1


2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu về thiết bị lưu trữ dữ liệu từ tính
Trường: Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thanh Hải
Nhóm thực hiện: Nhóm số 9
Lớp: KHMT 1 – k10
Thành viên
Nhóm trưởng: Ngô Văn Sơn
Nguyễn Thế Quyền
Nguyễn Văn Hải
Nguyễn Viết Hoàng

1.
2.
3.
4.
5. Nguyễn Minh Quang

Yêu cầu: Trình bày được cấu tạo và nguyên lý ghi/đọc dữ liệu của ổ đĩa từ
(đĩa cứng). Các thông số và đặc tính kỹ thuật của ổ đĩa cứng ngày nay.


1.3 Cụm mạch điện
Hình 1
• 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...
1.4 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.
1.5 Đĩa từ

Hình 2.4: Ổ đĩa từ

Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ 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.

sector là phần nhỏ cuối cùng được chia ra để chứa dữ liệu. Theo chuẩn thông thường thì
7


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 ổ đĩa cứng
đều chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau.
Bảng trên cho thấy các khu vực với các thông số khác nhau và sự ảnh hưởng của chúng
đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ cứng Các khu vực ghi dữ liệu của ổ đĩa cứng Hitachi
Travelstar 7K60 2,5".
1.8 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.

• Sử dụng động cơ bước để truyền chuyển động.
• Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần bằng lực từ.
2. Đọc/ghi dữ liệu trên ổ đĩa từ
2.1 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:
1. 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.
2. Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu theo phương thức
riêng của nó.

2.2 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.

Để hiểu dữ liệu được đọc, viết trong ổ cứng và các thiết bị lưu trữ tù tính khác , chúng ta
cần nhớ đặc điểm sau:
+ Tất cả các dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh chúng khi có dòng điện chạy qua.
+ Một từ trường đủ mạnh có thể sinh ra dòng điện trong một dây dẫn.
+ Chiều của từ trường phụ thuộc vào chiều của dòng điện và ngược lại.
Đó là tất cả những gì cơ bản nhất mà bạn cần biết để hiểu dữ liệu được đọc, ghi trên ổ
cứng như thế nào.
Có một vật liệu dẫn hình chữ U có cuộn dây dẫn xung quanh ( man châm hình móng
ngựa ) để làm đầu đọc ghi trên ổ cứng. Trong quá trình ghi số liệu lên ổ cứng, một dòng
điện được cung cấp vào cuộn dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh đầu đọc ghi.
Trường này sẽ từ hoá bề mặt bên dưới đầu đọc ghi , những hạt từ tính được sắp thành
hàng, chúng theo chiều trái hoặc phải phụ thuộc vào chiều của dòng điện được cung cấp
qua cuộn dây dẫn. Bit được lưu trữ liên tiếp trong các hạt từ tính.

10


Trong quá trình đọc dữ liệu trên ổ cứng, khi đầu đọc ghi qua vùng có từ trường xuất hiện
dòng điện trong cuộn dây dẫn, chiều của dòng điện phụ thuộc vào chiều của từ trường mà
đầu đọc ghi đi qua, nó cho phép mạch điều khiển ổ đĩa đọc được Bit đã lưu trữ.
Ghi vuông góc và ghi dọc
Mỗi một bảng lưu trữ trong ổ đĩa được làm bằng nhôm hoặc kính và trên bề mặt của nó
có một lớp vật liệu từ, thông thường là Oxit kim loại trộn với vật liệu khác.
Như phần trên chúng ta đã nói rằng đầu đọc ghi từ hoá những hạt từ tính trên bề mặt đĩa
tuỳ theo dòng điện cung cấp. Chúng ta cũng thấy thứ tự của những hạt từ hoá đại diện
cho Bit dữ liệu được lưu trữ.
Trong công nghệ ghi dọc, hiện nay đang sử dụng trên nhiều ổ cứng trên thị trường, những
hạt từ nằm theo chiều ngang và chúng nằm cạnh nhau trên bề mặt ổ cứng . Bạn xem hình
dưới đây


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
3.3 Các thông số về thời gian trong ổ đĩa cứng
Thời gian tìm kiếm trung bình: (Average Seek Time) là khoảng thời gian trung bình (theo
mili giây: ms) mà đầu đọc có thể di chuyển từ một cylinder này đến một cylinder khác
ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng). Thời gian tìm kiếm trung bình được cung cấp bởi nhà sản
xuất khi họ tiến hành hàng loạt các việc thử việc đọc/ghi ở các vị trí khác nhau rồi chia
cho số lần thực hiện để có kết quả thông số cuối cùng.
Thông số này càng thấp càng tốt.
Thời gian tìm kiếm trung bình không kiểm tra bằng các phần mềm bởi các phần mềm
không can thiệp được sâu đến các hoạt động của ổ đĩa cứng.
Thời gian truy cập ngẫu nhiên: (Random Access Time): Là khoảng thời gian trung bình để
đĩa cứng tìm kiếm một dữ liệu ngẫu nhiên. Tính bằng mili giây (ms).
Đây là tham số quan trọng do chúng ảnh hưởng đến hiệu năng làm việc của hệ thống, do
đó người sử dụng nên quan tâm đến chúng khi lựa chọn giữa các ổ đĩa cứng. Thông số
này càng thấp càng tốt.
Tham số: Các ổ đĩa cứng sản xuất gần đây (2007) có thời gian truy cập ngẫu nhiên trong
khoảng: 5 đến 15 ms.
Thời gian làm việc tin cậy MTBF: (Mean Time Between Failures) được tính theo giờ
(hay có thể hiểu một cách đơn thuần là tuổi thọ của ổ đĩa cứng). Đây là khoảng thời gian
mà nhà sản xuất dự tính ổ đĩa cứng hoạt động ổn định mà sau thời gian này ổ đĩa cứng có
thể sẽ xuất hiện lỗi (và không đảm bảo tin cậy).

Standard

Phát triển
(năm)

13


ATA-1

1988

ATA-2

1993

ATA-3

1995

ATA-4

1996

ATA-5

1998

ATA-6


mặt đĩa (phương từ song song hoặc vuông góc với bề mặt đĩa): dẫn đến tốc độ
đọc/ghi cao hơn.
• Dung lượng bộ nhớ đệm: Ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu tức thời trong một
thời điểm.
Bảng so sánh sau tốc độ giữa các vùng ở các ổ cứng khác nhau dưới đây sẽ giúp chúng ta
nhận ra một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng.
14


Ổ đĩa cứng Ultra-ATA/100 Hitachi (IBM) Deskstar 120GXP
Vùng
Vùng ngoài
Vùng trong
Trung bình
Ổ đĩa cứng Maxtor DiamondMax D540X-4G120J6 120GB ATA
Vùng ngoài
Vùng trong
Trung bình
Như vậy ta thấy rằng tốc độ truyền dữ liệu thực sự ở mức trung bình 42,27 MBps ở ổ đĩa
có giao tiếp Ultra-ATA/100 (với tốc độ thiết kế truyền dữ liệu 100 MBps) chỉ gần bằng
1/2 so với tốc độ giao tiếp.
Đa phần tốc độ truyền dữ liệu
trên các chuẩn giao tiếp thấp
hơn so với thiết kế của nó bởi có
nhiều thông số ảnh hưởng đến
tốc độ truyền dữ liệu của ổ cứng
cũng như: tốc độ quay của đĩa
từ, số lượng đĩa từ trong ổ đĩa cứng, công nghệ chế tạo, dung lượng bộ nhớ đệm…
Tốc độ truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp SAS tăng qua các năm


tiêu so sánh giữa các ổ đĩa cứng trong sự lựa chọn trong sự sử dụng thông thường.
3.10 Độ ồn
Độ ồn của ổ đĩa cứng là thông số được tính bằng dB, chúng được đo khi ổ đĩa cứng đang
làm việc bình thường.
Ổ đĩa cứng với các đặc trưng hoạt động là các chuyển động cơ khí của các đĩa từ và cần
di chuyển đầu đọc, do đó chúng không tránh khỏi phát tiếng ồn. Do ổ đĩa cứng thường có
độ ồn thấp hơn nhiều so với bất kỳ một quạt làm mát hệ thống nào đang làm việc nên
người sử dụng có thể không cần quan tâm đến thông số này.
Những tiếng “lắc tắc” nhỏ phát ra trong quá trình làm việc của ổ cứng một cách không
đều đặn được sinh ra bởi cần đỡ đầu đọc/ghi di chuyển và dừng đột ngột tại các vị trí cần
định vị để làm việc. Âm thanh này có thể giúp người sử dụng biết được trạng thái làm
việc của ổ đĩa cứng mà không cần quan sát đèn trạng thái HDD.
3.11 Chu trình di chuyển
Chu trình di chuyển của cần đọc/ghi (Load/Unload cycle) được tính bằng số lần chúng
khởi động từ vị trí an toàn đến vùng làm việc của bề mặt đĩa cứng và ngược lại. Thông số
này chỉ một số hữu hạn những lần di chuyển mà có thể sau số lần đó ổ đĩa cứng có thể
gặp lỗi hoặc hư hỏng.
Sau mỗi phiên làm việc (tắt máy), các đầu từ được di chuyển đến một vị trí an toàn nằm
ngoài các đĩa từ nhằm tránh sự va chạm có thể gây xước bề mặt lớp từ tính, một số ổ đĩa
có thiết kế cần di chuyển đầu đọc tự động di chuyển về vị trí an toàn sau khi ngừng cấp
điện đột ngột. Nhiều người sử dụng năng động có thói quen ngắt điện trong một phiên
làm việc trên nền DOS (bởi không có sự tắt máy chính thống) rồi tháo ổ đĩa cứng cho các
công việc khác, quá trình di chuyển có thể gây va chạm và làm xuất hiện các khối hư
hỏng (bad block).
Chu trình di chuyển là một thông số lớn hơn số lần khởi động máy tính (hoặc các thiết bị
sử dụng ổ đĩa cứng) bởi trong một phiên làm việc, ổ đĩa cứng có thể được chuyển sang
chế độ tạm nghỉ (stand by) để tiết kiệm điện năng nhiều lần.
3.12 Chịu đựng sốc
Chịu đựng sốc (Shock - half sine wave): Sốc (hình thức rung động theo nửa chu kỳ sóng,
thường được hiểu là việc giao động từ một vị trí cân bằng đến một giá trị cực đại, sau đó

2. Đảm bảo sự đồng đều về môi trường bên trong và bên ngoài của ổ đĩa cứng, tránh sự
biến đổi (do nhiệt độ thay đổi đột ngột) với các thiết bị cơ khí bên trong khi nhiệt độ
của ổ đĩa cứng tăng lên sau một thời gian hoạt động.

3.14 Thời gian thích nghi cần thiết
(xem bảng)
Tương tự việc đưa một máy tính xách tay từ ngoài trời ở xứ lạnh vào trong phòng làm
việc ấm áp cũng nên để thời gian chờ như vậy bởi trong máy tính xách tay cũng có các ổ
đĩa cứng - trừ trường hợp khi ở ngoài trời (xứ lạnh) máy đang hoạt động (đảm bảo nó
không bị đóng băng tuyết bên trong ổ đĩa cứng).
Với nhiệt độ theo bảng ta có thể thấy rằng khí hậu ở Việt Nam hoặc các nước gần xích
đạo khác có nhiệt độ trung bình cao có lẽ ít cần có thời gian thích ứng trước khi đưa ổ đĩa
cứng vào sử dụng (trừ những vùng có thể có nhiệt độ thấp và xuất hiện tuyết như Sa Pa ở
Việt Nam)

18


Nhiệt độ
trước khi
hoạt động
+40°F (+4°C)
+30°F (-1°C)
+20°F (-7°C)
+10°F (-12°C)
0°F (-18°C)
-10°F (-23°C)
-20°F (-29°C)
-30°F (-34°C)
hoặc nhỏ hơn

của bộ nhớ đệm (cache) của ổ đĩa cứng: Dữ liệu chứa trên chúng không bị mất đi khi mất
điện.
Trong quá trình làm việc của ổ cứng lai, vai trò của phần bộ nhớ flash như sau:
+ Lưu trữ trung gian dữ liệu trước khi ghi vào đĩa cứng, chỉ khi máy tính đã đưa các dữ
liệu đến một mức nhất định (tuỳ từng loại ổ cứng lai) thì ổ đĩa cứng mới tiến hành ghi dữ
liệu vào các đĩa từ, điều này giúp sự vận hành của ổ đĩa cứng tối hiệu quả và tiết kiệm
điện năng hơn nhờ việc không phải thường xuyên hoạt động.
+ Giúp tăng tốc độ giao tiếp với máy tính: Việc đọc dữ liệu từ bộ nhớ flash nhanh hơn so
với việc đọc dữ liệu tại các đĩa từ.
•

Giúp hệ điều hành khởi động nhanh hơn nhờ việc lưu các tập tin khởi động của hệ
thống lên vùng bộ nhớ flash.

•

Kết hợp với bộ nhớ đệm của ổ đĩa cứng tạo thành một hệ thống hoạt động hiệu
quả.

Những ổ cứng lai được sản xuất hiện nay thường sử dụng bộ nhớ flash với dung lượng
khiêm tốn ở 256 MB bởi chịu áp lực của vấn đề giá thành sản xuất. Do sử dụng dung
lượng nhỏ như vậy nên chưa cải thiện nhiều đến việc giảm thời gian khởi động hệ điều
hành, dẫn đến nhiều người sử dụng chưa cảm thấy hài lòng với chúng. Tuy nhiên người
sử dụng thường khó nhận ra sự hiệu quả của chúng khi thực hiện các tác vụ thông thường
hoặc việc tiết kiệm năng lượng của chúng.
Hiện tại (2007) ổ cứng lai có giá thành khá đắt (khoảng 300 USD cho dung lượng 32 GB)
nên chúng mới được sử dụng trong một số loại máy tính xách tay cao cấp. Trong tương
lai, các ổ cứng lai có thể tích hợp đến vài GB dung lượng bộ nhớ flash sẽ khiến sự so
sánh giữa chúng với các ổ cứng truyền thống sẽ trở lên khác biệt hơn.
20

đơn (hai ổ 80GB chạy RAID 1 sẽ cho hệ thống nhìn thấy duy nhất một ổ RAID 80GB).
+ Hoạt động: (n=2)Dữ liệu được ghi vào 2 ổ giống hệt nhau (Mirroring). Trong trường
hợp một ổ cứng đơn bị trục trặc, ổ cứng đơn còn lại còn lại sẽ tiếp tục hoạt động bình
thường. Bạn có thể thay thế ổ đĩa cứng đơn bị hỏng mà không phải lo lắng đến vấn đề
thông tin thất lạc.
+ Ưu điểm: Tốc độ đọc/ghi và dung lượng lưu trữ = ổ cứng đơn. Đảm bảo an toàn dữ
liệu. Raid 1 là chuẩn RAID không thể thiếu đối với người quản trị mạng hoặc những ai
phải quản lý nhiều thông tin quan trọng.
+ Khuyết điểm: Không phải là lựa chọn cho người say mê tốc độ. Hiệu năng không phải
là yếu tố hàng đầu. Không gia tăng dung lượng lưu trữ.
RAID 5 là sự cải tiến của RAID 0,có cung cấp cơ chế khôi phục dữ liệu, các Parity dùng

để khôi phục dữ liệu được phân bố đồng đều trên tất cả các ổ đĩa cứng. Giả sử dữ liệu A
được phân tách thành 3 phần A1, A2, A3 , khi đó dữ liệu được chia thành 3 phần chứa
trên các ổ đĩa cứng 0, 1, 2 (giống như RAID 0). Phần ổ đĩa cứng thứ 3 chứa Parity (Ap)
của A1 A2 A3 để khôi phục dữ liệu có thể sẽ mất ở ổ đĩa cứng 0, 1, 2. Dữ liệu B được
chia thành B1 B2 B3 và Parity của nó là Bp, theo thứ tự B1 B2 B3 được lưu trữ tại ổ 0 1
21


3, và Bp được lưu trữ tại ổ 2. Các Parity được lưu trữ tuần tự
trên các ổ đĩa
cứng. RAID 5 cho phép tối đa có 1 ổ cứng bị chết tại một
thời điểm, nếu
có nhiều hơn 1 ổ cứng bị chết tại một thời điểm thì toàn bộ
dữ liệu coi như
mất hết. RAID 5 cũng yêu cầu các ổ cứng tham gia RAID
phải có dung
lượng bằng nhau. Dung lượng chính xác cuối cùng của RAID 5 được tính bằng cách:
(Dung lượng của 1 ổ cứng)x(Số lượng các ổ cứng tham gia RAID) - (Dung lượng 1 ổ