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

mảnh. Các đầu từ này có kích thước lứon 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 đọc/ghi này được gắn vào các cánh tay
kim loại dài điều khiển bằng các môtơ. Các vi mạch tiền khuếch đại của
đầu từ thường được gắn trên tấm vi mạch in nhỏ nằm trong bộ dịch
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.
4. Bộ dịch chuyển đầu từ:
Nhiều loại đĩa cứng sử dụng môtơ [I]cuộn dây di động (voice coil motor)
còn gọi là môtơ cuộn dây quay (rotary coil) hoặc servo để điều khiển
chuyển động của đầu từ. Các môtơ servo có kích thước nhỏ, nhẹ rất thích
hợp với ổ cứng nhỏ gọn và có thời gian truy cập nhanh.
Thách thức lớn nhất trong việc điều khiển đầu tư là giữ cho được nó đúng
ngay tâm rãnh mong muốn. Nói cách khác là các nhiễu loại khí động học,
các hiệu ứng nhiệt trên đĩa từ và các biến thiên của dòng điều khiển môtơ
servo có thể gây nên sai số trong việc điều định vịi đầu từ. Vị trí của đầu
từ phải luôn luôn được kiểm tra và điều chỉnh kịp thời để đảm bảo vị trí
rãnh thật chính xác. Quá trình hiệu chỉnh đầu từ theo rãnh gọi là phương
pháp servo đầu tư. Cần có thông tin để so sánh vị trí thực và vị trí mong
muốn của đầu tư.
Thông tin servo dành riêng (Dedicated servo information) được ghi trên
mặt đĩa từ dự trữ.
Thông tin servo nhúng (Embedded servo information) lại được mã hoá
thành các chùm dữ liệu ngắn đặt trên từng sector
Hệ thống servo sử dụng sự lệch pha của các xuung tín hiệu của các rãnh

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 từng track khác
nhau có độ lớn từ trong ra ngoài (Track 0>track 1 >track 2 >…>track
N>track N+1)
Sector (cung từ): Mỗi track là một vòng tròn dữ liệu có tâm là tâm của
trục quay đĩa từ. Một track chia thành rất nhiều cung, người ta gọi các
cung này là sector (cung từ). Sector là vùng vật lý chứa dữ liệu nhỏ nhất
trong ổ cứng kể cả khi đọc và ghi. Thông thường thì 1 sector chứa được
512 byte dữ liệu (US Windows). Mỗi track đều chia thành một lượng
sector nhất định. Tuy nhiên, vì các track bên ngoài bao giờ cũng lớn hơn
các track phía trong (gần trục) cho nên càng vào sâu các track phía trong
thì dung lượng mà 1 sector có thể chứa được càng thấp.
Cấu trúc của sector :
-Sector header (thông tin cơ bản) : lưu trữ các thông tin về vị trí đầu
đọc , cylinder, và số thứ tự vật lý của sector. Nó cũng đảm nhận luôn
nhiệm vụ xác định sector có sử dụng được hay không hoặc sector nào sẽ
lưu dữ liệu thay cho sector này. Thông tin cuối cùng mà sector header
cung cấp chính là giá trị của việc kiểm tra lỗi dữ liệu tuần hoàn (hay còn
gọi là lỗi chẵn lẽ CRC), giá trị này giúp cho các chương trình xác định
được sector header có chính xác hay không.

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.

track này sang track khác. Thời gian được tính theo đơn vị mili-giây (ms).
Thời gian tìm sector trên 1 track xác định (Rotational latency) hay còn gọi
là “góc trễ quay”: khi đầu đọc đã tìm được track xác định, bộ controller
tiếp tục thực hiện việc tìm sector trên track này. Lúc này đầu đọc sẽ
không di chuyển nữa mà sẽ đứng yên trong lúc đó đĩa từ quay liên tục
cho đến khi nào đầu đọc xác định được vị trí sector mà nó cần tìm. Thời
gian để làm công vịêc này gọi là “Thời gian tìm sector trên 1 track xác
định“ - Rotational latency. Tốc độ của ổ cứng càng nhanh thì thời gian tìm
sector trên 1 track càng ít. Thời gian trung bình mà đầu đọc tìm ra sector
chính xác trên 1 track là 4ms(7200rpm) đến 6ms(5400rpm)
Thời gian truy cập dữ liệu (Data Access time) : Thời gian truy cập dữ liệu
là tổng thời gian tìm kiếm, chuyển đầu đọc và tìm sector trên 1 track xác
định. Nói như thế là vì đầu tiên bộ controller phải xác định vị trí để đưa
đầu đọc đến vị trí trên cylinder cần tìm. Sau đó khi dữ liệu đã được đọc
hoặc ghi thì cần thêm thời gian để chuyển đầu đọc để tìm ra track và cuối
cùng sau khi xác định được track thì phải tốn thêm một ít thời gian cho
việc tìm ra đúng sector trên track đó.
Đây chì là 1 phần nhỏ trong "cấu trúc vật lý HDD" tôi sẽ post tiếp
sau..các lão thông cảm cho tôi tí
This post has been edited by DuongMedia: Feb 9 2004, 02:35 AM

Feb 13 2004, 01:58 PM
Post #3
littlefox
Group: HVA Moderator
Posts: 783
Joined: 2-January 04
Member No.: 56098
Cluster (chỉ dành riêng cho FATx File System): là đơn vị lưu trữ cơ
bản được chỉ định của đĩa từ. Cluster bao gồm 1 hoặc nhiều sector.

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
một file nào. Trong trường hợp này các chương trình sửa đĩa sẽ ghi
các thông tin mà các các cluster này lưu trữ ra từng file một để
backup lại các dữ liệu có giá trị bị mất.
Chain (chỉ dành riêng cho FATx File System): không phải lúc nào dữ
liệu của một file cũng được ghi trên nhưng cluster liên tiếp nhau
(1,2,3,4…n). Do đó nếu như cluster kế tiếp đã được chỉ định là đã sử
dụng thì OS sẽ cố gắng tìm đến cluster kế tiếp hoặc kế tiếp nữa cho
đến khi tìm ra cluster trống để ghi dữ liệu vào. Việc dữ liệu của một
file (hoặc từng phần) được ghi rải rác mà không có sự liên tục trên
những cluster thì được gọi là “một chuỗi các cluster” (chain) và việc
OS dịnh dạng trên bảng FAT cũng được gọi là “định dạng một chuỗi
FAT”. Lost chain cũng tương tự như lost cluster chỉ khác là nguyên
cả một chuỗi cluster bị khai báo nhầm là đã được sử dụng.
Bộ đệm ổ cứng (HDD Cache): 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 dụng truy nhập. Chính việc lưu trữ những thông