Slide Bài giảng 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 đơi 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 hố 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 24-inch

1962 IBM sản xuất thành cơng hệ thống lưu trữ kết hợp 6 ổ đĩa cứng 14-inch, mỗi
ổ có dung lượng lưu trữ 2MB.
1979 IBM sản xuất thành công ổ đĩa cứng 8-inch.
1980 Ổ đĩa cứng 5.25-inch Winchester lần đầu tiên ra mắt. Thiết kế của loại ổ đĩa
này đóng một vai trị quan trọng trong sự phát triển của thị trường PC.
1983 Rodine ra mắt ổ đĩa cứng 10MB 3.25-inch. Kích thước ổ đĩa này hiện vẫn là
kích thước chuẩn của ổ đĩa cứng hiện nay.
1988 PrairieTek ra mắt ổ đĩa cứng 2.5-inch 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 1.8-inch. Loại ổ đĩa này chỉ thực sự được
biết đến khi Apple tung ra chiếc iPod đầu tiên khoảng 10 năm trước đây.
1992 Hewlett-Packard ra mắt ổ đĩa cứng 1.3-inch.
1999 IBM ra mắt ổ đĩa cứng "tí hon" 1-inch 340MB. Dung lượng loại ổ này hiện
đã lên tới 8GB
2004

Toshiba thu nhỏ kích thước ổ đĩa cứng xuống cịn 0.85 inch. Đây được xem
là chiếc ổ đĩa cứng nhỏ nhất thế giới


7.1 ĐĨA TỪ






Đĩa từ là một tấm kim loại/nhựa hình trịn 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 dịng điện đi
qua ống xoắn. Các xung động được gửi đến đầu đọc,
sau đó những khn 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
dịng điện có cùng cực với dịng 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 khơng 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 thơng 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. Thơng 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 mơ 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 khơng có giới hạn trên
một hệ thống giới hạn các ổ đĩa. Hơn nữa đĩa đó
cịn 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 q 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 khơng 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 khơng 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 trịn 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 khơng thể xóa được, dùng để lưu
trữ thơng tin âm thanh đã được số hóa. Hệ
thống thơng 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
Read-Only Memory. Đây là loại đĩa khơng
thể xóa được, dùng để lưu trữ dữ liệu máy
tính. Hệ thống thơng 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 CD-ROM. Nó mơ tả
các phương pháp cung cấp âm
thanh, video, hình ảnh đồ họa, văn
bản, và các mã chương trình thực thi
được trên CD-ROM.