Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin và truyền thông hiện
nay, vai trò của chiếc máy vi tính là cực kì quan trọng. Trong số các linh
kiện cấu thành lên máy vi tính, chúng ta không thể không nhắc tới Ổ đĩa
cứng. Ổ đĩa cứng là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu của máy vi tính. Từ
xưa, ước muốn con người đã là làm sao bảo quản được các tài liệu quý giá
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
1
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
dưới sự tác động của thời gian. Ngày nay, với sự xuất hiện của máy vi tính,
đặc biệt là ổ đĩa cứng, các tài liệu đó đã được lưu trữ, sắp xếp tổ chức khoa
học, thật dễ dàng sử dụng. Từ khi ra đời chiếc ổ cứng đầu tiên trên thế
giới(1955) cho tới nay(2011), công nghệ lưu trữ cũng như công nghệ sản
xuất ổ đĩa cứng đã phát triển rất mạnh mẽ. Giờ đây, chỉ với số tiền không
lớn, khoảng gần 1 triệu Việt Nam đồng, chúng ta đã có thể sở hữu một
chiếc ổ cứng với dung lượng 160GB(ổ cứng 3.5 inch gắn trong).
Em chọn đề tài thực tập “Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ đĩa
cứng” phần nhiều là do ham muốn tìm hiểu về nó, phần nhỏ là do em đã
từng phải thay thế, sửa chữa khả nhiều ổ cứng do chúng bị hỏng.
Em xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn
Tuấn Tú vì thầy đã giúp đỡ, hướng dẫn em tận tình trong quá trình em thực
hiện đề tài này.
Sinh viên thực hiện
Đàm Phương
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA
Ổ ĐĨA CỨNG
1.1. Tổng quan về ổ đĩa cứng
Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt:

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 bình khá thấp.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
3
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 01: Ổ cứng IBM 350 Disk File
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.
Hình 02: thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301
Năm 1973, IBM giới thiệu hệ thống đĩa 3340 "Winchester", ổ đĩa đầu tiên
sử dụng kĩ thuật lắp ráp đóng hộp (sealed head/disk assembly - HDA). Kĩ sư
trưởng dự án/chủ nhiệm dự án Kenneth Haughton đặt tên theo "súng trường
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
4
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Winchester" 30-30 sau khi một thành viên trong nhóm gọi nó là "30-30" vì các
trục quay 30 MB của ổ đĩa cứng. Hầu hết các ổ đĩa hiện đại ngày nay đều sử
dụng công nghệ này, và cái tên "Winchester" trở nên phổ biến khi nói về ổ đĩa
cứng và dần biến mất trong thập niên 1990. Trong một thời gian dài, ổ đĩa cứng
có kích thước lớn và cồng kềnh, thích hợp với một môi trường được bảo vệ của
một trung tâm dữ liệu hoặc một văn phòng lớn hơn là trong môi trường công
nghiệp khắc nghiệt (vì sự mong manh), hay văn phòng nhỏ hoặc nhà riêng (vì
kích cỡ quá khổ và lượng điện năng tiêu thụ). Trước thập niên 1980, hầu hết ổ
đĩa cứng có các tấm đĩa cỡ 8" (20 cm) hoặc 14-inch (35 cm), cần một giá thiết bị
cũng như diện tích sàn đáng kể (tiêu biểu là các ổ đĩa cứng lớn có đĩa tháo lắp
được, thường được gọi là "máy giặt"), và trong nhiều trường hợp cần tới điện
cao áp hoặc thậm chí điện ba pha cho những mô tơ lớn chúng dùng. Vì lí do đó,
các ổ đĩa cứng không được dùng phổ biến trong máy vi tính đến tận năm 1980,

lớn. Cuối thập niên 1990 đã có những ổ đĩa cứng với dung lượng trên 1
gigabyte. Vào thời điểm đầu năm 2005, ổ đĩa cứng có dung lượng khiêm tốn
nhất cho máy tính để bàn còn được sản xuất có dung lượng lên tới 40 gigabyte
còn ổ đĩa lắp trong có dung lượng lớn nhất lên tới một nửa terabyte (500 GB),
và những ổ đĩa lắp ngoài đạt xấp xỉ một terabyte. 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 hỏi mạch điều khiển phải tương thích với phần
điện trên ổ đĩa cứng hay nói cách khác là ổ đĩa và mạch điều khiền phải tương
thích. RLL (Run Length Limited) là một phương pháp mã hóa bit trên các tấm
đĩa giúp làm tăng mật độ bit. Phần lớn các ổ đĩa RLL cần phải tương thích với
bộ điều khiển nó làm việc với. ESDI là một giao diện được phát triển bởi
Maxtor làm tăng tốc trao đổi thông tin giữa PC và đĩa cứng. SCSI (tên cũ là
SASI dành cho Shugart (sic) Associates), viết tắt cho Small Computer System
Interface, là đối thủ cạnh tranh ban đầu của ESDI. Khi giá linh kiện điện tử giảm
(do nhu cầu tăng lên) các chi tiết điện tử trước kia đặt trên cạc điều khiển đã
được đặt lên trên chính ổ đĩa cứng. Cải tiến này được gọi là ổ đĩa cứng tích hợp
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
6
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
linh kiện điện tử (Integrated Drive Electronics hay IDE). Các nhà sản xuất IDE
mong muốn tốc độ của IDE tiếp cận tới tốc độ của SCSI. Các ổ đĩa IDE chậm
hơn do không có bộ nhớ đệm lớn như các ổ đĩa SCSI và không có khả năng ghi
trực tiếp lên RAM. Các công ty chế tạo IDE đã cố gắng khắc phục khoảng cách
tốc độ này bằng phương pháp đánh địa chỉ logic khối (Logical Block Addressing
- LBA). Các ổ đĩa này được gọi là EIDE. Cùng lúc với sự ra đời của EIDE, các
nhà sản xuất SCSI đã tiếp tục cải tiến tốc độ SCSI. Những cải tiến đó đồng thời
khiến cho giá thành của giao tiếp SCSI cao thêm. Để có thể vừa nâng cao hiệu
suất của EIDE vừa không làm tăng chi phí cho các linh kiện điện tử không có
cách nào khác là phải thay giao diện kiểu "song song" bằng kiểu "nối tiếp", và
kết quả là sự ra đời của giao diện SATA. Tuy nhiên, hiệu suất làm việc của các

Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 07: Ổ lưu trữ thể rắn
Ổ cứng gắn ngoài hiện nay có giá đắt hơn ổ cứng gắn trong(một chiếc
Samsung 160GB có giá khoảng 850000 đồng Việt Nam).
Hình 08: Một ổ cứng gắn ngoài của hãng Western Digital
Giờ đây(2011), người dùng máy tính có thể mua một ổ cứng giao diện
SATA có dung lượng 160GB với giá khá rẻ, khoảng hơn bảy trăm ngàn đồng
Việt Nam (so với năm 2007 là gần một triệu đồng Việt Nam). Các nhà phân
phối linh kiện máy tính ở Việt Nam hầu hết chỉ nhập về ổ cứng với dung lượng
nhỏ nhất là 160GB, ổ cứng dung lượng 80GB hiện giờ chỉ có thể mua hàng cũ
đã qua sử dụng.
Western Digital vừa chính thức công bố phiên bản nâng cấp của dòng ổ
cứng Caviar Blue 3,5 inch với giao tiếp SATA 6.0 Gbps. Theo đó ổ cứng mới
này có tốc độ quay 7200 RPM và sử dụng công nghệ Advanced Format với
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
9
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
sector 4K. Western Digital 6.0 Gbps sẽ có sẵn với các mức dung lượng lưu trữ là
250 GB, 320 GB, 500 GB, 750 GB và 1 TB. Và có bộ nhớ đệm 16 MB (phiên
bản 500 GB và thấp hơn) hoặc 32 MB (phiên bản 750 GB và 1 TB). Hiện ổ
cứng này đã có mặt tại thị trường Châu Âu với mức giá tương ứng là 43,4 USD
(250 GB), 44 USD (320 GB), 46 USD (500 GB), 60 USD (750 GB) và 71 USD
(1 TB).
Một số nhà sản xuất ổ đĩa cứng hàng đầu thế giới phải kể đến là: Western
Digital, Seagate, Hitachi, Samsung,… Các hãng này hiện đang cạnh tranh nhau
gay gắt về giá cả cũng như dung lượng, tính năng của ổ đĩa cứng.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
10
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
CHƯƠNG 2

trục quay ra tới rìa đĩa. Mỗi vòng trong đồng tâm trên đĩa gọi là Track. Track có
thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các đĩa nhựa (ghi
âm nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này không có các gờ
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
12
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
phân biệt và chúng là các vòng tròn đồng tâm chứ không nối tiếp nhau thành
dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa. Track trên ổ đĩa cứng không cố định từ khi sản
xuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi định dạng cấp thấp ổ đĩa (low format).
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).
Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểm
tra bằng các phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (bad block) thì có
nghĩa là phần cơ của nó đã rơ rão và làm việc không chính xác như khi mới sản
xuất, lúc này thích hợp nhất là format cấp thấp cho nó để tương thích hơn với
chế độ làm việc của phần cơ.
Cylinder bao gồm những track có chung một tâm và đồng trục nằm trên
những mặt đĩa từ. Tập hợp các track cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các mặt
đĩa khác nhau thành các cylinder.
Hình 11: Hình mô tả 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.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
13
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

có tốc độ cao như thế này thì các nhà sản xuất luôn khuyến cáo người tiêu dùng
nên trang bị thêm quạt giải nhiệt để kéo dài tuổi thọ và dữ liệu của ổ cứng. Nhờ
có tốc độ cao như thế mà các ổ cứng thế hệ sau này đều có khả năng đọc hết tất
cả mọi sector trên cùng một track chỉ bằng một vòng quay. Tốc độ của motor
trục quay luôn luôn là một hằng số, nếu nó bị thay đổi có nghĩa là ổ cứng đó
không thể sử được nữa.
2.2.2. Đầu từ, thanh mang đầu từ
Đầu từ 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 lớn 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 từ này được gắn vào các cánh tay kim loại
dài(gọi là thanh mang đầu từ) điều khiển bằng môtơ. Các vi mạch tiền khuếch
đại của đầu từ thường được gắn trên tấm vi mạch in nhỏ nằm trong bộ dịch
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
15
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
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.
Hình 14: Đầu từ(head)
Đầu từ 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 từ 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 từ luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng, có nghĩa

và chống ẩm. Giữa đầu từ và mặt đĩa từ có một khoảng không gian cực nhỏ có
thể nói là siêu nhỏ. “Ở giữa mặt đĩa từ và đầu từ là một khoảng không gian siêu
nhỏ trong môi trường chân không bên trong ổ cứng” chứ không phải là “giữa ổ
cứng và đầu đọc có một lớp đệm không khí hoặc lớp đệm từ trường” như một số
bài báo và sách đã đề cập đến. Tốc độ mô tơ quay đĩa từ rất cao khi quay sẽ tạo
ra gió nếu như ta mở nắp đậy ổ cứng ra, nếu có không khí bên trong ổ cứng thì
khi đĩa từ quay với tốc độ cao như thế sẽ tạo gió làm rung và có thể thổi bay
luôn cả những đầu đọc đồng thời trong không khí có rất nhiều bụi bẩn trong khi
đó mặt đĩa từ phải luôn luôn sạch bóng. Do đó bên trong ổ cứng phải là môi
trường chân không. Ổ cứng là một thiết bị lưu trữ dữ liệu bằng từ tính, đầu từ
đọc và ghi bằng từ tính và mặt đĩa từ cũng có độ nhạy từ rất cao như thế thì
không thể nào ở giữa đầu đọc và đĩa từ lại có thêm một lớp đệm từ trường.
Hình 16: Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ
2.2.3. Bảng mạch điều khiển
Bảng mạch điều khiển gồm có Mạch điều khiển và Mạch xử lý dữ
liệu.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
18
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Mạch xử lý dữ liệu dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa cứng.
Mạch điều khiển có nhiệm vụ điều khiển mô tơ trục quay đĩa từ, điều khiển sự
di chuyển của thanh mang đầu từ để đảm bảo đến đúng vị trí trên bề mặt đĩa. Ổ
đĩa cứng được điều khiển bởi các mạch điện tử tương đối phức tạp. Bảng mạch
điều khiển được gắn dưới bộ khung cơ khí và chứa hoàn toàn các mạch cần thiết
để truyền tải các tín hiệu điều khiển và dữ liệu với bộ giao diện vật lý riêng, điều
khiển đầu từ, thực hiện đọc/ghi theo yêu cầu và để quay các đĩa từ. Mỗi một
chức năng kể trên phải được thực hiện hoàn hảo với độ chính xác cao.
Hình 17: Toàn bộ bảng mạch điều khiển của ổ đĩa cứng
Bảng mạch điều khiển bao gồm chip điều khiển toàn mạch, chip điều
khiển vào/ra, bộ nhớ đệm cho ổ cứng (HDD cache), một ổ cắm nguồn 5+ 5- 12-

thuộc vào sự dư thừa RAM trên hệ thống.
Hiện nay tuy các nhà sản xuất đang ngày càng một nâng cao tốc độ của ổ
cứng nhưng chắc chắn là tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng sẽ không bao giờ
có thể nhanh bằng RAM (Random Access Memory - bộ nhớ truy xuất ngẫu
nhiên). Để giảm bớt phần nào khoảng cách đó, các nhà sản xuất phần cứng và
phần mềm đã tạo ra bộ đệm ổ cứng (disk cache). Bộ đệm của ổ cứng sử dụng
một phần của RAM để lưu trữ những thông tin thường xuyên được các ứng
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
20
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
dụng truy nhập. Chính việc lưu trữ những thông tin này trên RAM, bộ đệm đã
giúp tốc độ truy xuất dữ liệu nhanh hơn và giúp kéo dài tuổi thọ của ổ cứng.
Nguyên tắc hoạt động của bộ đệm khá đơn giản: những dữ liệu thường xuyên
được truy nhập sẽ được lưu trữ trong RAM khi đó nếu có ứng dụng yêu cầu truy
cập những dữ liệu này thì những dữ liệu này sẽ được lấy ra trực tiếp từ RAM
chứ không cần ổ cứng phải làm những công vịêc như: quay đĩa, xác định vị trí
đầu đọc, tìm kiếm…
Có 4 kiểu bộ đệm ổ cứng chính:
- Bộ đệm “mềm” (Software disk caches): sử dụng một phần bộ nhớ chính của
máy (PC RAM – main memory) để truy xuất và lưu trữ tạm thời một phần dữ
liệu của ổ cứng. Loại bộ đệm này do một chương trình tao và quản lý cho nên
không cần đế những phần cứng hỗ trợ đặc biệt. VCACHE chính là một ví dụ
thực tế về bộ đệm mềm.
- Bộ đệm “cứng” (on-board disk caches): sử dụng bộ nhớ và bộ điều khiển cache
được thiết kế ngay trên board mạch của ổ cứng. Mặc dù nó không hề sử dụng
bất cứ một phần RAM nào của bộ nhớ chính (computer RAM) để làm công việc
lưu trữ tạm thời nhưng chúng có dung lượng rất thấp (128KB->2MB cá biệt có
thể lên đến 4MB) và cực kỳ đắt tiền.
- Bộ đệm “riêng” (disk caching controllers): tương tự như bộ đệm cứng, bộ đệm
riêng sử dụng bộ nhớ riêng (có cấu trúc khác RAM) nhưng bộ nhớ và bộ điều

(cache controllers chip) và cuối cùng là tổ chức của bộ nhớ làm cache (cho phép
đọc/ghi dữ liệu tuỳ ý hoặc chỉ có thể đọc hoặc ghi từ đầu đến cuối). Tuy nhiên
tác dụng của bộ cache sẽ mất hoặc giảm đi rất nhiều nếu như ổ cứng đã được
defragment (phần này chúng tôi sẽ nói kỹ hơn ở phần Cấu trúc File System).
VCACHE: Windows có một driver ảo gọi là VCACHE có nhiệm vụ quản
trị bộ nhớ đệm cho ổ cứng. VCACHE chính là một sự thay thế cho “bộ đệm
mềm” của DOS và các version Windows trước đó (thường được gọi là
SmartDrive). VCACHE có khả năng thay đổi rất nhanh dung lượng bộ nhớ mà
nó sử dụng, điều mà các trình quản lý bộ đệm trong DOS không thể làm được.
Khi đĩa cứng hoạt động liên tục (chép file hoặc đọc file lớn) trong khi đó việc
truy cập bộ nhớ lại thấp thì nó sẽ tự động điều chỉnh kích thước bộ đệm (tăng
lên) cho phù hợp để RAM có thể chia sẻ bớt một phần công việc của đĩa cứng.
Nguợc lại, khi ổ cứng ít hoạt động (ít truy xuất dữ liệu) nhưng RAM lại liên tục
có lệnh truy xuất (khi chạy các ứng dụng tính toán cao cấp) thì nó sẽ tự động
điều chỉnh kích thước bộ đệm ( giảm xuống) để có được dung lượng RAM tối đa
cho các ứng dụng tính toán. VCACHE hoàn toàn có khả năng tạo ra những file
cache (còn gọi là swap file) ngay trên ổ cứng mạng (98,Me). Nó sử dụng quá
trình “đọc trước – ghi từ cache xuống” (read-ahead and write-behind caching).
VCACHE là một ví dụ điển hình của “bộ đệm mềm” (software disk cache):
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
22
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
- Đọc trước (read-ahead) : là một phương pháp xem xét thử phần dữ liệu nào sẽ
được ứng dụng yêu cầu truy xuất kế tiếp rồi đọc nó vào bộ nhớ, nó luôn luôn
được kích hoạt khi máy vi tính đang trong trạng thái nghỉ ngơi (Standby) hoặc ít
hoạt động (Idle). Kết quả của phương pháp này là giảm được nhiều chuyển động
của đầu đọc và đĩa cứng hoạt động êm hơn (không đọc nhiều nên không gây
tiếng ồn).
- Ghi từ cache xuống (write-behind caching): cũng cho kết quả tương tự nhưng
nó còn bao gồm luôn công việc giữ phần dữ liệu trong cache để chúng đuợc ghi