Bài giảng Chương 7 - Bộ nhớ ngoài

CHƯƠNG 7: BỘ NHỚ NGOÀI






50  năm  trước  đây,  ngày  13/9/1956,  chiếc  ổ  cứng 
RAMAC  (1956)  –  Chiếc  ổ  cứng  máy  tính  đầu  tiên  trên 
thế  giới  đã  ra  đời,  với  cấu  tạo  làm  từ  50  lớp  đĩa  có 
đường  kính  tới...  0,6m,  nặng  tới  1  tấn  và  chỉ  chứa 
được... 5MB dữ liệu. 
Sản  phẩm  RAMAC  tích  hợp  có  chiều  rộng  gấp  đôi  2 
chiếc tủ lạnh, nhưng lại không cao bằng và nặng 1 tấn. 
RAMAC có tổng cộng 50 lớp đĩa có đường kính khoảng 
0,6m với tốc độ quay trung bình đạt 1.200 /phút, nhưng 
dung lượng lưu trữ chỉ có đúng 5MB, đủ để lưu một bài 
hát có độ dài 5 phút được mã hoá chuẩn MP3 128bit. 
IBM chỉ cho xuất xưởng đúng 12 chiếc ổ đĩa RAMAC. 




Ngày  nay,  chúng  ta  có  những  chiếc  ổ  đĩa  cứng  với  rất 
nhiều  kích  cỡ  và  đặc  tính  khác  nhau.  Từ  chiếc  ổ  đĩa 
cứng  nhỏ  nhất  thế  giới  của  Toshiba  với  kích  thước 
khoảng 2cm và dung lượng lưu trữ 2GB và 4GB cho đến 
những  chiếc  ổ  đĩa  cứng  dung  lượng  khổng  lồ  750GB. 
Các  nhà  sản  xuất  đã  tung  ra  thị  trường  hàng  loạt  sản 
phẩm  ổ đĩa cứng dành riêng cho máy chủ, máy tính để 
bàn,  máy  tính  xách  tay,  máy  ghi  video,  thiết  bị  nghe 

nhạc số… Bạn có thể tìm thấy ổ đĩa cứng ở bất kỳ đâu, 
trong  một  chiếc  ô  tô,  máy  bay  hay  trong  các  ứng  dụng 
quân  sư.  Bên  cạnh  đó,  giá  thành  của  ổ  đĩa  cứng  cũng 
đã giảm đí một cách đáng kể. Nếu chiếc dung lượng lưu 
trữ  trong  ổ  cứng  RAMAC  của  IBM  có  giá 
10.000USD/MB, thì những chiếc ổ cứng ngày nay chỉ có 
giá 0,03 cent/MB. 


Những cột  mốc trong tiến trình phát triển ổ đĩa cứng
1956 Ổ cứng IBM RAMAC 350 với 50 lớp đĩa có đường kính 24­inch
1962 IBM sản xuất thành công hệ thống lưu trữ kết hợp 6  ổ đĩa cứng 14­inch, 
mỗi ổ có dung lượng lưu trữ 2MB.
1979 IBM sản xuất thành công ổ đĩa cứng 8­inch.
1980 Ổ đĩa cứng 5.25­inch Winchester lần đầu tiên ra mắt. Thiết kế của loại  ổ 
đĩa này đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thị trường PC.
1983 Rodine ra mắt ổ đĩa cứng 10MB 3.25­inch. Kích thước ổ đĩa này hiện vẫn 
là kích thước chuẩn của ổ đĩa cứng hiện nay.
1988 PrairieTek  ra  mắt  ổ  đĩa  cứng  2.5­inch  20MB.  Kích  thước  của  ổ  đĩa  này 
hiện là kích thước chuẩn ổ đĩa cứng dành cho laptop hiện nay.
1991 Integrated  Peripherals  ra  mắt  ổ  đĩa  1.8­inch.  Loại  ổ  đĩa  này  chỉ  thực  sự 
được biết đến khi Apple tung ra chiếc iPod đầu tiên khoảng 10 năm trước 
đây.
1992 Hewlett­Packard ra mắt ổ đĩa cứng 1.3­inch.
1999 IBM  ra  mắt  ổ  đĩa  cứng  "tí  hon"  1­inch  340MB.  Dung  lượng  loại  ổ  này 
hiện đã lên tới 8GB
2004 Toshiba  thu  nhỏ  kích  thước  ổ  đĩa  cứng  xuống  còn  0.85  inch.  Đây  được 


7.1 ĐĨA TỪ







Đĩa 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 đĩa thông qua một 
thiết bị gọi là đầu đọc. Trong khi có thao tác đọc/ghi, đầu đọc 
đứng yên và tấm đĩa 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 đĩa ở bên dưới.
Cơ  chế  đọc  dựa  trên  dòng  điện  trong  ống  xoắn  vốn  được 
sinh bởi sự dịch chuyển từ trường quanh nó. Khi bề mặt đĩa 
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 ĐỊNH DẠNG DỮ LIỆU




Đầu  đọc  là  một  thiết  bị  tương  đối  nhỏ  có  khả  năng  đọc/ghi 
từ/lên  một  phần  của  tấm  đĩa  quay  bên  dưới.  Điều  này  dẫn 
đến việc tổ chức dữ liệu trên đĩa theo dạng một tập hợp các 
vòng tròn đồng tâm gọi là các track (rãnh). Mỗi track có cùng 

độ rộng như đầu đọc.
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 đĩa.


Tổ chức dữ liệu trên đĩa





Như đã đề cập đến trong các chương trước, dữ liệu 
được chuyển đến và đi khỏi đĩa 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 
định  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 định 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  đĩa. 
Do  vậy  đĩa  sẽ  được  định  dạng  với  một  số  dữ  liệu 
phụ  đi  kèm  và  chỉ  được  sử  dụng  bởi  ổ  đĩa.  Người 
sử dụng không thể truy cập đến những dữ liệu này


CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH


Những đặc trưng chính của đĩa bao gồm:
  Sự di chuyển của đầu đọc
   Tính khả chuyển của đĩa


  Các mặt đĩa
   Các tấm đĩa




  Cơ chế làm việc của đầu đọc


SỰ DI CHUYỂN CỦA ĐẦU ĐỌC


Đầu  đọc  có  thể  được  giữ  cố  định  hoặc  di 
chuyển  theo  hướng  tâm  đĩa.  Với  đầu  đọc  cố 
định, 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 đĩa. 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  vị  trí  của 
track cần truy cập trên đĩa. Hình 5.2 mô tả các 
loại đầu đọc cố định và không cố định.



Tính khả chuyển của đĩa


Bản thân đĩa thường được gắn vào trong một  ổ đĩa với 
một tay đòn, một động cơ quay đĩa cũng như các mạch 
điện  tử  cần  thiết  cho  việc  nhập/xuất  dữ  liệu  nhị  phân. 
Đĩa  không thể tháo rời  được gắn vĩnh viễn vào trong  ổ 
đĩa trong khi  ổ đĩa có thể tháo rời có thể lấy ra và thay 
thế bằng một ổ đĩa khác. 



Lợi ích của loại đĩa 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 đĩa. Hơn nữa đĩa đó còn có thể di chuyển 
từ máy tính này sang máy tính khác.

Các mặt đĩa


Hầu hết các đĩa đều có 2 mặt trừ một số loại cũ 
chỉ có 1 mặt.

Số các tấm đĩa


Một  số  ổ  đĩa  cho  phép  xếp  chồng  nhiều  đĩa 
theo  chiều  thẳng  đứng  với  nhiều  tay  đòn  được 
cung  cấp.  Các  tấm  đĩa  như  thế  được  tổ  chức 
theo đơn vị disk pack (gói đĩa).


Cơ chế làm việc của đầu đọc


Cơ chế làm việc của đầu đọc trong thao tác đọc/ghi 
cho phép phân loại đĩa rất rõ ràng. Chúng ta có ba 
cơ chế như sau:






Cơ  chế  1:  giữ  đầu  đọc  ở  một  khoảng  cách  cố 

định với bề mặt đĩa
Cơ  chế  2:  cho  phép  tiếp  xúc  về  mặt  vật  lý  giữa 
đầu đọc với bề mặt đĩa
Cơ chế 3:  khoảng cách giữa đầu đọc với bề mặt 
đĩa 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  đĩa  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 đĩa 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  đĩa,  nguy  cơ 
pha tạp và không chính xác về dữ liệu càng lớn. 




Nhằm  đẩy  kỹ  thuật  đĩa  lên  một  bước  xa  hơn,  người  ta 
đã  chế  tạo  ra  ổ  đĩa  Winchester.  Các  đầu  đọc 
Winchester  được  sử  dụng  trong  các  ổ  đĩa  gần  như 
không  có  tác  nhân  tạp  chất.  Chúng  được  thiết  kế  để 
hoạt động gần hơn với bề mặt đĩa. Do đó cho phép làm 
tăng độ trù mật của dữ liệu trên đĩa.



Đầu đọc có dạng một lá khí động học nằm trên bề mặt 
đĩa khi đĩa không chuyển động. Áp suất không khí sinh 
bởi đĩa xoay tròn đủ làm cho lá rút lên khỏi bề mặt đĩa. 
Phần hệ thống không tiếp xúc với đĩa có thể được chế 
tạo để sử dụng với những đầu đọc kiểu mới này.


THỜI GIAN TRUY CẬP ĐĨA


Khi  ổ đĩa hoạt động, đĩa quay với vận tốc không đổi. 
Để  đọc  hoặc ghi,  đầu  đọc  định vị track  cần truy  cập 
và tại đầu của sector cần thao tác trên track đó. Việc 
chọn track bao gồm việc di chuyển đầu đọc (trong hệ 
thống đầu đọc di chuyển) hay lựa chọn một cách điện 
tử  một  đầu  đọc/ghi  (trong  hệ  thống  có  đầu  đọc  cố 
định). 




Với hệ thống có đầu đọc di chuyển được, thời gian 
cần để định vị track được gọi là  thời gian tìm kiếm 
(seek time). Trong hai trường hợp, khi track đã được 
chọn, hệ thống chờ 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 định vị 
dữ  liệu  cần  đọc/ghi.  Khi  đầu  đọc  đã  ở  đúng  vị  trí, 
thao tác đọc/ghi sẽ được thực hiện ngay khi sector 
di chuyển dưới đầu đọc.


7.2 BỘ NHỚ QUANG HỌC




Với sự ra đời của đĩa CD (Compact Disk) vào năm 
1983, sự phát triển của công nghệ lưu trữ đĩa bằng 
kỹ thuật quang học với giá thành thấp đã tiến thêm 
một bước đáng kể và hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc 
cách mạng hóa trong việc lưu trữ dữ liệu trên máy 
tính.
Trong  những  năm  vừa  qua,  nhiều  dạng  hệ  thống 
đĩa  quang  học  đã  được  phát  minh  và  ngày  càng 

được sử dụng phổ biến trong nhiều  ứng dụng máy 
tính. 


BỘ NHỚ QUANG HỌC


CD


CD Viết tắt của từ Compact Disk. Đây là loại đĩa 
không  thể  xóa  được,  dùng  để  lưu  trữ  thông  tin 
âm  thanh  đã  được  số  hóa.  Hệ  thống  thông 
thường  sử  dụng  các  đĩa  có  đường  kính  12  cm 
và  có  thể  dùng  để  ghi  hơn  60  phút  âm  thanh 
được phát liên tục. 


CD-ROM


Viết  tắt  của  cụm  từ  Compact  Disk
Read­Only  Memory.  Đây  là  loại  đĩa  không  thể 
xóa được,  dùng để lưu trữ dữ liệu máy tính. Hệ 
thống  thông  thường  sử  dụng  các  đĩa có  đường 
kính  12  cm  và  có  thể  dùng  để  chứa  hơn  550 
megabyte dữ liệu.


CD-I



Viết  tắt  của  cụm  từ  Compact  Disk 
Interactive.  Đây  là  một  đặc  tả  dựa  trên 
việc  sử  dụng  CD­ROM.  Nó  mô  tả  các 
phương  pháp  cung  cấp  âm  thanh,  video, 
hình  ảnh  đồ  họa,  văn  bản,  và  các  mã 
chương trình thực thi được trên CD­ROM.