỹ

• Dùng trong các cụm ổ kín, hầu như không có chất gây ô nhiễm

• Đầu hoạt động gần bề mặt đĩa hơn so với các đầu đĩa cứng thông thường, do đó mật độ dữ liệu lớn hơn

• Là 1 tấm foil khí động học đặt nhẹ trên bề mặt đĩa khi đĩa

không di chuyển

 khoảng cách rất nhỏ

• Bộ nhớ ngoài nhanh nhất

16

Các thông số đĩa cứng điển hình

17

Thời gian truyền vào ra của đĩa

18

Rotation delay

Các tham số hiệu năng

• Khi ổ đĩa đang hoạt động đĩa quay với vận tốc không đổi

• Để đọc/ghi, đầu phải được đặt ở track mong muốn và ở sector đầu tiên của track đó

– Chọn track bằng cách di chuyển đầu (hệ thống đầu đĩa di chuyển được) hoặc lựa chọn đầu (hệ thống đầu cố định)

– Khi đã chọn được track, đợi đến khi sector thích hợp xoay tới chỗ đầu

• Thời gian tìm kiếm là thời gian cần để đặt được đầu vào track

• Trễ quay là thời gian cần để điểm bắt đầu sector chạm đến đầu

• Thời gian truy nhập = Thời gian tìm kiếm + Trễ quay

– Thời gian cần để vào vị trí đọc và ghi

• Thời gian truyền

– Khi đầu vào vị trí, thao tác đọc/ghi được thực hiện khi sector di chuyển dưới đầu

– Đây là giai đoạn truyền dữ liệu

19

1) Tập hợp các ổ đĩa vật lý được hệ điều hành coi như một ổ đĩa logic đơn

2) Dữ liệu được phân bố trên các ổ đĩa vật lý của một mảng theo cơ chế striping – phân dải

dụng để lưu trữ thông tin parity, đảm bảo khả năng phục hồi dữ liệu trong trường hợp đĩa bị hỏng

N = number of data disks; m proportional to log N

RAID Levels

21

RAID mức

3, 4, 5, 6

23

Hỗ trợ dung lƣợng dữ liệu trên bốn đĩa (không

có sự dƣ thừa)

Ánh xạ dữ liệu trên Mảng RAID mức 0

24

• Không có dƣ thừa

• Dữ liệu trên đĩa logic đƣợc chia thành các dải (strip)

• Dữ liệu đƣợc rải trên tất cả các đĩa vật lý (nhờ phần mềm quản lý mảng)

• Rải kiểu Round Robin

• Xử lý song song tối đa n dải/lần  Tăng tốc độ truyền

• Lỗi đĩa bất kỳ gây ra mất dữ liệu

RAID Level 0

RAID 0 cho khả năng truyền

• Phải có dung lượng truyền

tải cao trên toàn bộ đường

dẫn giữa bộ nhớ máy chủ và

các ổ đĩa riêng lẻ

• Ứng dụng phải tạo ra các

yêu cầu I/O để điều khiển

mảng đĩa một cách hiệu quả

 Addresses the issues of request patterns of the host system and layout of the data

 Impact of redundancy does not interfere with analysis

 Với 1 yêu cầu I/O cho 1 lượng nhỏ

dữ liệu, chiếm phần lớn thời gian I/O là thời gian tìm kiếm và trễ xoay

 Mảng đĩa có thể cung cấp tốc độ thực thi I/O cao bằng cách cân bằng tải I/O trên nhiều đĩa

 Nếu kích thước dải lớn, có thể xử

lý song song nhiều yêu cầu I/O đang đợi, giảm thời gian xếp hàng cho mỗi yêu cầu

R a i d 0

25

• phân dải dữ liệu

• mỗi dải logic đƣợc ánh xạ

tới 2 đĩa vật lý riêng biệt

sao cho mỗi đĩa trong

mảng đều có 1 đĩa bản

sao chứa dữ liệu giống

hệt

Hiệu quả

• đọc từ một trong hai đĩa chứa

dữ liệu yêu cầu

• Ghi song song vào cả 2 đĩa

• Dễ khắc phục sai sót Khi 1 đĩa hỏng, truy cập dữ liệu từ ổ đĩa thứ hai

• Đọc nhanh  cung cấp bản sao thời gian thực của tất cả dữ liệu

• đạt đƣợc tốc độ yêu cầu I/O cao nếu phần lớn các yêu cầu là

đọc

• Nhƣợc điểm: đắt

R a i d 1

26

RAID

Level 2

Đặc điểm

• Truy cập song song

• Trong mảng truy cập song

song, tất cả các đĩa đều

tham gia vào xử lý yêu cầu

I/O

• Trục của các ổ đĩa được

đồng bộ sao cho các đầu đĩa

ở vị trí như nhau trên mỗi đĩa

vào bất kỳ thời điểm nào

• Phân dải dữ liệu

– Dải rất nhỏ, thường bằng 1

byte hoặc 1 word

Hiệu quả

• Mã sửa lỗi được tính từ các bit tương ứng trên mỗi đĩa dữ liệu Các bit mã được lưu trữ ở các vị trí bit tương ứng trên các đĩa chẵn lẻ

27

• Mỗi bit của đĩa parity làmột

hàm parity của các bit tương

ứng trên tất cả các đĩa khác

• Truy cập song song, với dữ

liệu phân phối trong các dải

rất nhỏ

Hiệu quả

• Khi ổ đĩa bị hỏng, ổ đĩa chẵn lẻ được truy cập và dữ liệu được tái tạo

• Dữ liệu trên đĩa hỏng được tái tạo lại từ dữ liệu còn sót lại + thông tin parity

• Trong một môi trường định hướng giao dịch, hiệu suất bị ảnh hưởng

• Có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu rất cao

R a i d 3

28

 Phân dải dữ liệu: Dải lớn

 Dải parity tính theo dải dữ liệu

và các bit parity mới tương ứng

• Do đó 1 lần ghi dải gồm 2 lần đọc + 2 lần ghi

• Khả năng tắc nghẽn

R a i d 4

29

Đặc điểm

- mean time to repair)

• Chịu một write penalty đáng kể

do mỗi lần ghi đều ảnh hưởng đến hai khối chẵn lẻ

RAID Level 6

R a i d

5 6

30

So sánh RAID (1)

31

Level Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng

0 Hiệu quả I/O cải thiện

nhờ dàn tải I/O trên nhiều kênh và ổ đĩa Không tính toán parity Rất đơn giản

Dễ triển khai

Hỏng 1 ổ đĩa thì mất tất cả dữ liệu trong mảng

Sản xuất, biên tập video

Biên tập ảnh Ứng dụng yêu cầu băng thông cao

độ tin cậy cao

2 Tốc độ truyền dữ liệu

cực cao Thiết kế điều khiển đơn giản hơn RAID 3, 4, 5

Tốc độ truyền dữ liệu càng cao, tỉ lệ ổ mã sửa lỗi/ổ dữ liệu rất cao nếu kích thước từ nhỏ - kém hiệu quả Đắt

Không sử dụng trong thực tế

32

Level Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng

3 Tốc độ đọc/ ghi dữ liệu rất

cao Đĩa hỏng không ảnh hưởng nhiều đến thông lượng

Tỉ lệ lệ ổ mã sửa lỗi/ổ dữ liệu thấp - hiệu quả cao

Tốc độ giao dịch bằng tốc

độ của 1 ổ đĩa đơn Thiết kế điều khiển khá phức tạp

Sản xuất video Live streaming Biên tập ảnh Ứng dụng yêu cầu thông lượng cao

4 Tốc độ giao dịch dữ liệu đọc

cao

Tỉ lệ lệ ổ mã sửa lỗi/ổ dữ liệu thấp - hiệu quả cao

Thiết kế điều khiển khá phức tạp

Tốc độ giao dịch ghi thấp nhất

Tái tạo dữ liệu khó khăn, kém hiệu quả

Không sử dụng trong thực tế

5 Tốc độ giao dịch dữ liệu đọc

cao nhất

Tỉ lệ lệ ổ mã sửa lỗi/ổ dữ liệu thấp - hiệu quả cao

Thiết kế điều khiển phức tạp nhất

Tái tạo dữ liệu khó khăn, kém hiệu quả

Server ứng dụng, Server database Server web, e-mail Server intranet

6 Chịu được lỗi dữ liệu cực

lớn Chịu được lỗi ổ đĩa đồng thời

Thiết kế điều khiển phức tạp hơn

Overhead để tính địa chỉ parity cực cao

Giải pháp hoàn hảo cho ứng dụng quan trọng

So sánh RAID (2)

Flash Memory Operation

Bộ nhớ Flash

33

Ổ cứng bán dẫn - Solid State Drive (SSD)

tử tiêu dùng bao gồm smart phones, thiết bị GPS, máy nghe nhạc MP3, máy ảnh kỹ thuật số

và USB

Chi phí và hiệu năng đã phát triển đến mức có thể sử dụng để thay thế

ổ cứng HDD

2 loại bộ nhớ flash đặc biệt

NOR

• Đơn vị truy cập cơ bản: bit

• Cung cấp truy cập ngẫu nhiên tốc

độ cao

• dùng để lưu mã hệ điều hành điện thoại di động và trên máy tính Windows để chương trình BIOS chạy khi khởi động

NAND

• Đơn vị cơ bản: 16 hoặc 32 bit

• Đọc và ghi trong các block nhỏ

• Dùng trong ổ USB flash, thẻ nhớ

và ổ SSD

• Không cung cấp bus địa chỉ truy cập ngẫu nhiên nên dữ liệu phải được đọc theo block

34

SSD so với HDD

SSD có các ƣu điểm hơn HDD nhƣ sau:

 Số thao tác đọc/ghi trong một giây (IOPS) cao hơn

Độ bền

Tuổi thọ dài hơn

Tiêu thụ ít năng lƣợng hơn

Khả năng chạy êm và mát hơn

Thời gian truy cập ngắn hơn

35

Vấn đề thực tế

Hiệu năng SSD có khuynh

hướng giảm dần khi thiết bị

được sử dụng

• Cả block phải được đọc từ

flash memory và được đặt

trong bộ đệm RAM

• Trước khi block được ghi lại

vào bộ nhớ flash, toàn bộ

block trong bộ nhớ flash phải

được xoá

• Khi đó block từ bộ đệm mới

được ghi vào flash memory

Flash memory không thể sử dụng được sau một số lần ghi

• Kỹ thuật kéo dài tuổi thọ:

– Front-end bộ nhớ flash bằng 1 cache để giữ chậm và nhóm các

xử lý ghi – Dùng thuật toán wear-leveling: phân bố đều các lần ghi trên các khối cell

– Quản lý bad-block

• Hầu hết các thiết bị flash ước tính thời gian hoạt động còn lại của chúng để hệ thống có thể dự đoán hỏng hóc và có hành động dự phòng

Có hai vấn đề xảy ra đối với SSD mà không xảy ra với HDDs

37

Sản phẩm đĩa quang

38

Compact Disk Read-Only Memory

(CD-ROM)

• Audio CD và CD-ROM dùng công nghệ tương tự nhau

– Điểm khác biệt chính: CD-ROM player có độ gồ ghề hơn và có thiết bị sửa lỗi để đảm bảo cho dữ liệu được truyền đúng

• Quá trình sản xuất:

– Đĩa được chế tạo từ nhựa polycarbonate

– Dữ liệu được lưu dưới dạng một chuỗi các lỗ cực nhỏ (pit) trên bề mặt

• Dùng laser cường độ cao tập trung tạo ra đĩa master – Đĩa master được dùng làm khuôn để tạo ra các bản sao trên

Hoạt động của CD

40

Tổ chức thông tin theo đường xoắn ốc

Bắt đầu hoặc kết thúc của 1 pit = bit 1; Không thay đổi độ cao = bit 0

Vân tốc tuyến tính không đổi (CLV): Thông tin được quét cùng tốc độ bằng cách quay đĩa ở tốc độ khác nhau

Định dạng khối CD-ROM

41

• Mode 0= trường data rỗng

• Mode 1= 2048 byte data+error correction

• Mode 2= 2336 byte data

 Phù hợp để phân phối số lượng lớn dữ liệu

cho một số lượng lớn người dùng

 Không phù hợp cho các ứng dụng cá nhân

do chi phí lớn cho quá trình ghi ban đầu

• Tương thích với ổ CD-ROM

• Có thể ghi lại nhiều lần

• Đĩa thay đổi pha sử dụng vật liệu

có hai độ phản xạ khác nhau ở hai trạng thái pha khác nhau – Trạng thái vô định hình: Các phân

tử có hướng ngẫu nhiên phản xạ ánh sáng kém

– Trạng thái tinh thể: Có bề mặt nhẵn phản xạ ánh sáng tốt

• Một chùm tia laser có thể thay đổi vật liệu từ pha này sang pha kia

• Nhược điểm: cuối cùng vật liệu mất đi đặc tính mong muốn vĩnh viễn

• Ưu điểm: có thể ghi lại được 43

Digital Versatile Disk (DVD)

• Đĩa đa năng kỹ thuật số

• Chất lƣợng hình ảnh ấn tƣợng

• Dung lƣợng rất cao (4.7G mỗi lớp)

• Trọn 1 bộ phim dài trên 1 đĩa đơn

Đĩa quang độ phân giải cao

• Được thiết kế cho video độ nét cao

• Dung lượng lớn hơn nhiều so với DVD

– Laser bước sóng ngắn hơn: Dải màu xanh tím

– Pit nhỏ hơn

• HD-DVD

– 15GB 1 lớp 1 mặt

• Blue-ray

– Lớp dữ liệu gần với laser hơn

• Tập trung cao, ít biến dạng hơn, pit nhỏ hơn

– 25GB trên một lớp

46

Đĩa quang độ phân giải cao

47

Băng từ

• sử dụng kỹ thuật đọc và ghi giống các hệ thống đĩa

• băng polyester mềm dẻo phủ bởi chất liệu từ hoá

• Dữ liệu trên băng đƣợc tổ chức theo các track chạy dọc song song

• Ghi nối tiếp: Dữ liệu đƣợc trải ra theo một dãy bit dọc trên

mỗi track

• Dữ liệu đƣợc đọc và ghi trong các block liền kề đƣợc gọi là

bản ghi vật lý physical records

• Các block trên băng đƣợc phân cách bằng các khoảng trống

- inter-record gap

• Rất rẻ

48

Đặc tính

băng từ

49

LTO Tape Drives

50

– Tham số hiệu suất đĩa

• Solid state drives

– Đĩa Compact – Đĩa DVD – High-definition optical disks

51

Câu hỏi chương 6

1 Ưu điểm của việc sử dụng chất nền thủy tinh cho đĩa từ là gì?

2 Dữ liệu được ghi lên đĩa từ như thế nào?

3 Dữ liệu được đọc từ đĩa từ như thế nào?

4 Phân biệt CAV và ghi nhiều vùng

5 Định nghĩa track, cylinder và sector

6 Kích thước sector điển hình là gì?

7 Định nghĩa thời gian tìm kiếm, trễ xoay, thời gian truy cập, và thời gian

truyền

8 Những đặc điểm chung của các cấp độ RAID?

9 Phân biệt các mức RAID

10 Giải thích thuật ngữ dải dữ liệu

11 Cách tạo độ dư thừa trong một hệ thống RAID?

12 Trong RAID, phân biệt truy cập song song và truy cập độc lập?

13 Sự khác nhau giữa CAV và CLV là gì?

14 Sự khác nhau giữa đĩa CD và DVD?

52