Tổng quan về Ổ cứng - Hard Disk Drive (HDD)
Welcome to my “Just about Hard Disk Drive” Tutorial ! Tôi đã tốn khá nhiều thời gian cho việc chỉnh sửa bộ tutor này
đồng thời cũng quyết định bỏ ra 150.000 đ để mua một cái ổ cứng 2.1GB của Seagate về chụp hình minh hoạ (chụp
bằng webcam của tiệm nên chất lượng hơi kém) cho các bạn dễ hiểu. Đồng thời trong bộ tutor này tôi cùng một số
bạn trong nhóm đã cố gắng hết sức “dùng những gì gần gũi và đơn giản nhất trong đời thường để mô tả và minh họa
thay thế cho các từ ngữ chuyên môn rất khó hiểu, phức tạp”. Mặc dù đã được kiểm tra kỹ nhưng tất nhiên nó sẽ còn
rất nhiều thiếu sót mong các lão cùng nhau đọc và góp ý để tôi sớm khắc phục.
1/ Cơ bản về ổ cứng (HDD):
Trên thị trường hiện nay ổ cứng xuất hiện rất nhiều và có rất nhiều chuẩn giao tiếp như IDE, SCSI, SATA… Trong bộ
Tutorial này tôi chỉ lấy duy nhất chuẩn ổ cứng IDE (Intergrate Drive Electronics) để phân tích và minh họa.
A. Cấu trúc vật lý của ổ cứng:
Ổ cứng (Harddisk driver) là một kiểu thiết bị lưu trữ dữ liệu (storage device). Mục đích chính của các nhà sản xuất
trong việc chế tạo ra thiết bị này đó chính là lưu trữ dữ liệu. Mục đích chính của các nhà sản xuất trong việc chế tạo ra
thiết bị này đó chính là lưu trữ dữ liệu và để thay thế đĩa mềm (tại thời điểm HDD ra đời chưa có các loại ổ đĩa quang
như CD-ROM hay ZIP). Có một số nhược điểm làm hạn chế tiện ích và độ tin cậy của đĩa mềm. Ngay cả các ổ đĩa mềm
tốt nhất cũng quá chậm khi đọc/ghi dữ liệu, lại tiêu thụ điện năng nhiều so với các thiết bị khác trong máy tính. Ổ đĩa
mềm còn bị hạn chế về dung lượng lưu trữ, việc chuyển đỗi giữa nhiều đĩa là cách làm bất tiện và không tin cậy. Nhu
cầu về một thiết bị lưu trữ lớn và cố định đã làm nảy sinh ra ổ đĩa cứng (ổ cứng) vào những năm đầu của thập kỷ 80.
Đương nhiên khả năng lưu trữ lớn lại đẩy mạnh hơn nữa sự phát triển của máy tính. Hiện nay ổ cứng là một thiết bị
chuẩn trong các loại máy tính.
Cấu tạo của ổ cứng:
Bộ khung
Đĩa từ
Các đầu đọc/ghi
Bộ dích chuyển đầu từ:
Mô tơ trục quay
Các loại mạch điện của ổ cứng
1. Bộ khung:
Bộ khung cơ khí rất quan trọng đối với hoạt động chính xác của ổ đĩa cứng, ảnh hưởng đến sự hợp nhất về cấu trúc,
về nhiệt và về điện của ổ đĩa. Khung cần phải cứng và tạo nên một cái nền vững chắc để lắp ráp các bộ phận khác.
Các ổ đĩa cứng thường dùng khung nhôm đúc, nhưng các ổ cứng loại nhỏ của máy tính xách tay thường dùng vo

Hệ thống servo sử dụng sự lệch pha của các xuung tín hiệu của các rãnh kế cận để xác định đầu từ có được đặt đúng
giữa rãnh hay không.[/I]
5. Môtơ trục quay
Một trong những yếu tố xác định chất lượng của ổ cứng là tốc độ mà đĩa từ lướt qua dưới đầu đọc/ghi. Đĩa từ lướt qua
đầu từ với tốc độ khá cao (ít nhất là 3600 vòng/phút). Môtơ trục (spindle môtơ) có chức năng làm quay các đĩa từ.
Môtơ trục là loại môtơ không có chỗi quét, chiều cao thấp, dùng điện một chiều, tương tự như môtơ trong ổ đĩa mềm.
Khi môtơ được cấp điện, một từ trường được tạo ra trong các cuốn dây môtơ. Khi điện cắt, năng lượng từ trường lưu
trữ trong các cuộn dây môtơ được giải phóng dưới dạng xung điện thế ngược. [I]Kỹ thuật Hãm động (dynamic
braking) sẽ sử dụng năng lượng của xung điện thế ngược đó để làm dừng đĩa lại.[/I]
Các mạch điện tử của ổ cứng
Nhìn thẳng vào ổ cứng bộ phận đầu tiên mà chúng ta thấy chính là bo mạch điều khiển. Ổ đĩa cứng được điều khiển
bởi các mạch điẹn tử tương đối phức tạp. Mạch điện tử được gắn dưới bộ khung 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 đọc/ghi, 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. Bo
mạch điều khiển này bao gồm bộ chip controller, chip input/output IO, bộ nhớ đệm cho ổ cứng (HDD cache), một ổ
cắm nguồn 5+ 5- 12- 12+, và chân cắm chuẩn IDE 39/40 chân. Đối với các thế hệ ổ cứng trước đây bộ nhớ đệm rất
thấp chỉ có từ 512kb trở xuống còn với các thế hệ ổ cứng hiện đại sau này thì số lượng cache rất cao từ 1Mb trở lên.
Trong bo mạch của ổ cứng thì motor , chip controller và bộ nhớ đệm đóng vai trò rất quan trọng. Bộ nhớ đệm càng
cao thì tốc độ truy xuất dữ liệu trên ổ cứng sẽ nhanh hơn rất nhiều và vấn đề sai sót dữ liệu cũng rất thấp. Tương tự ,
tốc độ quay của motor và khả năng điều khiển của bộ controller cũng không kém phần quan trọng, nếu tốc độ của ổ
cứng (rpm - revolution per minute - số vòng trên phút) càng cao thì tốc độ truy xuất dữ liệu sẽ càng nhanh.
Các khái niệm của ổ cứng:
Rãnh (track)
Cung từ (Sector)
Xi lanh (Cylinder)
.....
-Track (rãnh) :
Có thể coi mỗi mặt đĩa cứng là một trường hai chiều: cao và rộng. Theo kiểu hình học này thì dữ liệu được ghi vào các
vòng tròn đồng tâm, phân bố từ trục quay ra tới rìa đĩa. Mỗi vòng trong đồng tâm trên đĩa gọi là track. 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

vì thế ngày nay người ta không còn sản xuất những loại ổ cứng như thế mà thay vào đó là những loại ổ cứng được
thiết kế “motor trợ động” (servo-motor) có cấu trúc đơn giản hơn motor dịch chuyển rất nhiều và thời gian dịch
chuyển nhanh đồng thời rất ít bị hư hại. Motor trợ động đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đọc ghi của đầu
đọc. Tốc độ của motor trợ động phải đồng bộ với tốc độ của motor chính (motor quay đĩa từ) nếu không sẽ không thể
đọc chính xác được dữ liệu. Cấu trúc motor trợ động khá đơn giản nó không như một motor thông thường mà chỉ đơn
thuần là một bộ phận chuyển động có giới hạn trong một góc quay nhất định. Motor trợ động chỉ là một bộ khung có
quấn cuộn cảm phát sinh lực từ để chuyển động và một nam châm có lực hút rất mạnh được gắn vào khung điều
khiển của đầu đọc. Ở trạng thái binh thường không hoạt động motor trợ động sẽ tự động đưa đầu đọc vào khoang
trống, một khoảng không trống có khung bảo vệ bên ngoài các đĩa từ, để tránh rủi ro tối đa cho các đầu đọc cực nhỏ
được gắn trên cần đọc. Bên trong ổ cứng là một môi trường chân không hoàn toàn và chống ẩm. Giữa đầu đọc và mặt
đĩa từ có một khoảng không gian cực nhỏ có thể nói là siêu nhỏ. Ở đây tôi cũng xin khẳng định lại là “ở giữa mặt đĩa
từ và đầu đọc 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 motor 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 như là “xe lửa cao tốc” được.
Tốc độ quay của motor chính (motor quay đĩa từ) : Thông thường thì các loại đĩa cứng hiện nay có tốc độ quay từ
5200rpm đến 7200rpm. Không chỉ có thế trên thị trường hiện nay đã có những loại ổ cứng chuyên dụng “đụng nóc”
với khả năng có tốc độ đến 10000rpm. Tốc độ quay giữ một vai trò thiết yếu đến tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng,
quay càng nhanh thì đọc và ghi càng nhanh nhưng như thế cũng đồng nghĩa là ổ cứng sẽ kêu to hơn và mau nóng
hơn. Khi ổ cứng nóng lên (có nghĩa là đĩa từ cũng sẽ nóng lên theo) sẽ làm cho lực từ bị hao hụt và “nhiễu” lúc đó dữ
liệu đọc và ghi sẽ có rất nhiều vấn đề. Với những loại ỗ cứng 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 quay đĩa từ luôn luôn là một hằng số , nếu nó bị thay đổi có nghĩa là ổ cứng đó
không thể sử được nữa.
Thời gian tìm, thời gian chuyển đầu đọc và thời gian chuyển cylinder: Cách tổ chức dữ liệu trên ổ cứng là cách tổ chức

trên những cluster, cho dù đó là một file (hoặc một phần của file) chỉ chiếm dụng một phần
hoặc toàn bộ không gian của cluster thì điều đó cũng được coi là đã sử dụng một phần không
gian của ổ cứng. Hiếm khi nào dung lượng của một file vừa bằng tổng dung lượng một số
cluster. Nói như thế là vì thông thường cluster cuối cùng lưu trữ một phần dữ liệu của file
thường chứa luôn cả những không gian trống không dùng đến mà người ta vẫn thường gọi là
“không gian rỗng” ở phần cuối của cluster. Ta thử làm một phép tính đơn giản để minh hoạ
vấn đề này:
Cho 1 cluster = 4 KB; ta có 1 file test.txt dung lượng 14 KB như vậy khi ta lưu file test.txt
xuống đĩa cứng file này sẽ được tách thành 4 cluster lần lượt là :
Joined: 2-January 04
Member No.: 56098
Cluster 1 -> 4KB đầu tiên
Cluster 2 -> 4KB tiếp theo
Cluster 3 -> 4KB tiếp theo
Cluster 4 (cluster cuối cùng) ->lưu trữ 2KB còn lại và 2KB bị bỏ trống
2KB bỏ trống này không thuộc về bất cứ file nào, không lưu bất cứ dữ liệu nào vì cluster 4 đã
được chỉ định thuộc về file test.txt do đó đây là một khoảng không gian rỗng hay nói khác đi
“chúng ta đã phí phạm một khoảng không gian trên ổ cứng” - đây chính là một trong những
điểm khác nhau và tiến bộ giữa các thế hệ FAT File System mà chúng tôi sẽ nói đến trong phần
hệ thống file của OS ở phần sau. Mặc dù thế nhưng rõ ràng cái mà người ta nhận được từ
cluster là rất đáng kể, nó làm tăng hiệu năng làm việc của ổ cứng và giúp hệ điều hành quản lý
file tốt hơn nhiều so với việc bắt hệ điều hành và ổ cứng phải làm việc ở cấp độ sector.
Lost cluster: thông thường khi các bạn dùng các chương trình sửa ổ cứng nhất là scandisk/ndd
(chạy trên FATx File System) đôi khi bạn nhận được thông báo “Lost cluster found! Fix it ?”
Thật ra trong quá trong ổ cứng đọc và ghi dữ liệu, hệ điều hành có vai trò mở file/tạo file
(open/assign file) sau đó tiếp tục phát lệnh để ổ cứng ghi từng phần dữ liệu vào từng cluster
được chỉ định rồi cuối cùng ra lệnh đóng file (close file). Tuy nhiên đôi khi có một số trường
hợp khi ổ cứng đang ghi dữ liệu vào các cluster đã được chỉ định nhưng bất ngờ bị mất điện
hoặc kết thúc quá trình ghi dữ liệu nhưng lại không thực hiện quá trình đóng file, cho nên
những cluster này sẽ được công nhận là “đã được sử dụng” nhưng lại không thuộc về bất cứ

-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 khiển mà bộ đệm này sử dụng
là bộ nhớ và chíp điều khiển được gắn riêng rẽ trên một card điều khiển chứ không phải là trên
board mạch của ổ cứng và lẽ dĩ nhiên giá thành của chúng cực kì đắt. Tuy nhiên, bộ đệm riêng
lại hoạt động tốt và nhanh hơn rất nhiều so với bộ đệm cứng vì nó vượt qua được một số giới
hạn của những phần của ổ cứng mà bộ đệm cứng luôn bị ảnh hưởng.
-Buffers : ở đây chúng tôi không dịch hẳn từ buffer mà để nguyên như thế vì giữa buffers và
cache có những điểm rất giống nhau. Có rất nhiều tài liệu biên dịch hoặc nguyên bản hoàn
toàn không phân biệt giữa 2 khái niệm “cache” và “buffers” mà lại để nguyên là “bộ đệm” –
như vậy là không chính xác! Vậy giữa cache và buffers có gì khác nhau và giống nhau ? Có một
điểm duy nhất giống nhau giữa cache và buffers chính là “chúng đều là bộ nhớ đệm có tác
dụng lưu trữ tạm thời một số dữ liệu trên ổ cứng nhằm tăng tốc tốc độ truy xuất dữ liệu và
tăng tuổi thọ cho ổ cứng” và điểm khác nhau giữa chúng là :
Cache có tốc độ cao hơn nhiều so với buffers.
Cache phải cần đến bộ điều khiển cache - nếu là “cứng” thì cần phài có chíp điều khiển, còn
“mềm” thì phải cần phần mềm điều khiển – trong khi đó buffers chỉ là một con chíp nhớ đơn
giản không cần bộ điều khiển riêng.
Buffers gặp rất nhiều giới hạn trong các quá trình giao tiếp và chuyển đổi dữ liệu bởi vì khả
năng quản lý dữ liệu của nó rất kém. Khi lưu trữ dữ liệu tạm thời, buffer lưu trữ một lúc cả một