Ổ đĩa cứng là gì??? Nó hoạt động như thế nào?

Nếu như CPU là bộ óc của máy tính thì ổ cứng là bộ nhớ lâu dài, nơi lưu trữ cố định các dữ liệu.

Bánhxe và bánh răng! Nếu không có chúng thì cũng chẳng có ô tô hay ổ cứng.Trước khi bánh răng xuất hiện, người ta sử dụng băng từ để lưu trữ dữliệu, trên các máy lớn mainframe các băng từ này phải quay tít liên tụcđể xử lý hết được lượng dữ liệu lưu trữ khổng lồ. Một vấn đề rất khóchịu gặp phải ở băng từ là cơ chế đọc ghi tuần tự. Chẳng hạn bạn muốncó dữ liệu ở phần cuối băng, trong khi bạn đang ở đầu băng, phải làmthế nào đây? Sẽ chẳng có cách nào khác là bạn phải đau khổ ngồi chờ cáiquãng thời gian tưởng chừng chẳng bao giờ kết thúc để băng từ… quay từđầu tới phần dữ liệu bạn muốn. Đến lúc đó nhỡ bạn lại cần dữ liệu ở đầubăng thì sao? Không nói nhưng chắc hẳn ai cũng hình dung được gương mặtnhăn nhó khổ sở của bạn lúc ấy!

So với băng từ, đĩa từ nhanhhơn rất nhiều. Cơ chế ghi của đĩa từ cho phép bạn di chuyển đầu đọc(ghi) trực tiếp đến vị trí lưu trữ dữ liệu, cải tiến rõ rệt về thờigian so với việc bạn phải đợi hàng trăm mét băng từ quay tuần tự mãimới đến phần dữ liệu mong muốn.

Định nghĩa ổ cứng



Ổ cứng là thiết bị lưu trữ có thể đọc ghi dữ liệu nhanh chóng bằng một tập hợp các phân tử từ hoá trên các đĩa quay.

Nếunhư CPU là bộ não của máy tính thì ổ cứng là bộ nhớ lâu dài, lưu trữ dữliệu chương trình và hệ điều hành ngay cả khi máy ở trạng thái nghỉhoặc tắt. Hầu hết mọi người không thể thấy được phần bên trong của ổcứng. Bởi nó được phủ bên ngoài bởi một lớp vỏ kim loại (thường lànhôm). Bạn có thể tham khảo cấu tạo của nó tại phần bảng máy PC (mạchin) ở phía cuối.

Bảng PC này cung cấp cho chúng ta những cácthành phần đầu não của một ổ cứng như bộ điều khiển thiết bị vào ra(I/O controller), firmware, phần mềm nhúng. Các thành phần này có nhiệmvụ cho phần cứng biết phải làm gì và liên lạc như thế nào với máy tính.Trong bảng bạn cũng sẽ thấy một bộ phận khác là bộ đệm của ổ cứng. Bộđệm này là phần chứa dữ liệu tạm thời, chờ để được ghi hay gửi vào chobộ nhớ máy tính. Nhưng tốc độ của ổ cứng hiện đại ngày nay chậm hơngiao diện luồng dữ liệu có khả năng điều khiển.

Nếu bạn có mộtổ cứng rời, bạn sẽ thấy mỗi ổ cứng có từ một đến bốn platter (đĩa), mỗiplatter có đường kính gần 9cm. Đường kính của các platter dùng trongthiết bị di động sai khác khoảng 2.5 cm so với các platter trong cácthiết bị nghe nhạc, khoảng 4.5 cm với các platter ổ cứng pocket và 6.3cm với các platter dùng trong notebook. Các platter này cũng được biếtđến như là các disk được phủ một lớp vật liệu từ tính nhạy cảm trên cảhai mặt và sắp xếp các milimet phân tách thành một spindle (trục quay).Trong ổ cứng còn có một động cơ thay đổi luân phiên giữa spindle vàplatter. Các đĩa ổ cứng dùng trong notebook có tốc độ 4200, 5400 hoặc7200 vòng/phút. Các ổ của máy để bàn hiện nay thường ở mức 7200 hoặc10.000 vòng/phút. Nói chung tốc độ quay càng cao thì việc đọc dữ liệucàng nhanh.

Ghi từ tính

Dữ liệu được đọc và ghi thôngqua các dãy bit (đơn vị nhỏ nhất của dữ liệu số). Một bit chỉ có haitrạng thái 0, 1 hay bật/tắt. Các bit này được thể hiện theo chiều dọcphân tử trên bề mặt một platter, trong lớp phủ từ tính. Chúng được thayđổi (ghi) hoặc nhận ra (đọc) bằng phần từ tính trên đầu đọc (ghi). Dữliệu không chỉ được lưu trên ổ cứng dưới dạng thô mà đầu tiên nó đượcxử lý với các công thức toán học tổng hợp. Chương trình cơ sở trong ổsẽ bổ sung thêm các bit mở rộng vào dữ liệu, cho phép ổ tìm và chỉnhsửa các lỗi ngẫu nhiên.

Trong các ổ mới hiện nay, người ta thay thế cơ chếghi từ tính theo chiều dọc bằng một quá trình gọi là perpendicularmagnetic recording (ghi từ tính trực giao). Trong kiểu ghi này các phầntử được sắp xếp vuông góc với bề mặt platter. Do đó chúng có thể đượcgói gần nhau hơn với mật độ lớn, lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn. Mật độbit trong mỗi inch dày hơn có nghĩa là thông lượng của các dòng dữ liệudưới đầu đọc (ghi) sẽ nhanh hơn.


Thông tin được ghi và đọc từ cả hai mặt của đĩa, sửdụng cơ chế mounted on arms, di chuyển cơ học qua lại giữa phần trungtâm và rìa ngoài đĩa. Quá trình di chuyển này được gọi là “seeking”(tìm kiếm) và tốc độ di chuyển qua lại được gọi là “seek time” (thờigian tìm kiếm). Các thông tin đầu đọc (ghi) tìm kiếm nằm trên các track(rãnh), là những đường tròn dữ liệu đồng tâm trên ổ. Các track đượcchia thành nhiều đơn vị logic gọi là sector (cung từ). Mỗi một sectorcó địa chỉ riêng (số track cộng với số sector), được dùng để tổ chức vàđịnh vị dữ liệu.

Nếu ổ đọc (ghi) không đến được track cần tìm,bạn sẽ phải trải qua cái gọi là góc trễ (latency) hay độ trễ quay(rotational delay) hầu hết đều ở mức trung bình. Độ trễ này xuất hiệntrước khi một sector quay bên dưới đầu đọc(ghi) và sau khi nó tìm thấytrack cần tìm.

Mạch ghép nối là gì?

Thông thường cácmáy tính sử dụng kết nối PATA (Parallel Advanced Technology Attachment)hoặc SATA (Serial ATA) trong ổ cứng. Thậm chí bạn có thể sử dụng đồngthời cả hai kết nối này vì hầu hết các bo mạch chủ hiện đại bây giờ đềuđưa ra cả hai kiểu giao diện. Chúng ta đang ở thời kỳ chuyển giao giữaPATA và SATA nên sắp xếp như vậy rất hợp lý. Giao diện PATA vẫn còn cầnthiết trong các kết nối của ổ quang trong (internal optical drive) vớimáy tính. Sự song song trong PATA nghĩa là dữ liệu được gửi song songxuống các dòng đa dữ liệu. SATA gửi dữ liệu theo kiểu hàng loạt qua lạigiữa các cặp dây xoắn đơn.

Ổ PATA (thông thường được gọi là ổIDE) được phát triển với nhiều tốc độ khác nhau. Mạch ghép nối ATAnguyên bản của những năm 80 hỗ trợ tốc độ truyền tải lớn nhất là 8,3MB/giây, một tốc độ rất nhanh thời bấy giờ. ATA-2 nâng thông lượng tốiđa lên mức 16,6 MB/giây. Lần lượt sau đó là Ultra ATA với các tốc độ 33MB/giây, 66 MB/giây, 100 MB/giây. Và đến 133 MB/giây của Ultra DMA-33(Direct Memory Access – Truy cập bộ nhớ trực tiếp) qua Ultra DMA-133hay Ultra ATA-33 qua Ultra ATA-133. Sau đó đại đa số sử dụng UltraATA-66 hoặc hơn.



Một ổ ATA điển hình sử dụng cable có độ rộng 2 inch,40 hoặc 80 (sợi), mặc dù một số cáp 40 chân có dạng vòng. Các ổ của máyđể bàn chủ yếu sử dụng bộ kết nối 40 chân, các cáp mở rộng 80 là đểphân tách một cách vật lý các sợi dữ liệu nhằm tránh hiện tượng nhiễuxuyên âm ở ATA-100 và ATA-133. Notebook với ổ 2,5 inch sử dụng bộ kếtnối 44 chân, ổ 1,8 inch sử dụng bộ kết nối 50 chân.

Với tốc độ133 MB/giây, mạch ghép nối ATA dần không xử lý được các thách thức vềmặt kỹ thuật. Mạch SATA ra đời đã giải quyết các vấn đề của ATA. Hiệntại SATA có hai tốc độ chính: 150MBps và 300MBps và hai phiên bản mới1,5 gigabit/giây (gbps) SATA và 3 gbps SATA . Nhưng thuật toán của cácphiên bản mới này khá mờ nhạt: 3gbps được chia thành 8 (tổng số bittrong một byte) trở thành 375 MBps (không phải là 300MBps). Nguyên nhândo tốc độ gbps là tốc độ tín hiệu; 300MBps là tốc độ truyền tải dữ liệulớn nhất. Và đến nay tốc độ mạch nối vẫn chưa được nhân đôi thêm lầnnữa. Tốc độ truyền tải dữ liệu của ổ đơn SATA thường được duy trì ở mức150MBps. Nếu sử dụng chế độ RAID, cung cấp dữ liệu từ hai hay nhiều ổvào đường ống dẫn thì sẽ sử dụng được băng thông lớn hơn từ giao diện300MBps.

Ổ SATA có cáp gọn và bộ kết nối nhỏ hơn ổ ATA. Điềuđó cho phép có nhiều kết nối hơn trong bảng mạch chính và nhiều dòngkhí bên trong hộp máy. SATA còn đơn giản hoá phần cài đặt bằng cách sửdụng cấu trúc mạng point-to-point (điểm tới điểm), cho phép sử dụng mộtkết nối cho mỗi cổng và cáp. Cấu trúc này cải tiến hơn nhiều so với cácjumper và kết nối master/slave của ổ PATA, trong cấu trúc của ổ PATAmột cáp được dùng để kết nối 2 ổ. Không giống như PATA, SATA phù hợpvới các ổ ngoài gắn trực tiếp, cho phép sử dụng cáp dài 2m trong mộtgiao diện, góp phần cải tiến tốc độ hơn nhanh đáng kể so với USB 2.0 vàFireWire. External SATA có bộ kết nối hơi khác hơn một chút, tốc độđược cải thiện, được thiết kế để khoá tại một chỗ, nhiều lỗi được sửachữa và tính tương thích hoàn chỉnh.

Một giao diện kết nốikhác khá phổ biến trước đây, nhưng hiện không còn được nói tới nhiều làSCSI (for Small Computer System Interface). Tại thời kỳ phát triển,SCSI là phương tiện lưu trữ chương trình thực thi ổ cứng để bàn khánhanh. Nhưng SATA đã dần thay thế SCSI.

Ổ cứng trong tương lai

Cóthể nói sau này tất cả các ổ cứng để bàn và di động sẽ dùng mạch giaotiếp SATA với cơ chế ghi từ tính trực giao. Bất kỳ máy PC mới nào cũngsẽ có ít nhất một mạch SATA; Bạn có thể nâng cấp ổ của mình thành ổtrực giao khi giá thành hạ. Dung lượng ổ sẽ tiếp tục lớn lên theo cấphàm mũ trong khi tốc độ thực thi chỉ phát triển ở mức trung bình