Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ đĩa cứng

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:

HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ
vật liệu từ tính. Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có
nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng.
Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng chứa dữ liệu
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
2
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
thành quả của một quá trình làm việc của những người sử dụng máy tính. Những
sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặc
thay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng
thường rất khó lấy lại được.
Ổ đĩa cứng là một khối duy nhất, các đĩa cứng được lắp ráp cố định trong
ổ ngay từ khi sản xuất nên không thể thay thế được các "đĩa cứng" như với cách
hiểu như đối với ổ đĩa mềm hoặc ổ đĩa quang. Ổ cứng thường được gắn liền với
máy tính để lưu trữ dữ liệu cho dù chúng xuất hiện muộn hơn so với những
chiếc máy tính đầu tiên.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, ổ đĩa cứng ngày nay có
kích thước càng nhỏ đi đến các chuẩn thông dụng với dung lượng thì ngày càng
tăng lên. Những thiết kế đầu tiên ổ đĩa cứng chỉ dành cho các máy tính thì ngày
nay ổ đĩa cứng còn được sử dụng trong các thiết bị điện tử khác như máy nghe
nhạc kĩ thuật số, máy ảnh số, điện thoại di động thông minh (SmartPhone), máy
quay phim kĩ thuật số, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân
Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, ổ đĩa cứng đã có những bước
tiến công nghệ nhằm giúp lưu trữ và truy xuất dữ liệu nhanh hơn: ví dụ sự xuất
hiện của các ổ đĩa cứng lai giúp cho hệ điều hành hoạt động tối ưu hơn, giảm
thời gian khởi động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng, sự thay đổi phương thức
ghi dữ liệu trên các đĩa từ làm cho dung lượng mỗi ổ đĩa cứng tăng lên đáng kể.
1.2. Lịch sử phát triển của ổ đĩa cứng
Năm 1955, ổ cứng đầu tiên trên thế giới có là IBM 350 Disk File được
chế tạo bởi Reynold Johnson ra mắt năm 1955 cùng máy tính IBM 305. Ổ cứng

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,

khi Seagate Technology cho ra đời ổ đĩa ST-506 - ổ đĩa 5,25" đầu tiên có dung
lượng 5 MB. Có một thực tế là trong cấu hình xuất xưởng, máy IBM PC (IBM
5150) không được trang bị ổ đĩa cứng.
Hình 03: hệ thống đĩa 3340 "Winchester"
Thập niên 1990, đa số các ổ đĩa cứng cho máy vi tính đầu thập kỷ 1980
không bán trực tiếp cho người dùng cuối bởi nhà sản xuất mà bởi các OEM như
một phần của thiết bị lớn hơn (như Corvus Disk System và Apple ProFile).
Chiếc IBM PC/XT được bán ra đã có một ổ đĩa cứng lắp trong nhưng xu hướng
tự cài đặt nâng cấp bắt đầu xuất hiện. Các công ty chế tạo ổ đĩa cứng bắt đầu
tiếp thị với người dùng cuối bên cạnh OEM và đến giữa thập niên 1990, ổ đĩa
cứng bắt đầu xuất hiện trong các cửa hàng bán lẻ. Ổ đĩa lắp trong ngày càng
được sử dụng nhiều trong PC trong khi các ổ đĩa lắp ngoài tiếp tục phổ biến trên
máy Macintosh của hãng Apple và các nền tảng khác. Mỗi máy Mac sản xuất
giữa giữa các năm 1986 và 1998 đều có một cổng SCSI phía sau khiến cho việc
lắp đặt thêm phần cứng mới trở nên dễ dạng; tương tự như vậy, "toaster" (máy
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
5
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
nướng bánh) Mac không có chỗ cho ổ đĩa cứng (hay trong Mac Plus không có
chỗ lắp ổ đĩa cứng), các đời tiếp theo cũng vậy thế nên ổ SCSI lắp ngoài là có
thể hiểu được. Các ổ đĩa SCSI lắp ngoài cũng phổ biến trong các máy vi tính cổ
như loạt Apple II và Commodore 64, và cũng được sử dụng rộng rãi trong máy
chủ cho đến tận ngày nay. Sự xuất hiện vào cuối thập niên 1990 của các chuẩn
giao tiếp ngoài như USB và FireWire khiến cho ổ đĩa cứng lắp ngoài trở nên phổ
biến hơn trong người dùng thông thường đặc biệt đối với những ai cần di chuyển
một khối lượng lớn dữ liệu giữa hai địa điểm. Vì thế, phần lớn các ổ đĩa cứng
sản xuất ra đều có trở thành lõi của các vỏ lắp ngoài.
Hình 04: Ổ đĩa SCSI
Ngày nay, dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với thời gian.
Đối với những máy PC thế hệ đầu, ổ đĩa dung lượng 20 megabyte được coi là

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

ổ đĩa cứng SATA thế hệ đầu và các ổ đĩa PATA không có sự khác biệt đáng kể.
Hiện nay, ổ đĩa cứng giao diện SATA là thông dụng hơn cả trên toàn thế
giới. Hãng Western Digital đã đưa ra ổ cứng WD Caviar Green 3TB sử dụng
giao tiếp SATA với giá bán là khoảng 4,7 triệu VND (239 USD) và phiên bản
2,5 TB sử dụng giao tiếp SATA sẽ có giá bán 3,7 triệu VND (189 USD). Ổ đĩa
này có kích thước 3,5 inch sử dụng 4 lớp đĩa có dung lượng 750GB, có mức tiêu
thụ điện năng thấp, nhiệt độ hoạt động cũng thấp hơn và ổ đĩa cũng hoạt động
yên tĩnh hơn.
Hình 05: Ổ đĩa cứng giao diện IDE(hay còn gọi là PATA)
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
7
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 06: Ổ đĩa cứng giao diện SATA
Trên thị trường hiện nay còn xuất hiện ổ lưu trữ thể rắn và ổ cứng gắn
ngoài(External Drive). Ổ lưu trữ thể rắn SSD(Solid State Drive) là một thiết bị
lưu trữ sử dụng bộ nhớ trạng thái rắn để lưu trữ dữ liệu trên máy tính một cách
bền vững. Loại ổ cứng này lưu trữ dữ liệu dựa vào các tế bào nhớ, ở thể rắn, do
đó gần như không gây tiếng ồn, không có độ trễ cơ học nên mang lại tốc độ truy
cập cao hơn. Đồng thời không mất thời gian khởi động như ổ đĩa cứng (Hard
Disk Drive). Ổ SSD sử dụng SRAM hoặc DRAM hoặc bộ nhớ FLash để lưu dữ
liệu. SSD không có bộ phận chuyển động, vì vậy không giống như các ổ đĩa
cứng truyền thống, ít có khả năng bị phá hủy do di chuyển và tạo ra rất ít nhiệt
hoặc thậm chí không có nhiệt. Chúng tương tự như các thẻ nhớ SD được tìm
thấy trong máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị khác, hoặc bộ nhớ trong của
iPhone, PSP Go, và các thiết bị cầm tay khác. SSD đang dần đc biết tới, tuy
nhiên vẫn hạn chế nhất định. Hiện tại SSD có giả cả vẫn khá cao so với ổ cứng
bình thường.(ổ SSD G.Skill dung lượng 60GB có giá gần 5 triệu đồng Việt
Nam).
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
8

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

CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG
2.1. Sơ đồ khối
Hình 09: Sơ đồ khối của ổ đĩa cứng
2.2. Nguyên lý làm việc và đặc tính của các khối
2.2.1. Đĩa từ
Đĩa từ (platter) của ổ cứng là các đĩa bằng nhôm, thuỷ tinh, hoặc sứ có
chế độ hoạt động tương đối năng, trên bề mặt được phủ một lớp vật liệu từ tính
là nơi chứa dữ liệu. Đĩa từ được coi là vật liệu từ. Từ tính gây ra bởi lực từ, lực
từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên, nó được
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
11
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
sinh ra do chuyển động của các hạt có điện tích. Trên bề mặt đĩa từ có các điểm
từ tính. Khi các điểm từ tính đó suy giảm hoặc mất khả năng từ tính thì hệ thống
gọi hiện tượng đó là bad sector. Vì các điểm từ tính đó là các hạt từ tính được
gắn kết lên platter bằng công nghệ và hóa chất đặc biệt, không dễ gì loại bỏ hay
bổ xung khả năng từ tính cho nó. Đĩa từ được chế tạo rất đặc biệt giúp cho nó có
khả năng lưu trữ tốt, an toàn và không bị “nhão” (nhả từ) như các thiết bị đọc
ghi bằng từ tính khác (tuy nhiên cũng có một số loại đĩa từ sản xuất không đạt
tiêu chuẩn qua thời gian có hiện tượng bị “nhão”). Đĩa được phủ vật liệu từ ở cả
hai mặt (môi trường lưu trữ thực) và bao bọc bằng lớp vỏ bảo vệ. Sau khi đã
hoàn tất và đánh bóng, các đĩa này được xếp chồng lên nhau và ghép nối với
môtơ quay, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt
động. Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng và công
nghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau, có một số loại đĩa cứng chỉ có một đĩa
từ. Trước khi chồng đĩa được lắp cố định vào khung, cơ cấu các đầu từ được
ghép vào giữa các đĩa.
Hình 10: Đĩa từ bên trong ổ đĩa cứng
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. 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

Hình 12: Mô tả Track/Cluster/Sector(cung từ)
Mô tơ trục quay là bộ phận để gắn các đĩa từ lên nó, chúng được nối trực
tiếp với động cơ quay đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động
quay từ động cơ đến các đĩa từ. Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ
(như hợp kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm
của chúng không được sai lệch - bởi chỉ một sự sai lệch nhỏ có thể gây lên sự
rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trình
đọc/ghi không chính xác.
Hình 13: Mô tơ 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
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
14
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
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. Kỹ
thuật Hãm động (dynamic braking) sẽ sử dụng năng lượng của xung điện thế
ngược đó để làm dừng đĩa lại.
Tốc độ quay của motor trục quay: Thông thường thì các loại đĩa cứng
hiện nay có tốc độ quay từ 5200rpm đến 7200rpm(rpm viết tắt của round per
minute, nghĩa là số vòng quay trong một phút). Không chỉ có thế trên thị trường
hiện nay đã có những loại ổ cứng chuyên dụng với khả năng có tốc độ đến
10000rpm hoặc 15000rpm. 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
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

chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa (nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa
nhưng chỉ sử dụng 3 mặt).
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
16
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Trên mỗi mặt đĩa từ của ổ cứng thì đều có một đầu từ riêng biệt, những
đầu từ này có vai trò đọc/ghi dữ liệu lên bề mặt đĩa từ.
Thanh mang đầu từ là thiết bị mà đầu từ gắn vào nó. Thanh mang đầu từ
có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách
nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu từ tại các vị trí từ mép đĩa đến
vùng phía trong của đĩa (phía trục quay). Các thanh mang đầu từ di chuyển đầu
từ được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục
quay(đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dưới
nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng vị trí tương
ứng ở các bề mặt đĩa từ còn lại.
Hình 15: Thanh mang đầu từ
Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ đóng một vai trò rất quan trọng
trong việc đọc ghi của đầu từ. Tốc độ của motor này phải đồng bộ với tốc độ của
mô tơ chính (mô tơ quay đĩa từ) nếu không sẽ không thể đọc chính xác được dữ
liệu. Cấu trúc mô tơ này khá đơn giản, nó không như một mô tơ thông thường
mà chỉ đơn thuần là một bộ phận chuyển động có giới hạn trong một góc quay
nhất định. Mô tơ này 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, mô tơ này 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 từ cực nhỏ được gắn trên
thanh mang đầu từ. Bên trong ổ cứng là một môi trường chân không hoàn toàn
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
17
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011

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-

12+, và chân cắm chuẩn IDE hoặc SATA.
Hình 18: một số thành phần trên bảng mạch điều khiển của ổ cứng
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
19
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Bộ nhớ đệm 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. 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. Độ lớn của bộ nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất
hoạt động của ổ đĩa cứng bởi việc đọc/ghi không xảy ra tức thời (do phụ thuộc
vào sự di chuyển của đầu đọc/ghi, dữ liệu được truyền tới hoặc đi) sẽ được đặt
tạm trong bộ nhớ đệm. Đơn vị thường bính bằng kB hoặc MB. 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.
Trong thời điểm năm 2007, dung lượng bộ nhớ đệm thường là 2 hoặc 8
MB cho các loại ổ đĩa cứng dung lượng đến khoảng 160 GB, với các ổ đĩa cứng
dụng lượng lớn hơn chúng thường sử dụng bộ nhớ đệm đến 16 MB hoặc cao
hơn. Bộ nhớ đệm càng lớn thì càng tốt, nhưng hiệu năng chung của ổ đĩa cứng
sẽ chững lại ở một giá trị bộ nhớ đệm nhất định mà từ đó bộ nhớ đệm có thể
tăng lên nhưng hiệu năng không tăng đáng kể. Hệ điều hành cũng có thể lấy một
phần bộ nhớ của hệ thống (RAM) để tạo ra một bộ nhớ đệm lưu trữ dữ liệu được
lấy từ ổ đĩa cứng nhằm tối ưu việc xử lý đối với các dữ liệu thường xuyên phải
truy cập, đây chỉ là một cách dùng riêng của hệ điều hành mà chúng không ảnh
hưởng đến cách hoạt động hoặc hiệu suất vốn có của mỗi loại ổ đĩa cứng. Có rất
nhiều phần mềm cho phép tinh chỉnh các thông số này của hệ điều hành tuỳ

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

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 ta 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:
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
21
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
+ 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 track vì thế nếu muốn tìm một sector nào
trên track này thì hệ điều hành lại phải tiếp tục tìm kiếm trên track mà buffer
cung cấp - chậm hơn hẳn so với cache.
Những điều cần chú ý đến Cache : “ổ cứng có cache lớn không có nghĩa
là sẽ truy xuất dữ liệu nhanh hơn ổ cứng có cache nhỏ (hai cái cùng loại có cùng
tốc độ và dung lượng)”. Điều này thì cũng không có gì là bất thường lắm, cache
là bộ nhớ do đó tốc độ truy xuất của bộ nhớ làm cache càng nhanh thì càng tốt ,
tuỳ thuộc vào mức độ thôn minh và khả năng quản lý của “chíp điều khiển”

(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

xuống đĩa cứng hoàn toàn cho đến khi máy vi tính nghỉ ngơi (shutdown). Một
vấn đề với phương pháp này là “nếu như máy tính mất điện đột ngột thì những
phần dữ liệu chưa được ghi từ cache xuống ổ cứng sẽ mất trắng không tìm lại
được vì cache là một dạng bộ nhớ cần nguồn nuôi”.
Jump cấp nguồn: cung cấp điện cho ổ đĩa cứng. Ổ đĩa cứng sử dụng một
trong 2 loại jump cấp nguồn với 2 chuẩn cho ổ giao diện ATA và giao diện
SATA.
Hình 19: Jump cấp nguồn cho ổ cứng SATA
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
23
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 20: Jump cấp nguồn cho ổ cứng ATA
Hình 21: Loại jack nguồn cấp điện cho ổ cứng ATA
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
24
Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 22: Loại jack nguồn cấp điện cho ổ cứng SATA
Jumper chuyển mạch: 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
Hình 23: Mô tả jumper thiết lập của ổ cứng
2.2.4. Bộ khung cơ khí (Vỏ đĩa cứng)
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng
25