Giáo trình kiến trúc máy tính phần 2 ths võ đức khánh

CHƯƠNG 4

Bộ nhớ trong của máy tính

4.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BỘ NHỚ MÁY TÍNH
 Các đặc trưng của hệ thống bộ nhớ
Các đặc trưng chính của hệ thống bộ nhớ máy tính bao gồm:
- Vò trí (CPU, nội – chính, ngoại – phụ)
- Dung lượng (kích thước word, số lượng word)
- Đơn vò truyền (word, khối)
- Phương thức truy cập (tuần tự, trực tiếp, ngẫu nhiên, liên kết)
- Hiệu suất (thời gian truy cập, chu kỳ thời gian, tốc độ truyền)
- Kiểu vật lý (bán dẫn, bề mặt từ hóa)
- Đặc tính vật lý (khả biến/bất biến, xóa được/không xóa
được)
- Cách tổ chức
Các mục tiếp sau sẽ trình bày một cách chi tiết về ý nghóa và
tầm quan trọng của từng đặc trưng nói trên.
Vò trí
Bộ nhớ máy tính bao gồm cả hai loại bộ nhớ trong và ngoài. Bộ
nhớ trong của máy tính thường được đề cập đến như bộ nhớ chính.
Bộ nhớ ngoài của máy tính gồm các thiết bò lưu trữ ngoại vi, như
đóa và băng từ, vốn có thể truy cập được đối với CPU thông qua các
bộ điều khiển nhập/xuất.
38


Dung lượng
Với bộ nhớ trong, dung lượng thường được biểu diễn dưới dạng
byte. (1 byte = 8 bit) hay word. Các độ dài word phổ biến là 8, 16,
và 32 bit. Bộ nhớ ngoài có dung lượng được biểu thò theo byte.

Đơn vò truyền
Với bộ nhớ trong, đơn vò truyền bằng với số đường dữ liệu vào/ra
khỏi module bộ nhớ. Giá trò này thường bằng với độ dài của một
word, nhưng cũng có thể không. Để hiểu rõ hơn khái niệm này,
chúng ta hãy xem xét ba khái niệm có liên quan đến bộ nhớ trong:
- Word: Đơn vò tự nhiên của tổ chức máy tính. Kích thước của
một word thường bằng với số bit được sử dụng để biểu diễn
một số hay độ dài của chỉ thò. Tuy nhiên có rất nhiều ngoại
lệ. Lấy ví dụ, máy CRAY-1 có độ dài word 64 bit trong khi
có biểu diễn số nguyên 24 bit. Máy VAX có nhiều loại độ
dài chỉ thò dưới dạng bội số của byte, và có kích thước word
32 bit.
- Các đơn vò khả đònh đòa chỉ: Trong nhiều hệ thống, đơn vò
khả đònh đòa chỉ là word. Mặc dù vậy, có một số hệ thống
cho phép đònh đòa chỉ ở mức byte. Trong mọi trường hợp, mối
quan hệ giữa độ dài A của một đòa chỉ và số N các đơn vò khả
đònh đòa chỉ là 2A = N.
- Đơn vò truyền: Đối với bộ nhớ chính, đây là số bit đọc/ghi
vào bộ nhớ tại một thời điểm. Đơn vò truyền không nhất thiết
bằng một word hay một đơn vò khả đònh đòa chỉ. Với bộ nhớ
ngoài, dữ liệu thường được truyền theo những đơn vò lớn hơn
nhiều so với word và được gọi là khối.
Phương thức truy cập
39


Đây là một trong những yếu tố rõ nhất giúp phân biệt các kiểu
bộ nhớ. Có bốn loại phương thức truy cập:
- Truy cập tuần tự: Bộ nhớ được tổ chức thành các đơn vò dữ
liệu gọi là bản ghi. Việc truy cập phải được thực hiện theo

một dãy tuyến tính cụ thể. Thông tin đòa chỉ được lưu trữ
được dùng để phân tách các bản ghi và hỗ trợ quá trình tìm
kiếm lấy thông tin. Một bộ phận đọc/ghi dùng chung được sử
dụng. Bộ phận này phải được di chuyển từ vò trí hiện thời của
nó đến vò trí được yêu cầu, quét qua và từ chối các bản ghi
trung gian. Do đó, thời gian để truy cập một bản ghi tùy ý
biến đổi khá cao. Các đơn vò băng từ, được thảo luận trong
chương 5, là các đơn vò có dạng truy cập tuần tự.
- Truy cập trực tiếp: Cũng như với truy cập tuần tự, truy cập
trực tiếp bao gồm việc dùng chung một bộ phận đọc/ghi. Tuy
nhiên, các khối hay bản ghi riêng lẻ có một đòa chỉ duy nhất
dựa trên vò trí vật lý. Việc truy cập được thực hiện thông qua
truy cập trực tiếp cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm, hay chờ để
đến được vò trí cuối cùng. Một lần nữa, thời gian truy cập là
biến đổi. Các đơn vò đóa được trình bày trong chương 5 là các
đơn vò truy cập trực tiếp.
- Truy cập ngẫu nhiên: Mỗi vò trí khả đònh đòa chỉ trong bộ
nhớ có motä cơ chế đònh đòa chỉ vật lý duy nhất. Thời gian truy
cập một vò trí cho trước độc lập với dãy các truy cập trước đó
và không thay đổi. Do đó, bất kỳ một vò trí nào cũng có thể
được chọn ngẫu nhiên và được đònh đòa chỉ cũng như truy cập
trực tiếp. Các hệ thống bộ nhớ chính được truy cập ngẫu
nhiên.
- Liên kết: Đây là kiểu truy cập ngẫu nhiên bộ nhớ cho phép
thực hiện việc so sánh các vò trí bit có yêu cầu trong một
word phục vụ cho việc đối sánh đặc biệt nào đó, và có thể
40


thực hiện thao tác này cùng một lúc cho tất cả các word. Do

đó một word được trích ra dựa trên một phần nội dung của nó
chứ không phải dựa trên đòa chỉ. Tương tự như với phương
thức truy cập ngẫu nhiên thông thường, mỗi vò trí nhớ có cơ
chế đònh đòa chỉ riêng, và thời gian lấy thông tin không đổi,
độc lập với vò trí hoặc khuôn dạng truy cập trước đó. Bộ nhớ
cache, được đề cập đến trong mục 4.3 có thể tận dụng cách
truy cập liên kết này.
Đứng trên quan điểm người sử dụng, hai đặc trưng quan trọng
nhất của bộ nhớ là dung lượng và hiệu suất vận hành. Có ba tham
số hiệu suất được sử dụng:
- Thời gian truy cập: Đối với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, đây
là thời gian cần thiết để thực hiện một thao tác đọc hay ghi,
tức là thời gian từ lúc một đòa chỉ có mặt trong bộ nhớ cho
đến lúc dữ liệu được lưu trữ xong hoặc đã sẵn sàng để sử
dụng. Với bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên, thời gian truy
cập là thời gian cần để đònh vò bộ phận đọc/ghi tại vò trí được
yêu cầu.
- Thời gian chu kỳ bộ nhớ: Khái niệm này chủ yếu được áp
dụng cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên và bao gồm thời gian
truy cập cộng với bất kỳ thời gian phụ thêm nào được yêu
cầu trước khi truy cập thứ hai có thể được thực hiện. Phần
thời gian phụ thêm này có thể được yêu cầu nhằm phát sinh
dữ liệu nếu chúng được đọc một cách không loại trừ.
- Tốc độ truyền: Đây là tốc độ truyền dữ liệu vào/ra một đơn
vò bộ nhớ. Với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, giá trò này bằng
1/(Thời gian Chu kỳ). Với bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên,
quan hệ sau đây được duy trì:
TN = TA + N/R
41

Trong đó:
TN = thời gian trung bình để đọc/ghi N bit
TA = thời gian truy cập trung bình
N = số các bit
R = tốc độ truyền, theo đơn vò bit/giây (bps)
Kiểu vật lý
Hiện nay có hai kiểu vật lý phổ biến nhất là bộ nhớ bán dẫn, sử
dụng công nghệ LSI hay VLSI, và bộ nhớ với bề mặt từ hóa, được
dùng cho đóa và băng từ.
Đặc tính vật lý
Nhiều đặc tính vật lý của sự lưu trữ dữ liệu là rất quan trọng.
Trong một bộ nhớ khả biến, thông tin phân rã một cách tự nhiên
hoặc bò mất đi khi nguồn điện bò tắt. Trong một bộ nhớ bất biến,
thông tin một khi đã được ghi sẽ được lưu giữ mà không bò thoái
hóa. Các bộ nhớ có bề mặt từ hóa thuộc loại bất biến. Bộ nhớ bán
dẫn có thể khả biến hoặc bất biến. Bộ nhớ không thể xóa thì không
thể thay đổi được, ngoại trừ việc phá hủy đơn vò lưu trữ. Bộ nhớ bán
dẫn kiểu này được biết đến với tên gọi bộ nhớ chỉ đọc (ROM).
Cách tổ chức
Ở đây là cách sắp xếp vật lý các bit để tạo thành các word. Cách
sắp xếp hiển nhiên không phải lúc nào cũng được sử dụng, như sẽ
được đề cập đến ở phần tiếp theo.
 Sự phân cấp bộ nhớ
Một sự phân cấp bộ nhớ kiểu mẫu được chỉ ra trên hình 4.1. Khi
chúng ta đi từ trên xuống trong sơ đồ phân cấp này, những sự kiện
sau sẽ xảy ra:
42

a.
b.
c.
d.

Giảm phí tổn cho một bit
Tăng dung lượng
Tăng thời gian truy cập
Giảm tần số truy cập bộ nhớ bởi CPU

Do vậy bộ nhớ nhỏ hơn, nhanh hơn, đắt tiền hơn được phụ trợ bởi
bộ nhớ lớn hơn, chậm hơn, rẻ hơn. Chìa khóa cho sự thành công
trong cách tổ chức này là yếu tố cuối cùng, tức là giảm thiểu tần số
truy cập.

43


Hình 4.1 Sự phân cấp bộ nhớ

Nếu bộ nhớ được tổ chức theo các mục từ a) đến c) ở trên, và dữ
liệu cùng với chỉ thò có thể được phân phối qua bộ nhớ theo (d), thì
một cách trực quan cho thấy sơ đồ này sẽ làm giảm phí tổn toàn thể
trong khi vẫn duy trì một mức độ hiệu suất cho trước. Chúng ta sẽ
đưa ra một ví dụ đơn giản để minh họa cho điều này.

44


Hình 4.2 Sự vận hành của một bộ nhớ hai cấp đơn giản

Giả sử rằng CPU có truy cập đến hai mức bộ nhớ. Mức 1 gồm
1000 word và thời gian truy cập là 1s. Mức 2 gồm 100000 word và
có thời gian truy cập 10s. Giả sử nếu một word được truy cập ở
mức 1 thì CPU truy cập nó trực tiếp. Nếu nó ở mức 2, word đó trước
hết được truyền sang mức 1 và sau đó được truy cập bởi CPU. Để
đơn giản, chúng ta bỏ qua thời gian cần thiết để CPU xác đònh xem
word là ở mức 1 hay 2. Hình 4.2 cho thấy thời gian truy cập tổng
cộng trung bình là một hàm phần trăm thời gian trong trường hợp
word yêu cầu đã ở trong mức 1. Như chúng ta có thể quan sát thấy,
với những phần trăm cao trong truy cập mức 1, thời gian truy cập
tổng cộng trung bình gần hơn nhiều so với mức 2.

45


4.2 BỘ NHỚ CHÍNH BÁN DẪN
 Các kiểu bộ nhớ bán dẫn truy cập ngẫu nhiên
Tất cả các kiểu bộ nhớ được khảo sát trong phần này thuộc về
loại truy cập ngẫu nhiên. Tức là từng word nhớ được truy cập trực
tiếp qua luận lý đònh đòa chỉ.
Các kiểu bộ nhớ bán dẫn chính gồm có:
- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM)
- Bộ nhớ chỉ đọc (ROM)
- Bộ nhớ chỉ đọc khả trình (PROM)
- Bộ nhớ chỉ đọc khả trình có thể xóa được (EPROM)
- Bộ nhớ flash
- Bộ nhớ chỉ đọc khả trình có thể xóa được về mặt điện tử
(EEPROM)
Trong số các kiểu bộ nhớ nói trên, RAM là loại bộ nhớ phổ biến

nhất. Một đặc tính nổi bật của RAM là có thể đọc dữ liệu từ bộ nhớ
và dễ dàng, nhanh chóng ghi dữ liệu mới vào bộ nhớ. Cả việc đọc
và ghi đều được thực hiện thông quaviệc sử dụng tín hiệu điện tử.
Một đặc tính nổi bật khác của RAM là khả biến. Bộ nhớ RAM
phải luôn được cung cấp một nguồn điện không đổi. Nếu nguồn
điện bò ngắt, dữ liệu sẽ mất đi. Vì lý do đó, RAM chỉ có thể dùng
làm nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời.
Công nghệ RAM được chia thành hai nhóm: tónh và động. Một
RAM động được chế tạo với các ô lưu trữ dữ liệu như cách tích điện
trong tụ điện. Sự tồn tại hay biến mất của điện tích trong tụ điện
được thông dòch thành các giá trò nhò phân 1 và 0. Do các tụ điện có
khuynh hướng tự nhiên là giải điện, các RAM động cần sự làm tươi
điện tích theo chu kỳ để duy trì dữ liệu. Trong một RAM tónh, các
46


giá trò nhò phân được lưu trữ bằng cách sử dụng các cấu hình cổng
luận lý mạch lật truyền thống. Một RAM tónh sẽ lưu giữ liệu cho
đến khi nào nguồn điện còn được cung cấp cho nó.
Cả RAM tónh và động đều khả biến. Một ô nhớ động đơn giản
hơn một ô nhớ tónh. Do vậy, một RAM động trù mật hơn và ít tiền
hơn một RAM tónh tương ứng. Mặt khác, RAM động đòi hỏi sự hỗ
trợ làm tươi mạch. Với những lượng bộ nhớ lớn hơn, phí tổn cố đònh
cho việc làm tươi mạch được đền bù nhiều hơn phí tổn giành cho
các DRAM. Như vậy RAM động có khuynh hướng thích hợp cho
các yêu cầu về bộ nhớ lớn. Điểm cuối cùng chúng ta cần lưu ý là
RAM tónh nói chung nhanh hơn RAM động.
Trong mối tương phản rõ nét với RAM là bộ nhớ chỉ đọc (ROM).
ROM bao gồm một khuôn mẫu bền vững của dữ liệu không thể
thay đổi. Trong khi chúng ta có thể đọc dữ liệu từ ROM, việc ghi

vào ROM dữ liệu mới không thể thực hiện được. Một ứng dụng của
ROM là vi lập trình. Ngoài ra các ứng dụng khác của ROM gồm:
- Các chương trình con thư viện cho các hàm thường xuyên
được sử dụng.
- Các chương trình hệ thống
- Các bảng hàm
Với một yêu cầu có kích thước khiêm tốn, lợi điểm của ROM là
dữ liệu được lưu trữ bền vững trong bộ nhớ chính và không cần phải
tải lên từ một thiết bò lưu trữ phụ.
Một ROM được tạo ra như một chip mạch tích hợp thông thường
với dữ liệu được đưa vào trong chip trong quá trình in mạch. Điều
này dẫn đến hai bài toán:

47


-

Bước chèn dữ liệu có chi phí tương đối lớn, cho dù một hay
hàng ngàn bản sao của một ROM cụ thể sẽ được in ra.
Lỗi trong quá trình sản xuất là không thể chấp nhận được.
Chỉ cần một bit bò sai, toàn bộ lô ROM phải bò hủy bỏ.

Khi chỉ cần một lượng tương đối nhỏ ROM với nội dung bộ nhớ
đặc biệt, một lựa chọn ít tốn kém hơn là ROM khả trình (PROM).
Giống như ROM, PROM không khả biến và chỉ có thể ghi được
đúng một lần. Với PROM, quá trình ghi được thực hiện một cách
điện tử và do một nhà cung cấp đảm nhiệm chứ không nhất thiết
phải là nhà sản xuất chip ban đầu. Các trang thiết bò đặc biệt sẽ
được sử dụng cho quá trình ghi hay “lập trình”. PROM mang lại sự

linh hoạt và tiện lợi trong khi ROM vẫn thu hút các đơn đặt hàng có
số lượng lớn.
Một biến thể khác của bộ nhớ chỉ đọc là bộ nhớ hầu như chỉ đọc.
Loại bộ nhớ này có ích cho các ứng dụng trong đó thao tác đọc
thường xuyên hơn thao tác ghi, vốn cần đến khả năng lưu trữ bất
biến. Có ba dạng phổ biến của bộ nhớ hầu như chỉ đọc là EPROM,
EEPROM và bộ nhớ flash.
Bộ nhớ chỉ đọc khả trình xóa được bằng quang học (EPROM)
được đọc/ghi một cách điện tử như với PROM. Tuy nhiên, trước
một thao tác ghi, tất cả các ô lưu trữ phải được xóa về trạng thái
khởi động ban đầu bằng cách đưa chip đã đóng gói qua nguồn bức
xạ tia cực tím. Quá trình xóa này có thể được thực hiện lập đi lập
lại, mỗi lần xóa mất khoảng 20 phút. Do vậy, EPROM có thể thay
đổi được nhiều lần và cũng như với ROM hay PROM, nó có thể lưu
trữ nhiều loại dữ liệu khác nhau. EPROM thường đắt tiền hơn
PROM nhưng có lợi thế ở khả năng cập nhật nhiều lần.
48


Một dạng bộ nhớ hầu như chỉ đọc khác lý thú hơn là bộ nhớ chỉ
đọc khả trình xóa được bằng điện tử (EEPROM). Với bộ nhớ này,
dữ liệu có thể được ghi vào mà không cần phải tiến hành quá trình
xóa trước. Thao tác ghi mất nhiều thời gian hơn so với thao tác đọc,
vào khoảng vài trăm micro giây cho một byte. Bộ nhớ EEPROM
kết hợp lợi điểm của tính bất biến và sự linh hoạt trong việc cập
nhật tại chỗ bằng cách sử dụng các đường điều khiển, đường đòa
chỉ, và đường dữ liệu thông thường. EEPROM đắt hơn nhiều so với
EPROM và cũng kém trù mật hơn, hỗ trợ ít bit hơn trên mỗi chip.
Dạng mới nhất của bộ nhớ bán dẫn là bộ nhớ chớp (bộ nhớ này
được đặt tên như vậy do tốc độ tái lập trình khá cao của nó). Được

giới thiệu lần đầu tiên vào giữa thập niên 80, bộ nhớ chớp đóng vai
trò trung gian giữa EPROM và EEPROM cả về giá cả lẫn chức
năng. Giống như EEPROM, bộ nhớ chớp sử dụng công nghệ xóa
điện tử. Một bộ nhớ chớp có thể được xóa trong vài giây, nhanh
hơn nhiều so với EPROM. Ngoài ra, chúng ta có thể xóa chỉ các
khối nhớ cần thiết hơn là toàn bộ chip. Tuy nhiên, bộ nhớ chớp
không cung cấp khả năng xóa ở mức byte. Giống như EPROM, bộ
nhớ chớp chỉ sử dụng một transistor cho mỗi bit, và vì thế đạt được
độ trù mật cao (so với EEPROM) của EPROM.
 Tổ chức
Phần tử cơ sở của một bộ nhớ bán dẫn là ô nhớ. Mặc dù có
nhiều công nghệ điện tử được sử dụng, tất cảc các ô nhớ bán dẫn
đều có chung một số tính chất sau:
- Chúng thể hiện hai trạng thái ổn đònh (hay bán ổn đònh) có
thể dùng để biểu thò hai giá trò 1 và 0.
- Chúng có khả năng cho phép ghi (ít nhất một lần) để thiết
lập trạng thái.
49


-

Chúng có khả năng cho phép đọc để lấy trạng thái.

Một cách phổ biến, ô nhớ có ba bộ phận cuối có khả năng mang
tín hiệu điện tử. Bộ phận chọn chọn một ô nhớ cho thao tác đọc/ghi.
Bộ phận điều khiển chỉ ra thao tác là đọc hay ghi. Đối với thao tác
ghi, một bộ phận cuối khác cung cấp một tín hiệu điện tử cho phép
thiết lập trạng thái của ô nhớ thành 0 hay 1. Đối với thao tác đọc,
bộ phận cuối đó được sử dụng để cho ra trạng thái của ô nhớ. Các

chi tiết về tổ chức bên trong, chức năng, và đònh thời của ô nhớ phụ
thuộc vào công nghệ mạch tích hợp cụ thể được sử dụng và vượt
quá phạm vi của giáo trình này. Chúng ta chỉ cần biết các ô nhớ
riêng lẻ có thể được chọn cho các thao tác đọc và ghi.
4.3 BỘ NHỚ CACHE
 Nguyên lý
Bộ nhớ cache được thiết kế với ý đònh mang lại bộ nhớ có tốc độ
xấp xỉ tốc độ của bộ nhớ nhanh nhất hiện có, đồng thời cung cấp
một kích thước bộ nhớ lớn với phí tổn ít hơn so với các loại bộ nhớ
bán dẫn. Khái niệm về bộ nhớ cache được trình bày trên hình 4.3.
Bộ nhớ cache chứa bản sao của một phần bộ nhớ chính. Khi CPU
cố gắng đọc một word từ bộ nhớ, word này sẽ được kiểm tra xem
có trong cache hay không. Nếu có, word đó sẽ được cung cấp ngay
cho CPU. Trong trường hợp ngược lại, một khối bộ nhớ chính, bao
gồm một lượng cố đònh các word sẽ được đọc vào trong cache và
sau đó word đó sẽ được cung cấp cho CPU. Do có hiện tượng tham
chiếu cục bộ, khi một khối dữ liệu được lấy vào trong cache để đáp
ứng một tham chiếu đơn lẻ, có nhiều khả năng các tham chiếu kế
tiếp sẽ là các word khác trong cùng một khối.

50


Hình 4.3 Cache và bộ nhớ chính

Hình 4.4 thể hiện cấu trúc của một hệ thống cache/bộ nhớ chính.
Bộ nhớ chính gồm đến 2n word khả đònh đòa chỉ, với mỗi word có
một đòa chỉ duy nhất n bit. Do yêu cầu ánh xạ, bộ nhớ này được
xem như gồm một số các khối có độ dài cố đònh K word. Tức là
chúng ta có M = 2n/K khối. Bộ nhớ cache gồm C khe K word, và số

các khe, hay đường, nhỏ hơn đáng kể so với số khối bộ nhớ chính
(C << M). Tại một thời điểm bất kỳ, luôn có một tập con gồm các
khối nhớ thường trú trong các khe của cache. Nếu một word trong
một khối bộ nhớ được đọc, khối đó sẽ được chuyển vào một trong
các khe của cache. Do số khối nhiều hơn số khe, một khe có thể
không được giành cho một khối trong thời gian lâu dài. Vì lý do đó,
mỗi khe có một thẻ cho biết khối nào đang được lưu trữ. Thẻ
thường là một phần của đòa chỉ bộ nhớ chính của khối đang được
giữ trong khe.

51


Hình 4.4 Cấu trúc cache/bộ nhớ chính

Hình 4.5 minh họa thao tác đọc. CPU sinh ra đòa chỉ, RA, của
một word cần đọc. Nếu word có trong cache, nó sẽ được giao cho
CPU. Ngược lại, khối chứa word sẽ được tải vào trong cache, và
word được giao cho CPU.

52


Hình 4.5 Thao taùc ñoïc cache

53


CHƯƠNG 5

BỘ NHỚ NGOÀI CỦA MÁY TÍNH

5.1 ĐĨA TỪ
Đóa từ là một tấm kim loại/nhựa hình tròn có bề mặt phủ vật liệu
từ tính. Dữ liệu được ghi lên/đọc ra từ đóa thông qua một thiết bò gọi
là đầu đọc. Trong khi có thao tác đọc/ghi, đầu đọc đứng yên và tấm
đóa quay liên tục bên dưới nó.
Cơ chế ghi dựa trên từ trường sinh bởi dòng điện đi qua ống
xoắn. Các xung động được gửi đến đầu đọc, sau đó những khuôn
dạng từ khác nhau ứng với các dòng điện âm/dương sẽ được ghi lên
bề mặt đóa ở bên dưới.
Cơ chế đọc dựa trên dòng điện trong ống xoắn vốn được sinh bởi
sự dòch chuyển từ trường quanh nó. Khi bề mặt đóa đi qua dưới đầu
đọc, nó sẽ sinh ra một dòng điện có cùng cực với dòng đã được ghi
trước đó.
 Tổ chức và đònh dạng dữ liệu
54


Đầu đọc là một thiết bò tương đối nhỏ có khả năng đọc/ghi từ/lên
một phần của tấm đóa quay bên dưới. Điều này dẫn đến việc tổ
chức dữ liệu trên đóa theo dạng một tập hợp các vòng tròn đồng
tâm gọi là các track (rãnh). Mỗi track có cùng độ rộng như đầu đọc.
Hình 5.1 mô tả cách sắp xếp này. Các rãnh kề nhau được phân
biệt bằng các gap (khoảng trống), nhờ đó ngăn chặn ở mức tối
thiểu các sai sót do sự canh biên không chính xác của đầu đọc hoặc
nhiễu của các trường điện từ. Để đơn giản hóa về mặt điện tử, mỗi
track có số bit thông tin bằng nhau. Do đó dộ trù mật tính theo số
bit trên mỗi inch tuyến tính sẽ tăng lên khi chúng ta đi từ track xa
nhất bên ngoài vào đến track gần nhất bên trong đóa.

Như đã đề cập đến trong các chương trước, dữ liệu được chuyển
đến và đi khỏi đóa theo từng khối một. Thông thường kích thước của
một khối dữ liệu nhỏ hơn dung lượng của track. Cụ thể hơn, dữ liệu
được lưu trong các vùng có kích thước khối gọi là sector (cung).
Trên mỗi track thường có từ 10 đến 100 sector dữ liệu và chúng có
thể có độ dài cố đònh hay thay đổi. Để tránh những sai sót về độ
chính xác có thể xảy ra trong hệ thống, các sector liền nhau được
tách biệt bởi các gap liên track (liên – bản ghi).
Với cách tổ chức như vậy, để xác đònh từng sector trong track,
cần phải có một điểm bắt đầu của track cũng như cách thức nhận
biết điểm bắt đầu và kết thúc của một sector. Các yêu cầu này
được quản lý thông qua dữ liệu điều khiển đã được ghi lên đóa. Do
vậy đóa sẽ được đònh dạng với một số dữ liệu phụ đi kèm và chỉ
được sử dụng bởi ổ đóa. Người sử dụng không thể truy cập đến
những dữ liệu này.

55


Hình 5.1 Tổ chức dữ liệu trên đóa

 Các đặc trưng chính
Những đặc trưng chính của đóa bao gồm:
- Sự di chuyển của đầu đọc
- Tính khả chuyển của đóa
- Các mặt đóa
- Các tấm đóa
- Cơ chế làm việc của đầu đọc
Sự di chuyển của đầu đọc

56


Đầu đọc có thể được giữ cố đònh hoặc di chuyển theo hướng tâm
đóa. Với đầu đọc cố đònh, có một đầu đọc/ghi cho mỗi track. Tất cả
các đầu đọc được gắn lên một tay đòn kéo dài qua tất cả các track
trên đóa. Với đầu đọc có thể di chuyển, chỉ có một đầu đọc/ghi duy
nhất. Ở đây đầu đọc cũng được gắn lên một tay đòn có thể kéo dài
hoặc thu ngắn ứng với vò trí của track cần truy cập trên đóa.
Tính khả chuyển của đóa
Bản thân đóa thường được gắn vào trong một ổ đóa với một tay
đòn, một động cơ quay đóa cũng như các mạch điện tử cần thiết cho
việc nhập/xuất dữ liệu nhò phân. Đóa không thể tháo rời được gắn
vónh viễn vào trong ổ đóa trong khi đóa có thể tháo rời có thể lấy ra
và thay thế bằng một ổ đóa khác. Lợi ích của loại đóa có thể tháo rời
là khả năng cung cấp một lượng dữ liệu không có giới hạn trên một
hệ thống giới hạn các ổ đóa. Hơn nữa đóa đó còn có thể di chuyển từ
máy tính n ày sang máy tính khác.
Các mặt đóa
Hầu hết các đóa đều có hai mặt trừ một số đóa loại cũ chỉ có một
mặt.

Số các tấm đóa
Một số ổ đóa cho phép xếp chồng nhiều đóa theo chiều thẳng
đứng với nhiều tay đòn được cung cấp. Các tấm đóa như thế được tổ
chức theo đơn vò disk pack (gói đóa).
Cơ chế làm việc của đầu đọc

57

Cơ chế làm việc của đầu đọc trong thao tác đọc/ghi cho phép
phân loại đóa rất rõ ràng. Chúng ta có ba cơ chế như sau:
- Cơ chế 1: giữ đầu đọc ở một khoảng cách cố đònh với bề mặt
đóa
- Cơ chế 2: cho phép tiếp xúc về mặt vật lý giữa đầu đọc với
bề mặt đóa
- Cơ chế 3: khoảng cách giữa đầu đọc với bề mặt đóa có thể
thay đổi trong quá trình đọc/ghi.
Để hiểu rõ cơ chế 3 nói trên, chúng ta cần tìm hiểu về mối quan
hệ giữa độ trù mật dữ liệu và kích thước của khối không khí trống
giữa đầu đọc và bề mặt đóa bên dưới nó.
Đầu đọc phải sinh ra một trường điện từ đủ lớn để đọc/ghi một
cách chính xác. Đầu đọc càng hẹp thì nó càng phải ở gần bề mặt
đóa hơn để hoạt động. Đầu đọc hẹp hơn dẫn đến bề rộng track nhỏ
hơn và do vậy độ trù mật dữ liệu tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, khi
đầu đọc càng gần bề mặt đóa, nguy cơ pha tạp và không chính xác
về dữ liệu càng lớn. Nhằm đẩy kỹ thuật đóa lên một bước xa hơn,
người ta đã chế tạo ra ổ đóa Winchester. Các đầu đọc Winchester
được sử dụng trong các ổ đóa gần như không có tác nhân tạp chất.
Chúng được thiết kế để hoạt động gần hơn với bề mặt đóa nếu so
với các đầu đọc kiểu cũ, do đó cho phép làm tăng độ trù mật của
dữ liệu trên đóa. Đầu đọc có dạng một lá khí động học nằm trên bề
mặt đóa khi đóa không chuyển động. p suất không khí sinh bởi đóa
xoay tròn đủ làm cho lá rút lên khỏi bề mặt đóa. Phần hệ thống
không tiếp xúc với đóa có thể được chế tạo để sử dụng với những
đầu đọc kiểu mới này.
 Thời gian truy cập đóa
Khi ổ đóa hoạt động, đóa quay với một vận tốc không đổi. Để đọc
hoặc ghi, đầu đọc phải được đònh vò tại track cần truy cập và ở đầu

58


của sector cần thao tác trên track đó. Việc chọn track bao gồm việc
di chuyển đầu đọc (trong một hệ thống đầu đọc có thể di chuyển)
hay lựa chọn một cách điện tử một đầu đọc/ghi (trong hệ thống có
đầu đọc cố đònh). Với hệ thống có đầu đọc di chuyển được, thời
gian cần để đònh vò track được gọi là thời gian tìm kiếm (seek time).
Trong cả hai trường hợp, một khi track đã được chọn, hệ thống chờ
cho đến khi sector thích hợp quay đến bên dưới đầu đọc. Thời gian
cần thiết để sector quay đến dưới đầu đọc này gọi là độ trễ quay
(rotational latency). Tổng thời gian tìm kiếm và độ trễ quay được
gọi là thời gian truy cập, hay thời gian cần thiết để đònh vò dữ liệu
cần đọc/ghi. Khi đầu đọc đã ở đúng vò trí, thao tác đọc/ghi sẽ được
thực hiện ngay khi sector di chuyển dưới đầu đọc.
5.2 RAID
Như đã thảo luận ở các phần trước, tốc độ cải tiến hiệu suất lưu
trữ trên thiết bò ngoài kém hơn so với tốc độ cải tiến cho bộ xử lý
và bộ nhớ chính. Sự không đồng bộ này dẫn đến việc hệ thống lưu
trữ đóa trở thành chủ đề chính trong sự cải tiến hiệu suất vận hành
của toàn bộ hệ thống máy tính.
Cũng như với các yếu tố khác có ảnh hưởng đến sự vận hành
của máy, các nhà thiết kế đóa nhận biết rằng để đạt được sự cải tiến
về mặt hiệu suất, các thành phần cần phải được phát triển song
song. Trong trường hợp lưu trữ đóa, điều này dẫn đến sự phát triển
của mảng các đóa hoạt động độc lập và song song. Với nhiều đóa,
những yêu cầu nhập/xuất riêng lẻ có thể được quản lý song song
nếu như dữ liệu yêu cầu được lưu trên các đóa tách biệt. Hơn nữa,
một yêu cầu nhập/xuất đơn lẻ có thể được thực hiện song song nếu
khối dữ liệu cần truy cập phân bố trên nhiều đóa.

59


Bằng sự sử dụng hệ thống nhiều đóa, chúng ta có nhiều cách thức
tổ chức đóa tận dụng tính thừa dữ liệu nhằm cải thiện độ tin cậy của
hệ thống. Tuy nhiên, điều này có thể gây khó khăn cho việc phát
triển các sơ đồ cơ sở dữ liệu có ích trên một số nền tảng và hệ điều
hành. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay đã có một sơ đồ chuẩn
hóa cho thiết kế cơ sở dữ liệu đa đóa gọi là RAID (Redundant Array
of Independent Disks). Sơ đồ RAID gồm có sáu mức từ 0 đến 5.
Các mức này không tạo thành một quan hệ phân cấp nhưng đònh ra
những kiến trúc khác nhau có chung các đặc điểm sau:
1. RAID là tập hợp các ổ đóa vật lý được nhìn từ hệ điều hành
như một ổ đóa logic đơn.
2. Dữ liệu được phân bố trên mảng các ổ đóa vật lý.
3. Dung lượng đóa dư thừa được sử dụng để lưu trữ thông tin
chẵn lẻ nhằm bảo đảm khả năng phục hồi dữ liệu trong
trường hợp có hư hỏng về đóa.
Các đặc điểm 2 và 3 thay đổi theo mức RAID. RAID 0 không hỗ
trợ đặc điểm 3.
Thuật ngữ RAID được đưa ra trong một bài báo của một nhóm
các nhà nghiên cứu tại đại học tổng hợp California, Hoa kỳ. Bài
báo đó đã khái quát các cấu hình và ứng dụng RAID, đồng thời giới
thiệu những đònh nghóa về mức RAID đang được sử dụng ngày nay.
RAID được đề xuất nhằm xóa bỏ khoảng trống lớn giữa tốc độ bộ
xử lý và các ổ đóa điện cơ tương đối chậm. Chiến lược được áp
dụng ở đây là thay thế một ổ đóa có dung lượng lớn bằng nhiều ổ
đóa có dung lượng nhỏ hơn, theo cách thức cho phép truy cập đồng
thời đến dữ liệu từ nhiều ổ đóa, nhờ vậy cải thiện hiệu suất
nhập/xuất và cho phép gia tăng từng bước về dung lượng một cách

dễ dàng hơn.
60


Sự đóng góp nổi bật nhất của đề xuất RAID là giải quyết có
hiệu quả yêu cầu về tính dư thừa. Mặc dù cho phép nhiều đầu đọc
hoạt động cùng lúc có thể dẫn đến tốc độ truyền và nhập/xuất dữ
liệu cao hơn, việc sử dụng nhiều thiết bò cũng làm gia tăng xác suất
hư hỏng. Để đền bù cho sự giảm sút độ tin cậy này, RAID sử dụng
thông tin chẵn lẻ đã lưu trữ trong việc phục hồi dữ liệu do đóa hỏng.
Hình 5.2 và 5.3 cho thấy sáu sơ đồ RAID hỗ trợ yêu cầu về dữ
liệu với bốn đóa và không triển khai tính dư thừa dữ liệu. Nó chỉ ra
sự khái quát về dữ liệu của người sử dụng và dữ liệu thừa, cũng như
các yêu cầu lưu trữ quan hệ của nhiều mức khác nhau.

61


Hình 5.2 Caùc möùc RAID

62