Bài giảng Kiến trúc máy tính (ThS. Nguyễn Hằng Phương) Chương 6

Chương 6
Bộ nhớ ngoài
1


6.1 ĐĨA TỪ
Cơ chế đọc và ghi từ
Tổ chức và Định dạng Dữ liệu
Tính chất vật lý
Các tham số hiệu suất đĩa
6,2 RAID
RAID cấp 0
….
RAID CẤP 6
6.3 CÁC Ổ SSD
Bộ nhớ flash
SSD So với HDD
Tổ chức SSD
Những vấn đề thực tế
6.4 BỘ NHỚ QUANG HỌC
Đĩa compact
Đĩa đa năng kỹ thuật số
Đĩa quang Độ nét cao
6.5 BĂNG TỪ

NỘI DUNG
2


Đĩa từ
• Đĩa từ là một tấm platter trịn chế tạo bằng vật liệu khơng

từ tính, đƣợc gọi là chất nền (substrate), đƣợc phủ một
lớp vật liệu có từ tính lên trên.
– Chất nền thƣờng là vật liệu nhôm hoặc hợp kim nhơm

• Gần đây, chất nền thủy tinh đƣợc sử dụng.
• Ƣu điểm của chất nền thủy tinh:
– Tăng tính đồng nhất bề mặt  tăng độ tin cậy của đĩa

– Giảm các khiếm khuyết bề mặt  giảm lỗi đọc-ghi
– Độ cứng tốt hơn  giảm động lực đĩa
– Khả năng chống sóc và hƣ hỏng tốt hơn
– Lower flight heights
3


CƠ CHẾ ĐỌC – GHI TỪ
 Dữ liệu đƣợc ghi vào đĩa/ lấy ra từ đĩa thông qua 1 cuộn dây
dẫn đƣợc gọi là đầu
 Hệ thống thƣờng có 2 đầu: đầu đọc và đầu ghi
 Trong quá trình đọc hoặc ghi, đầu đứng yên trong khi đĩa xoay
bên dƣới

 Ghi
 Lợi dụng tính chất: dịng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trƣờng
 Xung điện đƣợc gửi đến đầu ghi  mẫu từ sinh ra đƣợc ghi vào
bề mặt bên dƣới.


Các mẫu từ khác nhau thể hiện dòng điện dƣơng và âm

 Đầu ghi đƣợc làm bằng vật liệu từ hố, dạng hình chữ nhật rỗng
với khe hở dọc một cạnh và vòng dây dẫn ở dọc cạnh đối diện
 Dòng điện chạy trong dây tạo ra từ trƣờng trên khe  từ hố một
vùng nhỏ của mơi trƣờng ghi
 Đảo chiều dòng điện sẽ làm đảo chiều từ hóa trên mơi trƣờng ghi
4


CƠ CHẾ ĐỌC – GHI TỪ
Đọc (truyền thống )
 lợi dụng tính chất: từ trƣờng chuyển động quanh cuộn dây tạo
ra dòng điện trong cuộn dây
 Khi bề mặt đĩa đi qua đầu, nó tạo ra một dịng điện cùng cực
với dòng đã ghi.
 Cấu trúc của đầu đọc cơ bản giống đầu ghi, do đó cùng một
đầu có thể đƣợc sử dụng cho cả đọc và ghi.
Đọc (hiện đại)
 Địi hỏi phải có đầu đọc, ghi riêng biệt
 bộ cảm biến điện từ (MR) đƣợc che một phần
 điện trở phụ thuộc vào hƣớng từ trƣờng di chuyển bên dƣới
 tần số vận hành cao hơn  mật độ lƣu trữ lớn hơn và tốc độ
nhanh hơn.

5


Đầu đọc điện từ/ Đầu ghi điện cảm

6

Bố trí dữ liệu trên đĩa
• Vịng trịn đồng tâm – track
– Rãnh (gap) giữa các track
 giảm lỗi
– Độ rộng của track = độ
rộng đầu
• Track chia thành các sector
• Sector: đơn vị dữ liệu đọc ra
khỏi đĩa/ ghi vào đĩa
– có hàng trăm sector/track
– độ dài sector cố định hoặc
biến đổi
– phổ biến là sector 512 byte
7


Vận tốc đĩa
Bit gần tâm đĩa quay sẽ đi qua 1 điểm cố định chậm hơn so
với bit bên ngoài !

 2 giải pháp
 Vận tốc góc khơng đổi (CAV)





Tăng khoảng cách giữa các bit trong các track khác nhau
Các sector hình pie và các track đồng tâm

Ƣu: Đánh địa chỉ từng khối dữ liệu theo track và sector
Nhƣợc: Lãng phí khơng gian các track ngồi
 Mật độ dữ liệu thấp hơn

 Ghi nhiều vùng để tăng công suất
 Bề mặt chia thành nhiều vùng đồng tâm. Các track cùng 1
vùng có số bit nhƣ nhau.
 Mạch phức tạp hơn
8


Sơ đồ phƣơng pháp bố trí đĩa

Vận tốc góc khơng đổi
+ đánh địa chỉ trực tiếp cho từng
khối DL theo track và sector
-- dung lƣợng dữ liệu hạn chế

Ghi nhiều vùng
+ tổng dung lƣợng lƣu trữ lớn hơn
-- mạch điện phức tạp hơn
9


Đặc tính vật lý của hệ thống đĩa
• Chuyển động đầu
-Đầu cố định
-Đầu di chuyển
• Tấm platter
-Đơn tấm

-Đa tấm
• Tính di động của đĩa
-Đĩa khơng tháo đƣợc
-Đĩa tháo đƣợc

• Cơ chế
-Tiếp xúc (điã mềm)
-Rãnh cố định
-Rãnh khí động học
(Winchester)
• Mặt
-1 mặt
-2 mặt

10


Đặc tính (2)
 Đĩa có đầu cố định
 Một đầu đọc-ghi cho mỗi track
 Đầu đƣợc gắn trên một cánh tay cố định kéo dài
trên tồn bộ tracks
 Đĩa có đầu di chuyển
 Một đầu đọc-ghi
 Đầu đƣợc gắn trên một cánh tay
 Cánh tay có thể đƣợc kéo dài hoặc rút ngắn

 Đĩa hai mặt
 Lớp phủ từ tính đƣợc phủ lên cả
hai mặt của tấm platter

11


Đặc tính (3)
 Đĩa tháo được
 Có thể đƣợc gỡ ra và thay thế bằng một đĩa khác
 Ƣu điểm:
 Hệ thống đĩa hữu hạn nhƣng sẵn sàng chứa lƣợn
dữ liệu vơ hạn
 Đĩa có thể đƣợc di chuyển từ hệ thống máy tính
này sang hệ thống khác
 Ví dụ: đĩa mềm, đĩa cartridge ZIP
 Đĩa không tháo được
 Gắn cố định vào ổ đĩa
 VD: Đĩa cứng trong máy tính cá nhân
12


Đa tấm platter
 ổ đĩa chứa nhiều tấm đĩa
xếp chồng lên nhau theo
chiều dọc
 Nhiều cánh tay gắn cố
định trên 1 trục
 một đầu đọc-ghi cho 1 bề
mặt platter
 Các đầu đƣợc gắn cố
định, thẳng hàng với nhau
 di chuyển cùng nhau
 Các track gióng hàng trên

mỗi tấm platter tạo thành
các hình trụ

13


Cylinder

14


Phân loại
Dựa vào cơ chế hoạt động, phân thành 3 loại đĩa
• Rãnh cố định: truyền thống, đầu đọc-ghi cách platter 1 khoảng
cố định
• Tiếp xúc: Đầu tiếp xúc với môi trƣờng đọc-ghi khi thực hiện
đọc/ghi (VD: đĩa mềm – rẻ, nhỏ, chậm)
• Rãnh khí động học: Đầu hoạt động gần bề mặt đĩa
– VD: đĩa Winchester

• Mối quan hệ giữa mật độ dữ liệu và khoảng cách đầu-mặt đĩa:
– Đầu phải tạo ra hoặc cảm nhận 1 trƣờng điện từ đủ lớn thì mới
ghi và đọc đúng
– Đầu càng hẹp  càng phải đặt gần bề mặt platter
– Đầu hẹp hơn nghĩa là track hẹp hơn  mật độ dữ liệu lớn hơn
– Đầu càng gần đĩa  khả năng lỗi càng cao
15


Đầu đĩa Winchester

• Phát triển bởi IBM ở Winchester, Mỹ
• Dùng trong các cụm ổ kín, hầu nhƣ khơng có chất gây ơ nhiễm

• Đầu hoạt động gần bề mặt đĩa hơn so với các đầu đĩa cứng
thông thƣờng, do đó mật độ dữ liệu lớn hơn
• Là 1 tấm foil khí động học đặt nhẹ trên bề mặt đĩa khi đĩa
khơng di chuyển
• Áp suất khơng khí sinh ra khi đĩa quay
làm tấm foil nâng lên khỏi bề mặt
 khoảng cách rất nhỏ
• Bộ nhớ ngồi nhanh nhất
16


Các thơng số đĩa cứng điển hình

17


Thời gian truyền vào ra của đĩa

Rotation delay

18


Các tham số hiệu năng
• Khi ổ đĩa đang hoạt động đĩa quay với vận tốc khơng đổi
• Để đọc/ghi, đầu phải đƣợc đặt ở track mong muốn và ở sector đầu
tiên của track đó

– Chọn track bằng cách di chuyển đầu (hệ thống đầu đĩa di chuyển đƣợc)
hoặc lựa chọn đầu (hệ thống đầu cố định)
– Khi đã chọn đƣợc track, đợi đến khi sector thích hợp xoay tới chỗ đầu

• Thời gian tìm kiếm là thời gian cần để đặt đƣợc đầu vào track
• Trễ quay là thời gian cần để điểm bắt đầu sector chạm đến đầu
• Thời gian truy nhập = Thời gian tìm kiếm + Trễ quay
– Thời gian cần để vào vị trí đọc và ghi

• Thời gian truyền
– Khi đầu vào vị trí, thao tác đọc/ghi đƣợc thực hiện khi sector di chuyển
dƣới đầu
– Đây là giai đoạn truyền dữ liệu
19


RAID

• Sử dụng nhiều đĩa để nâng cao hoạt
động

• Gồm 7 mức

Independent Disks

• Mức khơng thể hiện mối quan hệ
thứ bậc mà là các kiến trúc thiết kế
khác nhau có chung ba đặc điểm:

Mảng dƣ thừa nhiều

đĩa độc lập

1) Tập hợp các ổ đĩa vật lý đƣợc hệ
điều hành coi nhƣ một ổ đĩa logic
đơn

Redundant Array of

2) Dữ liệu đƣợc phân bố trên các ổ đĩa
vật lý của một mảng theo cơ chế
striping – phân dải

3) Dung lƣợng đĩa dƣ thừa đƣợc sử
dụng để lƣu trữ thông tin parity, đảm
bảo khả năng phục hồi dữ liệu trong
trƣờng hợp đĩa bị hỏng
20


RAID Levels

21

N = number of data disks;

m proportional to log N


RAID mức
0, 1, 2

Hỗ trợ dung lƣợng dữ liệu trên bốn đĩa (khơng có sự dƣ thừa)

22


RAID
mức
3, 4, 5, 6
Hỗ trợ dung lƣợng dữ
liệu trên bốn đĩa (khơng
có sự dƣ thừa)

23


Ánh xạ dữ liệu trên Mảng RAID mức 0

•
•
•
•
•
•

Khơng có dƣ thừa
Dữ liệu trên đĩa logic đƣợc chia thành các dải (strip)
Dữ liệu đƣợc rải trên tất cả các đĩa vật lý (nhờ phần mềm
quản lý mảng)
Rải kiểu Round Robin

Xử lý song song tối đa n dải/lần  Tăng tốc độ truyền
24
Lỗi đĩa bất kỳ gây ra mất dữ liệu


RAID
Level 0



Addresses the issues of request patterns of
the host system and layout of the data



Impact of redundancy does not interfere
with analysis

R
a
i
d
0

RAID 0 cho khả năng truyền
dữ liệu cao
Ứng dụng muốn có tốc độ
truyền tải cao, phải đáp ứng 2
u cầu:
• Phải có dung lƣợng truyền

tải cao trên tồn bộ đƣờng
dẫn giữa bộ nhớ máy chủ và
các ổ đĩa riêng lẻ
• Ứng dụng phải tạo ra các
yêu cầu I/O để điều khiển
mảng đĩa một cách hiệu quả

RAID 0 cho Tốc độ yêu cầu
I/O cao


Với 1 yêu cầu I/O cho 1 lƣợng nhỏ
dữ liệu, chiếm phần lớn thời gian
I/O là thời gian tìm kiếm và trễ
xoay



Mảng đĩa có thể cung cấp tốc độ
thực thi I/O cao bằng cách cân
bằng tải I/O trên nhiều đĩa



Nếu kích thƣớc dải lớn, có thể xử
lý song song nhiều yêu cầu I/O
đang đợi, giảm thời gian xếp hàng
cho mỗi yêu cầu
25