BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KIẾN TRÚC MÁY TÍNH: NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ LIỆU TỪ TÍNH (Ổ ĐĨA CỨNG)

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
------

BÀI TẬP LỚN
CHỦ ĐỀ: NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ
LƯU TRỮ DỮ LIỆU TỪ TÍNH (Ổ ĐĨA CỨNG)

1


MỤC LỤC
CHƯƠNG I - CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG...............................2
2.1. Sơ đồ khối..................................................................................................3
2.2. Nguyên lý làm việc và đặc tính của các khối..........................................3
2.2.1. Đĩa từ..................................................................................................3
2.2.2. Đầu từ, thanh mang đầu từ..............................................................4
2.2.3. Bảng mạch điều khiển.......................................................................5
2.2.4. Bộ khung cơ khí (Vỏ đĩa cứng).........................................................7
2.3. Các chuẩn giao tiếp và cơ chế đọc ghi dữ liệu của ổ cứng....................8
2.3.1. Các chuẩn giao tiếp của ổ cứng........................................................8
2.3.2. Cơ chế đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng...........................10
2.4. Thông số và đặc tính của ổ cứng...........................................................11
2.4.1. Dung lượng.......................................................................................11
2.4.2. Tốc độ quay của ổ đĩa cứng............................................................11
2.4.3. Các thông số về thời gian của ổ đĩa cứng......................................12
2.4.4. Tốc độ truyền dữ liệu......................................................................12
2.4.5. Kích thước........................................................................................12
2.4.6. Sự sử dụng điện năng......................................................................12
2.4.7. Độ ồn.................................................................................................13
2.4.8. Chu trình di chuyển........................................................................13

2.4.9. Chịu đựng sốc..................................................................................13
2.4.10. Nhiệt độ và sự thích nghi..............................................................13
2.4.11. Các thông số về sản phẩm.............................................................13
2.4.12. Hệ số đan xen.................................................................................14
CHƯƠNG II - CẤU TRÚC LOGIC VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN Ổ
ĐĨA CỨNG.........................................................................................................14
3.1. Sơ đồ khối................................................................................................14
3.2. Nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của các khối........................15
3.2.1. Master boot record (MBR).............................................................15
3.2.2. DBR (DOS Boot Record)................................................................17
3.3.3. FAT (File Allocation Tables)...........................................................17
3.2.4. Root Directory.................................................................................18
3.2.5. Data Area..........................................................................................19
3.3. Tổ chức dữ liệu trên ổ đĩa cứng.............................................................19
3.4. Phương pháp truy xuất dữ liệu của ổ đĩa cứng...................................20

2


CHƯƠNG I - CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG
2.1. Sơ đồ khối

Hình 2.1: 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 nhơm, 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. Trên bề mặt đĩa từ có các điểm từ tính. Đĩa từ được chế tạo rất
đặc biệt giúp cho nó có khả năng lưu trữ tốt, an tồn và khơng bị “nhão” (nhả từ)
như các thiết bị đọc ghi bằng từ tính khác.

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 vịng trịn đồng tâm, phân bố từ trục
quay ra tới rìa đĩa. Mỗi vòng trong đồng tâm trên đĩa gọi là Track.
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 2.2: Hình mơ tả Cylinder
Trên một ổ đĩa cứng có nhiều cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa từ.

3


Hình 2.3: Mơ tả Track/Cluster/Sector(cung từ)
Mơ 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.

Hình 2.4: Mơ 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 là
3600 vịng/phút). Mơtơ trục (spindle mơtơ) có chức năng làm quay các đĩa từ.
Môtơ trục là loại mơtơ khơng có chỗi qt, chiều cao thấp, dùng điện một chiều,
tương tự như môtơ trong ổ đĩa mềm.
Tốc độ quay của motor trục quay: Thơng 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.
2.2.2. Đầu từ, thanh mang đầu từ
Đầu từ của ổ đĩa cứng thường được chế tạo như trong ổ đĩa mềm, lõi sắt
mềm cộng với 8 đến 34 (hoặc hơn) vòng dây đồng mảnh.

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.
Đầu từ đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn
dây (giống như nam châm điện). Đầu từ trong đĩa cứng có cơng dụng đọc dữ
4


liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặc từ hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ
liệu.
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).
Mơ tơ điều khiển thanh mang đầu từ đóng một vai trị 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 (mơ tơ quay đĩa từ) nếu khơng sẽ khơng thể đọc chính xác được dữ liệu.

Hình 2.6: Mơ 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.
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 mơ 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.
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.

5

Hình 2.8: một số thành phần trên bảng mạch điều khiển của ổ cứng
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. Đơn vị thường
bính bằng kB hoặc MB.
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)
- Bộ đệm “cứng” (on-board disk caches): sử dụng bộ nhớ và bộ điều khiển cache
- 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
- Buffers : Giữa buffers và cache có những điểm rất giống nhau. Có một điểm
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.
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 2.9: Jump cấp nguồn cho ổ cứng SATA
6


Hình 2.10: Jump cấp nguồn cho ổ cứng ATA

Hình 2.12: 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 thơng số
làm việc khác...

Hình 2.13: Mơ tả jumper thiết lập của ổ cứng
2.2.4. Bộ khung cơ khí (Vỏ đĩa cứng)
Bộ khung cơ khí rất quan trọng đối với hoạt động chính xác của ổ đĩa cứng,
ảnh hưởng đến sự hợp nhất về cấu trúc, về nhiệt và về điện của ổ đĩa. Các ổ đĩa
cứng thường dùng khung nhôm đúc, nhưng các ổ cứng loại nhỏ của máy tính
xách tay thường dùng vỏ plastic
Vỏ đĩa cứng gồm các phần: phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phần nắp
đậy lại để bảo vệ các linh kiện bên trong
7


Hình 2.14: Phần đế của ổ đĩa cứng

Hình 2.15: Phần nắp của ổ đĩa cứng
2.3. Các chuẩn giao tiếp và cơ chế đọc ghi dữ liệu của ổ cứng
2.3.1. Các chuẩn giao tiếp của ổ cứng
- ST-506/412 : tiêu chuẩn giao tiếp được phát triển bởi hãng Seagate và được sử
dụng vào thời kì những máy IBM sơ khai(1980).

Hình 2.16: Khe cắm chuẩn giao tiếp ST-512 của ổ cứng
- Enhanced Small Device Interface (ESDI): giao diện bộ điều khiển ổ cứng phải
cần một thiết bị trợ giúp riêng biệt.

8


Hình 2.17: Cổng giao tiếp ESDI

- Small Computer System Interface (SCSI): vẫn thường được gọi vui là
“skuzzy” (từ chữ SCSI mà ra), là một loại chuẩn giao tiếp thường được dùng để
kết nối máy tính cá nhân đến thiết bị khác như là ổ cứng, máy in, scanner và
CD-ROM.

Hình 2.18: Ổ cứng sử dụng giao tiếp SCSI
- Intergrated Drive Electronics (IDE): giao diện bộ điều khiển ổ cứng kết hợp
với bộ điều khiển điện tử trên board của ổ cứng. Giao tiếp EIDE là một phát
triển gần nhất của IDE.

Hình 2.19: Cổng giao tiếp IDE của ổ cứng
- Extended Intergrated Drive Electronics (EIDE)(Parallel ATA (PATA) cũng
được gọi là EIDE): chuẩn này còn được gọi là “Enhance IDE”, là một chuẩn
giao tiếp giúp cho bộ điều khiển ổ cứng có thể kết nối khá nhiều thiết bị lưu trữ
với máy tính
Ổ cứng SCSI là ổ cứng có tốc độ nhanh nhất trong các chuẩn ổ cứng bởi vì bộ
điều khiển SCSI (hoặc host adapter) có CPU riêng để quản lý việc truyền nhận
dữ liệu và công việc của các thiết bị liên quan mà khơng cần sự giúp đỡ của
CPU chính của hệ thống.
9


Hình 2.20: Jump tín hiệu của ổ cứng giao diện SATA
Chuẩn giao tiếp SATA sử dụng cáp dữ liệu gồm 7 dây dẫn (3 dây nối đất và 4
dây dữ liệu chia thành 2 cặp), có đầu nối rộng 8mm ở hai đầu. SATA sử dụng
cấu trúc điểm-điểm (point-to-point) để truyền dữ liệu, kết nối trực tiếp giữa chip
điều khiển và thiết bị lưu trữ, nên khơng cần cấu hình theo mơ hình master/slave
phức tạp như giao tiếp PATA.
Chuẩn SATA cũng sử dụng cáp nguồn khác với chuẩn đầu cắm nguồn 4 chân
của Molex đã tồn tại hàng chục năm nay. Tương tự như cáp dữ liệu, cáp nguồn

SATA cũng nhỏ dẹp, sử dụng đầu cắm 15 chân và cung cấp 3 mức nguồn 3,3V,
5V và 12V.
Các chip điều khiển SATA sử dụng giao tiếp AHCI (Advanced Host
Controller Interface) làm giao tiếp chuẩn, hỗ trợ các tính năng cao cấp của SATA
như tháo lắp nóng và NCQ (Native Command Queuing).
Serial ATA là một bước phát triển của giao diện lưu trữ vật lý song song ATA,
thay thế cáp chuẩn 40 sợi và đầu kết nối IDE thành cáp 7 sợi và đầu kết nối
SATA.
2.3.2. Cơ chế đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng
Cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theo
tuần tự mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm nào
trên bề mặt đĩa từ. Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ,
CPU sẽ địi hỏi dữ và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ liệu chứa trên nó. Khơng
đơn thuần như vậy CPU có thể địi hỏi nhiều hơn một tập tin dữ liệu tại một thời
điểm, khi đó sẽ xảy ra các trường hợp:
- Ổ đĩa cứng chỉ đáp ứng một yêu cầu truy cập dữ liệu trong một thời điểm, các
yêu cầu được đáp ứng tuần tự.
10


- Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu theo phương thức
riêng của nó.
Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện đồng thời hai chuyển động: Chuyển
động quay của các đĩa và chuyển động của các đầu đọc.
Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện trường để
đọc dữ. Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa.
Trong khi mật độ phân bố cứ hai năm thì tăng gấp đơi và có khi cịn nhiều
hơn , và tốc độ này đã tăng chậm dần . Giới hạn của Mật độ phân bố đối với
công nghệ ghi theo chiều dọc lại phụ thuộc vào Hiệu ứng Superparamagtic. Đó
chính là ngun nhân dẫn tới sự chậm trễ việc tăng dung lượng lưu trữ trên ổ

cứng dùng công nghệ ghi theo chiều dọc. Và đó cũng chính là ngun nhân tạo
ra cơng nghệ ghi vng góc ngày nay .
Một ưu thế trong cơng nghệ ghi vng góc chính là tạo được những Bit có
kích thước rất nhỏ khi so sánh với công nghệ ghi theo chiều dọc mà không bị
ảnh hưởng bới Hiệu ứng Superparamagtic
2.4. Thông số và đặc tính của ổ cứng
2.4.1. Dung lượng
Dung lượng ổ đĩa cứng (Disk capacity) là một thông số thường được người sử
dụng nghĩ đến đầu tiên, là cơ sở cho việc so sánh, đầu tư và nâng cấp.
Dung lượng ổ đĩa cứng được tính bằng: (số byte/sector) × (số sector/track) ×
(số cylinder) × (số đầu đọc/ghi). Dung lượng của ổ đĩa cứng tính theo các đơn vị
dung lượng cơ bản thơng thường: byte, kB MB, GB, TB.
2.4.2. Tốc độ quay của ổ đĩa cứng
Tốc độ quay của đĩa cứng thường được ký hiệu bằng rpm (viết tắt của từ tiếng
Anh: revolutions per minute) số vòng quay trong một phút. Tốc độ quay càng
cao thì ổ càng làm việc nhanh do chúng thực hiện đọc/ghi nhanh hơn, thời gian
tìm kiếm thấp.
Các tốc độ quay thông dụng thường là:
+ 3.600 rpm: Tốc độ của các ổ đĩa cứng đĩa thế hệ trước.
+ 4.200 rpm: Thường sử dụng với các máy tính xách tay mức giá trung bình và
thấp trong thời điểm 2007.

11


+ 5.400 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng 3,5” sản xuất cách đây 2-3 năm;
với các ổ đĩa cứng 2,5” cho các máy tính xách tay hiện nay đã chuyển sang tốc
độ 5400 rpm để đáp ứng nhu cầu đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn.
+ 7.200 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất trong thời gian từ 2008 trở
đi.

+ 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng trong các máy
tính cá nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ có sử dụng giao tiếp SCSI.
2.4.3. Các thông số về thời gian của ổ đĩa cứng
Thời gian tìm kiếm trung bình (Average Seek Time) là khoảng thời gian
trung bình (theo mili giây: ms) mà đầu đọc có thể di chuyển từ một cylinder này
đến một cylinder khác ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng).
Thời gian truy cập ngẫu nhiên (Random Access Time): Là khoảng thời gian
trung bình để đĩa cứng tìm kiếm một dữ liệu ngẫu nhiên. Tính bằng mili giây
(ms).
Thời gian truy cập dữ liệu(Data Access time) là tổng thời gian tìm kiếm,
chuyển đầu đọc và tìm sector trên 1 track xác định.
Thời gian làm việc tin cậy MTBF(Mean Time Between Failures) được tính
theo giờ (hay có thể hiểu một cách đơn thuần là tuổi thọ của ổ đĩa cứng).
2.4.4. Tốc độ truyền dữ liệu
Các thông số sau ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng:
- Tốc độ quay của đĩa từ.
- Số lượng đĩa từ trong ổ đĩa cứng
- Cơng nghệ chế tạo: Mật độ sít chặt của các track và công nghệ ghi dữ liệu trên
bề mặt đĩa (phương từ song song hoặc vng góc với bề mặt đĩa
- Dung lượng bộ nhớ đệm
2.4.5. Kích thước
Để đảm bảo thay thế lắp ráp vừa với các loại máy tính, kích thước của ổ đĩa
cứng được chuẩn hoá thành 6 loại là: 5,25 inch dùng trong các máy tính các thế
hệ trước. 3,5 inch dùng cho các máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ. 2,5 inch
dùng cho máy tính xách tay. 1,8 inch hoặc nhỏ hơn dùng trong các thiết bị kỹ
thuật số cá nhân và PC Card. 1,0 inch dùng cho các thiết bị siêu nhỏ (micro
device).
12

2.4.6. Sự sử dụng điện năng
Đa số các ổ đĩa cứng của máy tính cá nhân sử dụng hai loại điện áp nguồn: 5
Vdc và 12 Vdc (DC hoặc dc: Loại điện áp một chiều). Các ổ đĩa cứng cho máy
tính xách tay có thể sử dụng chỉ một loại điện áp nguồn 5 Vdc. Các ổ đĩa cứng
gắn trong các thiết bị số cầm tay khác có thể sử dụng các nguồn có mức điện áp
thấp hơn với cơng suất thấp.
Điện năng cung cấp cho các ổ đĩa cứng phần lớn phục vụ cho động cơ quay
các ổ đĩa, phần còn lại nhỏ hơn cung cấp cho bo mạch của ổ đĩa cứng. Tuỳ từng
loại động cơ mà chúng sử dụng điện áp 12V hoặc 5 Vdc hơn (thông qua định
mức tiêu thụ dịng điện của nó tại các mức điện áp này).
Ổ đĩa cứng thường tiêu thụ điện năng lớn nhất tại thời điểm khởi động của hệ
thống (hoặc thời điểm đĩa cứng bắt đầu hoạt động trở lại sau khi tạm nghỉ để tiết
kiệm điện năng) bởi sự khởi động của động cơ đồng trục quay các đĩa từ, cũng
giống như động cơ điện thơng thường, dịng điện tiêu thụ đỉnh cực đại của giai
đoạn này có thể gấp 3 lần cơng suất tiêu thụ bình thường.
2.4.7. Độ ồn
Độ ồn của ổ đĩa cứng là thông số được tính bằng dB, chúng được đo khi ổ đĩa
cứng đang làm việc bình thường.
2.4.8. Chu trình di chuyển
Chu trình di chuyển của cần đọc/ghi (Load/Unload cycle) được tính bằng số
lần chúng khởi động từ vị trí an tồn đến vùng làm việc của bề mặt đĩa cứng và
ngược lại. Thông số này chỉ một số hữu hạn những lần di chuyển mà có thể sau
số lần đó ổ đĩa cứng có thể gặp lỗi hoặc hư hỏng.
2.4.9. Chịu đựng sốc
Chịu đựng sốc (Shock - half sine wave): Sốc (hình thức rung động theo nửa
chu kỳ sóng, thường được hiểu là việc giao động từ một vị trí cân bằng đến một
giá trị cực đại, sau đó lại trở lại vị trí ban đầu) nói đến khả năng chịu đựng sốc
của ổ đĩa cứng khi làm việc.
2.4.10. Nhiệt độ và sự thích nghi
Nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của ổ đĩa cứng nhất

là bên trong nó các chuyển động cơ khí cần tuyệt đối chính xác. Nhiệt độ làm
việc của ổ đĩa cứng thường là từ 0 cho đến 40 độ C, điều này thường phù hợp
13


với nhiều môi trường khác nhau, tuy nhiên không chỉ có vậy: độ ẩm là yếu tố
liên quan và kết hợp với môi trường tạo thành một sự phá hoại ổ đĩa cứng.
2.4.11. Các thơng số về sản phẩm

Hình 2.30: Minh họa một ổ cứng với các thông số trên nó
Các thơng số:
- Ổ đĩa cứng này của hãng Western Digital, modern Caviar Black
- Đây là ổ có chuẩn giao tiếp SATA, với dung lượng bộ nhớ đệm là 64MB
- Serial Number: 50014EEL12345678
- Dung lượng: 2 Terabyte
2.4.12. Hệ số đan xen
Trong đĩa cứng có thêm một khái niệm là hệ số đan xen (interleave factor) của
các sector nhằm làm khớp tốc độ quay của đĩa từ với tốc độ mà đầu từ có thể xử
lý dữ liệu khi chúng qua hết một sector.
Hiện nay thì hệ số đan xen khơng cịn nữa vì tốc độ của các card điều khiển
trên các đĩa cứng này đã làm việc cực nhanh ,có thể ngang bằng với tốc độ quay
đĩa ,và như thế số thứ tự của các sector trên cùng một track lúc này mặc nhiên sẽ
được đánh liên tục nhau và như thế lúc nào hệ số đan xen = 1 cũng là tối ưu
nhất.
CHƯƠNG II - CẤU TRÚC LOGIC VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN Ổ
ĐĨA CỨNG
3.1. Sơ đồ khối
14

Hình 3.1: Sơ đồ khối cấu trúc logic của ổ đĩa cứng
Chú thích:
- Master Boot Record(MBR): chương trình kiểm tra bảng phân vùng và gọi boot
sector.
- DBR (DOS Boot Record): chứa thông số logic của từng phân vùng ổ cứng
- FAT File Allocation Tables: Hệ thống file FAT
- Root Directory: thư mục gốc của tất cả các thư mục tệp tin trên ổ đĩa cứng
- Data Area: khu vực lưu trữ dữ liệu
3.2. Nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của các khối
3.2.1. Master boot record (MBR)
Master Boot Record là cung từ vật lý đầu tiên của ổ cứng và lưu mã để nạp
(load), khởi động của ổ đĩa trong quá trình boot. MBR là Sector đầu tiên của ổ
đĩa cứng, nó chứa các thơng tin về các Partition như số thứ tự , tên ổ đĩa cứng,
trạng thái, kích thước của Partition gọi là các điểm vào. Mỗi MBR có thể quản
lý 4 điểm vào, mỗi điểm vào có kích thước 16 bytes, như vậy cần 64bytes để lưu
giữ các điểm vào này gọi là bảng Partition. Khơng gian cịn lại của Sector này
được lưu trữ chương trình Bootrap của đĩa khởi động.
MBR bao gồm 2 thành phần:
+ Master partition table: chứa thông tin về việc phân chia partition của đĩa, bao
gồm số các partition trên đĩa, kích thước và vị trí của từng partition, kiểu và cho
biết partition nào sẽ là partition chủ động (chứa hệ điều hành)
+ Master code: chứa chương trình khởi động (boootstrap routine). Chương trình
này sẽ tìm ra đâu là partition chủ động. Sau đó nó trao quyền khởi động cho
Boot record thuộc về partition chủ động.
15


MBR nằm tại sector 1, track 1, side 0. MBR chiếm từ địa chỉ Offset 0 đến
1BDh, trên thực tế MBR chỉ chiếm từ Offset 0 tới 0DFh.
Chức năng của MBR:

+ Kiểm tra bảng Partition để xác định xem Partition nào là chủ động (active
partition).
+ Nạp Boot Record của Partition chủ động vào bộ nhớ rồi chuyển điều khiển
cho Boot record của đĩa chủ để tiếp tục thực hiện quá trình khởi động.

Hình 3.2: Cấu trúc của Table Partition
Boot Record là chương trình nhỏ (viết bằng ngơn ngữ máy) mà chương trình
này sẽ khởi đầu quá trình nạp DOS vào bộ nhớ.
Sector (cung từ): Mỗi track là một vòng tròn dữ liệu có tâm là tâm của trục quay
đĩa từ. Một track chia thành rất nhiều cung, người ta gọi các cung này là sector
(cung từ). Sector là vùng vật lý chứa dữ liệu nhỏ nhất trong ổ cứng kể cả khi đọc
và ghi.
Cấu trúc của sector :
- Sector header (thông tin cơ bản) : lưu trữ các thông tin về vị trí đầu đọc ,
cylinder, và số thứ tự vật lý của sector
- Góc rỗng (GAP) : đối với một sector sự có mặt của góc rỗng là rất cần thiết.
Góc rỗng cung cấp cho đầu đọc/ghi một khoảng thời gian nhất định để nó có thể
chuyển từ việc đọc dữ liệu trên sector sang ghi dữ liệu. Khi đọc dữ liệu, đầu từ
sẽ bỏ qua góc rỗng.
- Dữ liệu: Thông thường khi ta format đĩa cứng duới nền Windows hoặc DOS
thì một sector có thể chứa được 512 byte dữ liệu. Phần cuối cùng của vùng dữ
liệu này chứa thông tin về mã sửa lỗi (ECCs), dùng cho việc phát hiện và sửa
lỗi.
16


- Góc rỗng mở rộng (Inter-GAP): Cung cấp cho đầu đọc 1 khoản thời gian nhất
định để đầu đọc có thể chuyển từ việc “ghi trên 1 sector này” sang “đọc sang
sector kết tiếp”. Khi đọc dữ liệu đầu đọc bỏ qua Góc rỗng mở rộng.
- Số sector trên một track: khi sản xuất ra đĩa cứng nhà sản xuất luôn ghi rõ ràng

những thông số liên quan đến ổ cứng trong đó có phần số sector trên một track
(sector per track).
3.2.2. DBR (DOS Boot Record)
DBR chứa Block thông số khởi động, thơng số logic của từng phân vùng(kích
cỡ, tên phân vùng, số lượng sector,…). Giá trị của block thông số khởi động phụ
thuộc hồn tồn vào kích cỡ của phân vùng và loại tệp hệ thống.
3.3.3. FAT (File Allocation Tables)
Để khắc phục tình trạng dung lượng lớn của đĩa cứng người ta đưa ra bảng
FAT 16 (216 điểm vào) và FAT 32, FAT NTFS (232 điểm vào) để quản lý cho
đĩa cứng. Với tốc độ tăng dung lượng của đĩa cứng như hiện nay trong tương lai
chắc chắn sẽ có FAT 64 và hơn nữa.
Bảng FAT là danh sách các mục vào nghĩa là có bao nhiêu cluster trên đĩa thì
có bấy nhiêu mục vào trong bảng FAT. DOS dùng FAT để quản lý các không
gian trong phần dữ liệu. Khi DOS ghi tập tin lên đĩa thì nó sẽ tìm các Cluster
cịn trống để ghi và nó cũng phát hiện Cluster nào bị lỗi. Muốn tìm một tệp tin ở
trên đĩa thì đầu tiên DOS tìm ở thư mục gốc. Độ dài của bảng FAT chính là ám
chỉ độ dài của mục vào (entry) tính là bit. Độ dài này phụ thuộc vào số lượng
cluster có ở trên đĩa. Nếu số cluster <4096 (2 12) thì độ dài của mục vào sẽ là 12
bit và lúc đó bảng FAT được gọi là FAT12. Hai mục vào đầu tiên của bảng FAT
dùng để lưu trữ mô tả về đĩa
=> Tóm lại, mục vào trong thư mục gốc của tệp tin sẽ chứa địa chỉ của cluster
đầu tiên. Trong bảng FAT, entry tương ứng với cluster đầu tiên này sẽ chứa số
hiệu cluster thứ 2, còn entry tương ứng với cluster thứ 2 lại chứa số hiệu cluster
thứ 3. Cứ tiếp tục như vậy cho tới khi nào gặp entry chứa số hiệu FFFh thì có
nghĩa đã đến cluster cuối cùng của tệp tin. Nếu tệp tin bị xố thì tất cả cluster
này sẽ bị đánh lại bằng 00h.
Như vậy là mỗi một tệp tin ở trên đĩa là tương ứng với một chuỗi các mục
vào trên bảng FAT và các mục vào đó tạo thành một danh sách liên kết mà con
trỏ ở đầu danh sách thì nằm ở bảng thư mục gốc. Mỗi mục vào trong danh sách
17

liên kiết đó chứa số hiệu của liên cung kế tiếp. Do FAT được dùng để điều khiển
toàn bộ phần dữ liệu sử dụng cho nên có đến 2 bản sao giống nhau của nó trên
đĩa để đề phịng trường hợp một bản bị hỏng. FAT 12 dùng 12bit để mã hố có
thể đánh tới 212 = 4096 liên cung (mỗi liên cung = 4 sector = 4*512=2048 byte =
2Kb). FAT 12 chỉ dùng đối với đĩa mềm và các ổ đĩa cứng có dung lượng <15M.
FAT 16 dùng 16 bit để mã hố có thể đánh tới 2 16 = 65536 liên cung. Tuỳ thuộc
vào dung lượng đĩa mà liên cung sẽ chiếm bao nhiêu sector. FAT 32 dùng 32 bit
mã hố có thể đánh tới 232 = 4.294.967.296 liên cung. Tuỳ thuộc vào dung lượng
đĩa mà liên cung sẽ chiếm bao nhiêu sector.
Cluster (chỉ dành riêng cho FATx File System): là đơn vị lưu trữ cơ bản được
chỉ định của đĩa từ. Cluster bao gồm 1 hoặc nhiều sector.
3.2.4. Root Directory
Root Directory là thư mục gốc chứa toàn bộ các thư mục nằm trên ổ đĩa
cứng.

Hình 3.5: Mơ tả Root Directory
Chú thích:
- C là thư mục gốc, chứa các thư mục con là DOCS, APPS, DOS
- Thư mục DOCS, APPS, DOS lại chứa các thư mục con của chúng. Ở đây
APPS chứa 2 thư mục con là SPREAD và GAMES.
Bất kỳ một ổ đĩa nào cũng chỉ có một thư mục gốc. Thư mục gốc có kích
thước cố định và được cất giữ cố định trên ổ đĩa cứng. Thư mục con coi như
phần bổ sung cho thư mục gốc, có kích thước thay đổi và có thể cất giữ ở bất kỳ
nơi nào ở trên đĩa. Thư mục gốc nằm ngay sau bảng FAT thứ 2, đây là dãy các
mục vào gọi là ENTRY. Mỗi một mục vào trên thư mục gốc thì tương ứng với
một tệp hoặc một thư mục con ở trên thư mục gốc. Thư mục gốc dùng để cất giữ
18

thông tin cơ bản nhất của những tập tin trên đĩa bao gồm tên và kích thước tập
tin, số hiệu cluster đầu tiên, ngày giờ tạo lập và vài thuộc tính đặc biệt. Thơng
tin duy nhất khơng chứa trong thư mục là vị trí chính xác của các cluster mà tập
tin chiếm giữ.
Số lượng ENTRY của thư mục con không bị hạn chế như thư mục gốc. Thư
mục gốc có số lượng giới hạn các ENTRY tùy theo kiểu đĩa.
Cấu trúc của một ENTRY:

Hình 3.6: Mơ tả của một ENTRY
3.2.5. Data Area
Gồm các block có kích thước bằng nhau và được đánh địa chỉ (12 hay 16
bit) để phân biệt. Đây chính là các cluster trên đĩa.
3.3. Tổ chức dữ liệu trên ổ đĩa cứng
Ở đây là “tổ chức dữ liệu cơ bản” (hay còn được gọi là tổ chức dữ liệu cấp
thấp) của ổ cứng để phân biệt rõ ràng với “tổ chức dữ liệu cấp cao” của ổ cứng
do những hệ thống file (file system) của những OS được cài đặt trên ổ. Tổ chức
dữ liệu cơ bản của đĩa cứng là cách sắp xếp những phần tử/đơn vị lưu trữ dữ liệu
ở mức thấp nhất mà nhà sản xuất đã quy định đồng thời các giá trị đo lường của
ổ cứng cũng được tuân thủ theo nguyên tắc riêng.
Hệ điều hành luôn luôn phải làm một công việc quan trọng đó chính là tổ
chức và tìm kiếm dữ liệu trên đĩa cứng. Đối việc việc tổ chức và tìm kiếm trên
đĩa từ thì độ tương tác giữa hệ điều hành và đĩa cứng lại càng phải thật mật thiết.
Để tăng tốc và tính hiệu quả cho việc truy xuất những byte dữ liệu đặc thù
trên đĩa từ, hệ điều hành phải xây dựng cấu trúc thư mục và những chỉ mục diễn
giải những gì mà nó chiếm dụng, những phần free và những phần không nên
19


được sử dụng nhằm tránh lỗi vật lý cho đĩa từ. Kiểu thơng tin của ổ đĩa thì được

gọi là “định dạng luận lý”.
Để lấy vị trí một vùng nào đó trên đĩa cứng, bộ điều khiển ổ cứng sẽ sử dụng
các đầu đọc ở những mặt đĩa khác nhau, vị trí track, và vị trí sector như thế PC
cũng phải chỉ định vị trí của “ổ đĩa” theo cách tương tự.
Hệ điều hành tổ chức thành “ổ đĩa luận lý” thành 2 vùng chính: vùng hệ thống
và vùng dữ liệu. Vùng hệ thống bao gồm các sector để boot (boot sector), bảng
hệ thống thông tin file (FAT) và thư mục gốc. Vùng dữ liệu thì dùng để chứa file
và folder.
Cách thức thông tin của một tập tin được lưu trữ trên đĩa cứng: Với phân
vùng FAT, dữ liệu được lưu trữ tại 3 nơi trên đĩa cứng, bao gồm: Directory Entry
chứa thông tin về tập tin gồm tên, dung lượng, thời gian tạo và số hiệu cluster
đầu tiên chứa dữ liệu của tập tin; FAT chứa số hiệu các cluster được sử dụng cho
tập tin và các cluster chứa dữ liệu của tập tin (vùng Allocation). Với phân vùng
NTFS, dữ liệu được lưu trữ trong MFT (Master File Table) Entry và vùng
Allocation.
3.4. Phương pháp truy xuất dữ liệu của ổ đĩa cứng
Bộ điều khiển ổ cứng (disk-controller) nắm giữ tồn quyền điều khiển ổ cứng.
Nó cho phép CPU và ổ cứng có thể làm việc tốt với nhau. Bản thân ATA/Ultra
DMA/PIO không được gọi là “chuẩn” mà là công nghệ giao diện truy xuất dữ
liệu. Khi ổ cứng được làm bởi các công nghệ này (tuỳ theo từng thế hệ) thì khả
năng truy xuất của chúng sẽ khác nhau (tương tự như chuẩn SCSI cũng chia
thành nhiều loại).
Direct Memory Access (DMA): cho phép định hướng truyền nhận dữ liệu trực
tiếp đến bộ nhớ hệ thống mà không cần thông qua CPU hệ thống. DMA gia tăng
tốc độ truyền tải bằng cách sử dụng bộ điều khiển DMA để quản lý dữ liệu
truyền nhận nhanh hơn nhiều so với việc điều khiển thông qua CPU. Hệ điều
hành cần phải cài đặt các driver tương thích DMA .
Bus Mastering DMA: cho phép card giao diện, hoặc bộ điều khiển ổ cứng,
quản lý sự truyền nhận dữ liệu từ ổ cứng trực tiếp đến bộ nhớ chính của hệ
thống.

Ultra DMA (UDMA): là phiên bản cuối cùng của giao thức ATA Bus
Mastering DMA. Nó nâng tốc độ truyền tải của ATA bus từ 16.6 Mgbyte/s lên
20


33 Mgbyte/s. Cơng nghệ ATA/ATAPI 4 có khả năng kiểm tra lỗi nhằm đảm bảo
tính tồn vẹn cho dữ liệu ở tốc độ cao.
Những điểm sau đây khiến ổ cứng khơng thể phát huy hết sức mạnh của nó:
- Cáp quá cũ , là dạng cáp chất lượng kém hoặc tháo ráp q nhìêu dẫn đến cáp
bị rách ngầm.
- Cơng suất của máy quá thừa
- Hệ thống bị over-clock vượt quá mức độ cho phép của nhà sản xuất gây ra lỗi
truyền nhận dữ liệu.
Sau đây là thống kê tốc độ của một số công nghệ gần đây:
- Tốc độ truyền tải lý thuyết của IDE bus (ATA)
DMA 0 16bit đơn (single word) 2.1 Mgbyte/s
PIO Mode 0 3.3 Mgbye/s
DMA 1 (SWord) – DMA 0 (MWord) 4.2 MgByte/s
PIO mode 1 5.2Mgbyte/s
PIO mode 2, Sword DMA 2 8.3 MgByte/s
- Tốc độ truyền tải lý thuyết của EIDE bus (ATA 2)
PIO mode 3 11.1 Mgbyte/s
MWord DMA 1 13.3Mgbyte/s
PIO Mode 4, MWord DMA 2 16.6mgbyte/s
- Tốc độ truyền tải lý thuyết của Ultra ATA (Ultra DMA)
MWord DMA 3/ Ultra ATA 33 33mgbyte/s
Ultra DMA 3 44Mbbyte/s
Ultra DMA 4 / Ultra ATA 66 66Mgbyte/s
Ultra DMA 5 / Ultra ATA 100 100Mgbyte/s

21