Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Bộ nhớ ngoài - Nguyễn Hằng Phương

6 
Các thông 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 không 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 
 • Sử dụng nhiều đĩa để nâng cao hoạt 
 RAID động 
 • Gồm 7 mức 
 • Mức không thể hiện mối quan hệ 
Redundant Array of 
 thứ bậc mà là các kiến trúc thiết kế 
Independent Disks khác nhau có chung ba đặc điểm: 
 1) Tập hợp các ổ đĩa vật lý đƣợc hệ 
Mảng dƣ thừa nhiều điều hành coi nhƣ một ổ đĩa logic 
đĩa độc lập đơn 
 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 (không có sự dƣ thừa) 22 
 RAID 
 mức 
3, 4, 5, 6 
Hỗ trợ dung lƣợng dữ 
liệu trên bốn đĩa (không 
có sự dƣ thừa) 
 23 
Ánh xạ dữ liệu trên Mảng RAID mức 0 
 • Không 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 
 • Lỗi đĩa bất kỳ gây ra mất dữ liệu 24 
  Addresses the issues of request patterns of R
 RAID the host system and layout of the data a
 i
 Level 0  Impact of redundancy does not interfere d
 with analysis 
 0
 RAID 0 cho khả năng truyền RAID 0 cho Tốc độ yêu cầu 
 dữ liệu cao I/O cao 
Ứng dụng muốn có tốc độ  Với 1 yêu cầu I/O cho 1 lƣợng nhỏ 
truyền tải cao, phải đáp ứng 2 dữ liệu, chiếm phần lớn thời gian 
yêu cầu : I/O là thời gian tìm kiếm và trễ 
 xoay 
• Phải có dung lƣợng truyền 
 tải cao trên toàn bộ đƣờng  Mảng đĩa có thể cung cấp tốc độ 
 dẫn giữa bộ nhớ máy chủ và thực thi I/O cao bằng cách cân 
 các ổ đĩa riêng lẻ bằng tải I/O trên nhiều đĩa 
• Ứng dụng phải tạo ra các  Nếu kích thƣớc dải lớn, có thể xử 
 yêu cầu I/O để điều khiển lý song song nhiều yêu cầu I/O 
 mảng đĩa một cách hiệu quả đang đợi, giảm thời gian xếp hàng 
 cho mỗi yêu cầu 
 25 
 R
 a
 RAID i
 d
 Level 1 
 1
 Hiệu quả 
 Đặc điểm 
 • đọc từ một trong hai đĩa chứa 
• Khác với RAID mức 2 đến dữ liệu yêu cầu 
 6 ở cách tạo độ dƣ thừa: 
 • Ghi song song vào cả 2 đĩa 
 sao chép tất cả dữ liệu – 
 Mirror • Dễ khắc phục sai sót. Khi 1 đĩa 
 hỏng, truy cập dữ liệu từ ổ đĩa 
• phân dải dữ liệu 
 thứ hai 
• mỗi dải logic đƣợc ánh xạ 
 • Đọc nhanh cung cấp bản sao 
 tới 2 đĩa vật lý riêng biệt 
 thời gian thực của tất cả dữ liệu 
 sao cho mỗi đĩa trong 
 mảng đều có 1 đĩa bản • đạt đƣợc tốc độ yêu cầu I/O cao 
 sao chứa dữ liệu giống nếu phần lớn các yêu cầu là 
 hệt đọc 
 • Nhƣợc điểm: đắt 
 26 
 R
 a
 RAID i
 d
 Level 2 
 2
 Đặc điểm Hiệu quả 
 • Mã sửa lỗi đƣợc tính từ các 
• Truy cập song song 
 bit tƣơng ứng trên mỗi đĩa dữ 
• Trong mảng truy cập song liệu. Các bit mã đƣợc lƣu trữ ở 
 song, tất cả các đĩa đều các vị trí bit tƣơng ứng trên 
 tham gia vào xử lý yêu cầu các đĩa chẵn lẻ 
 I/O 
 • Thƣờng dùng mã Hamming, 
• Trục của các ổ đĩa đƣợc có thể sửa lỗi đơn bit và phát 
 đồng bộ sao cho các đầu đĩa hiện lỗi đôi bit 
 ở vị trí nhƣ nhau trên mỗi đĩa 
 • Số lƣợng đĩa dƣ thừa tỷ lệ với 
 vào bất kỳ thời điểm nào 
 log của số đĩa dữ liệu 
• Phân dải dữ liệu 
 • Chỉ hiệu quả trong môi trƣờng 
 – Dải rất nhỏ, thƣờng bằng 1 xảy ra nhiều lỗi đĩa 
 byte hoặc 1 word 
 27 
 R
 RAID a
 i
 Level 3 d
 3
 Hiệu quả 
Độ dư thừa 
 • Khi ổ đĩa bị hỏng, ổ đĩa chẵn lẻ 
• Chỉ cần 1 đĩa dƣ thừa, đƣợc truy cập và dữ liệu đƣợc tái 
 không phụ thuộc độ lớn tạo 
 mảng đĩa 
 • Dữ liệu trên đĩa hỏng đƣợc tái tạo 
• Mỗi bit của đĩa parity làmột lại từ dữ liệu còn sót lại + thông 
 hàm parity của các bit tƣơng tin parity 
 ứng trên tất cả các đĩa khác 
 • Trong một môi trƣờng định 
• Truy cập song song, với dữ hƣớng giao dịch, hiệu suất bị ảnh 
 liệu phân phối trong các dải hƣởng 
 rất nhỏ 
 • Có thể đạt đƣợc tốc độ truyền dữ 
 liệu rất cao 
 28 
 R
 a
 RAID i
 d
 Level 4 
 4
Đặc điểm 
Đặc điểm Hiệu quả 
. Truy cập độc lập 
Trong mảng truy cập độc lập, từng • Mỗi khi xuất hiên lệnh ghi, phần 
đĩa thành phần hoạt động độc lập mềm quản lý mảng phải 
sao cho các yêu cầu I/O riêng lẻ – đọc dải ngƣời dùng cũ và dải 
có thể đƣợc đáp ứng song song chẵn lẻ cũ để tính bit chẵn lẻ mới 
. Phù hợp tốc độ yêu cầu I/O – cập nhật cả 2 dải với dữ liệu mới 
 và các bit parity mới tƣơng ứng 
 cao, không phù hợp tốc độ 
 truyền cao • Do đó 1 lần ghi dải gồm 2 lần 
 đọc + 2 lần ghi 
. Phân dải dữ liệu: Dải lớn 
 • Khả năng tắc nghẽn 
. Dải parity tính theo dải dữ liệu 
 tƣơng ứng ở ổ dữ liệu 
 29 
 R
 a
 i
 d
 5
 RAID Level 5 RAID Level 6 6
 Đặc điểm 
 Đặc điểm 
• Tƣơng tự nhƣ RAID 4 • 2 phép tính chẵn lẻ 
• Chỉ khác ở sự phân bố dải • kết quả lƣu ở các khối khác 
 chẵn lẻ trên tất cả các đĩa nhau trên các đĩa khác nhau 
• Phân bổ bằng cơ chế quay • Ƣu điểm: tính sẵn sàng dữ liệu 
 vòng round-robin cực cao 
• Việc phân phối dải chẵn lẻ • Dữ liệu chỉ mất khi cả ba ổ đĩa 
 trên tất cả các ổ đĩa tránh hỏng trong khoảng thời gian 
 đƣợc khả năng nút cổ chai trung bình để sửa chữa (MTTR 
 I/O của RAID 4 - mean time to repair) 
• Thƣờng dùng trong server • Chịu một write penalty đáng kể 
 mạng do mỗi lần ghi đều ảnh hƣởng 
 đến hai khối chẵn lẻ 
 30 
 So sánh RAID (1) 
Level Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng 
0 Hiệu quả I/O cải thiện Hỏng 1 ổ đĩa thì mất Sản xuất, biên 
 nhờ dàn tải I/O trên tất cả dữ liệu trong tập video 
 nhiều kênh và ổ đĩa mảng Biên tập ảnh 
 Không tính toán parity Ứng dụng yêu 
 Rất đơn giản cầu băng thông 
 Dễ triển khai cao 
1 Độ dƣ thừa 100% Không hiệu quả Kế toán 
 Không cần tái tạo lại Nhiều overhead nhất Tài chính 
 nếu có lỗi ổ đĩa Ứng dụng đòi hỏi 
 Thiết kế lƣu trữ RAID độ tin cậy cao 
 đơn giản nhất 
2 Tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền dữ liệu Không sử dụng 
 cực cao càng cao, tỉ lệ ổ mã trong thực tế 
 Thiết kế điều khiển đơn sửa lỗi/ổ dữ liệu rất 
 giản hơn RAID 3, 4, 5 cao nếu kích thƣớc từ 
 nhỏ - kém hiệu quả 
 Đắt 
 31 
 So sánh RAID (2) 
Level Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng 
3 Tốc độ đọc/ ghi dữ liệu rất Tốc độ giao dịch bằng tốc Sản xuất video 
 cao độ của 1 ổ đĩa đơn Live streaming 
 Đĩa hỏng không ảnh hƣởng Thiết kế điều khiển khá Biên tập ảnh 
 nhiều đến thông lƣợng phức tạp Ứng dụng yêu cầu 
 Tỉ lệ lệ ổ mã sửa lỗi/ổ dữ thông lƣợng cao 
 liệu thấp - hiệu quả cao 
4 Tốc độ giao dịch dữ liệu đọc Thiết kế điều khiển khá Không sử dụng 
 cao phức tạp trong thực tế 
 Tỉ lệ lệ ổ mã sửa lỗi/ổ dữ Tốc độ giao dịch ghi thấp 
 liệu thấp - hiệu quả cao nhất 
 Tái tạo dữ liệu khó khăn, 
 kém hiệu quả 
5 Tốc độ giao dịch dữ liệu đọc Thiết kế điều khiển phức Server ứng dụng, 
 cao nhất tạp nhất Server database 
 Tỉ lệ lệ ổ mã sửa lỗi/ổ dữ Tái tạo dữ liệu khó khăn, Server web, e-mail 
 liệu thấp - hiệu quả cao kém hiệu quả Server intranet 
6 Chịu đƣợc lỗi dữ liệu cực Thiết kế điều khiển phức Giải pháp hoàn hảo 
 lớn tạp hơn cho ứng dụng quan 
 Chịu đƣợc lỗi ổ đĩa đồng Overhead để tính địa chỉ trọng 
 thời parity cực cao 32 
 Bộ nhớ Flash 
Flash Memory Operation 
 33 
Ổ cứng bán dẫn - Solid State Drive (SSD) 
 Là một thiết bị nhớ 
 đƣợc chế tạo bằng 
 linh kiện bán dẫn 
 2 loại bộ nhớ flash đặc biệt 
 có thể đƣợc dùng Bộ nhớ Flash 
 để thay thế cho 
 một ổ đĩa cứng NOR 
 (HDD) Đƣợc sử dụng trong • Đơn vị truy cập cơ bản: bit 
 nhiều sản phẩm điện • Cung cấp truy cập ngẫu nhiên tốc 
 tử tiêu dùng bao độ cao 
 gồm smart phones, • dùng để lƣu mã hệ điều hành 
 thiết bị GPS, máy điện thoại di động và trên máy tính 
 Windows để chƣơng trình BIOS 
 nghe nhạc MP3, chạy khi khởi động 
 Thuật ngữ máy ảnh kỹ thuật số 
 “solid state” để và USB 
 chỉ mạch điện NAND 
 tử đƣợc chế • Đơn vị cơ bản: 16 hoặc 32 bit 
 tạo bằng chất • Đọc và ghi trong các block nhỏ 
 bán dẫn Chi phí và hiệu năng đã • Dùng trong ổ USB flash, thẻ nhớ 
 phát triển đến mức có và ổ SSD 
 thể sử dụng để thay thế • Không cung cấp bus địa chỉ truy 
 ổ cứng HDD cập ngẫu nhiên nên dữ liệu phải 
 đƣợc đọc theo block 
 34 
SSD so với HDD 
SSD có các ƣu điểm hơn HDD nhƣ sau: 
 Số thao tác đọc/ghi trong một giây (IOPS) cao hơn 
 Độ bền 
 Tuổi thọ dài hơn 
 Tiêu thụ ít năng lƣợng hơn 
 Khả năng chạy êm và mát hơn 
 Thời gian truy cập ngắn hơn 
 35 
Cấu trúc SSD 
 Host system: 
 • Phần mềm hệ điều hành 
 • Phần mềm hệ thống tập tin 
 • Phần mềm điều khiển I / O 
 • Giao diện 
 SSD: 
 • Bộ điều khiển 
 • Bộ định địa chỉ 
 • Bộ đệm dữ liệu / bộ nhớ cache 
 • Khối sửa lỗi 
 • Các thành phần bộ nhớ Flash 
 36 
 Vấn đề thực tế 
Có hai vấn đề xảy ra đối với SSD mà không xảy ra với HDDs 
Hiệu năng SSD có khuynh Flash memory không thể sử dụng 
hƣớng giảm dần khi thiết bị đƣợc sau một số lần ghi 
đƣợc sử dụng • Kỹ thuật kéo dài tuổi thọ: 
• Cả block phải đƣợc đọc từ – Front-end bộ nhớ flash bằng 1 
 flash memory và đƣợc đặt cache để giữ chậm và nhóm các 
 trong bộ đệm RAM xử lý ghi 
• Trƣớc khi block đƣợc ghi lại – Dùng thuật toán wear-leveling: 
 vào bộ nhớ flash, toàn bộ phân bố đều các lần ghi trên các 
 block trong bộ nhớ flash phải khối cell 
 đƣợc xoá – Quản lý bad-block 
• Khi đó block từ bộ đệm mới • Hầu hết các thiết bị flash ƣớc tính 
 đƣợc ghi vào flash memory thời gian hoạt động còn lại của 
 chúng để hệ thống có thể dự đoán 
 hỏng hóc và có hành động dự phòng 
 37 
 Sản 
 phẩm 
 đĩa 
quang 
 38 
 Compact Disk Read-Only Memory 
 (CD-ROM) 
• Audio CD và CD-ROM dùng công nghệ tƣơng tự nhau 
 – Điểm khác biệt chính: CD-ROM player có độ gồ ghề hơn và có thiết bị 
 sửa lỗi để đảm bảo cho dữ liệu đƣợc truyền đúng 
• Quá trình sản xuất: 
 – Đĩa đƣợc chế tạo từ nhựa polycarbonate 
 – Dữ liệu đƣợc lƣu dƣới dạng một chuỗi các lỗ cực nhỏ (pit) trên bề mặt 
 • Dùng laser cƣờng độ cao tập trung tạo ra đĩa master 
 – Đĩa master đƣợc dùng làm khuôn để tạo ra các bản sao trên 
 polycarbonate 
 – Bề mặt sau đó đƣợc phủ 1 lớp phản xạ tốt, thƣờng là nhôm/vàng 
 – Tiếp tục phủ lên 1 lớp sơn acrylic trong suốt để chống bụi và trầy xƣớc 
 – Cuối cùng có thể dùng kĩ thuật in lụa để in nhãn hiệu lên bề mặt acrylic 
 39 
 Hoạt động của CD 
Tổ chức thông tin theo đƣờng xoắn ốc 
Bắt đầu hoặc kết thúc của 1 pit = bit 1; Không thay đổi độ cao = bit 0 
Vân tốc tuyến tính không đổi (CLV): Thông tin đƣợc quét cùng tốc độ 
bằng cách quay đĩa ở tốc độ khác nhau 40 
 Định dạng khối CD-ROM 
• Mode 0= trƣờng data rỗng 
• Mode 1= 2048 byte data+error correction 
• Mode 2= 2336 byte data 
 41 
. Phù hợp để phân phối số lƣợng lớn dữ liệu 
 cho một số lƣợng lớn ngƣời dùng CD-ROM 
. Không phù hợp cho các ứng dụng cá nhân 
 do chi phí lớn cho quá trình ghi ban đầu 
. Ƣu điểm: 
 . chứa thông tin có thể đƣợc nhân bản 
 rộng rãi một cách không tốn kém 
 . tháo ra đƣợc, cho phép đĩa đƣợc sử 
 dụng để lƣu trữ 
. Nhƣợc điểm: 
 . Chỉ đọc, không updated đƣợc 
 . Thời gian truy cập lâu hơn so với ổ đĩa từ 
 42 
 CD Recordable CD Rewritable 
 (CD-R) (CD-RW) 
• Ghi 1 lần đọc nhiều lần • Có thể ghi lại nhiều lần 
• Thích hợp với các ứng dụng • Đĩa thay đổi pha sử dụng vật liệu 
 chỉ cần một hoặc một số ít có hai độ phản xạ khác nhau ở 
 bản sao của một bộ dữ liệu hai trạng thái pha khác nhau 
 – Trạng thái vô định hình: Các phân 
• Đĩa có thể đƣợc ghi một lần tử có hƣớng ngẫu nhiên phản xạ 
 bằng tia laser có cƣờng độ ánh sáng kém 
 vừa phải – Trạng thái tinh thể: Có bề mặt nhẵn 
• Cung cấp một bản ghi vĩnh phản xạ ánh sáng tốt 
 viễn của khối lƣợng lớn dữ • Một chùm tia laser có thể thay đổi 
 liệu ngƣời dùng vật liệu từ pha này sang pha kia 
• Tƣơng thích với ổ CD-ROM • Nhƣợc điểm: cuối cùng vật liệu 
 mất đi đặc tính mong muốn vĩnh 
 viễn 
 • Ƣu điểm: có thể ghi lại đƣợc 43 
 Digital Versatile Disk (DVD) 
• Đĩa đa năng kỹ thuật số 
• Chất lƣợng hình ảnh ấn tƣợng 
• Dung lƣợng rất cao (4.7G mỗi lớp) 
• Trọn 1 bộ phim dài trên 1 đĩa đơn 
 • Sử dụng nén MPEG 
• Đã đƣợc chuẩn hóa 
• Mã hoá vùng 
• Có thể đƣợc "cố định" 
 44 
CD-ROM 
 và 
 DVD-
 ROM 
 Đĩa đa năng kỹ thuật số 
 45 
 Đĩa quang độ phân giải cao 
• Đƣợc thiết kế cho video độ nét cao 
• Dung lƣợng lớn hơn nhiều so với DVD 
 – Laser bƣớc sóng ngắn hơn: Dải màu xanh tím 
 – Pit nhỏ hơn 
• HD-DVD 
 – 15GB 1 lớp 1 mặt 
• Blue-ray 
 – Lớp dữ liệu gần với laser hơn 
 • Tập trung cao, ít biến dạng hơn, pit nhỏ hơn 
 – 25GB trên một lớp 
 46 
Đĩa quang độ 
phân giải cao 
 47 
 Băng từ 
• sử dụng kỹ thuật đọc và ghi giống các hệ thống đĩa 
• băng polyester mềm dẻo phủ bởi chất liệu từ hoá 
• Dữ liệu trên băng đƣợc tổ chức theo các track chạy dọc song 
 song 
• Ghi nối tiếp: Dữ liệu đƣợc trải ra theo một dãy bit dọc trên 
 mỗi track 
• Dữ liệu đƣợc đọc và ghi trong các block liền kề đƣợc gọi là 
 bản ghi vật lý physical records 
• Các block trên băng đƣợc phân cách bằng các khoảng trống 
 - inter-record gap 
• Rất rẻ 
 48 
Đặc tính 
băng từ 
 49 
LTO Tape Drives 
 50 
 Tổng kết Chương 6 
 Bộ nhớ ngoài 
• Đĩa từ 
 – Cơ chế đọc và ghi từ • RAID 
 – Tổ chức và định dạng – RAID level 0 
 dữ liệu – RAID level 1 
 – Đặc tính vật lý – RAID level 2 
 – RAID level 3 
 – Tham số hiệu suất đĩa 
 – RAID level 4 
• Solid state drives – RAID level 5 
 – Flash memory – RAID level 6 
 – SSD so với HDD • Bộ nhớ quang 
 – Tổ chức SSD – Đĩa Compact 
 – Vấn đề thực tế – Đĩa DVD 
 – High-definition optical disks 
– Băng từ 
 51 
 Câu hỏi chƣơng 6 
1. Ƣu điểm của việc sử dụng chất nền thủy tinh cho đĩa từ là gì? 
2. Dữ liệu đƣợc ghi lên đĩa từ nhƣ thế nào? 
3. Dữ liệu đƣợc đọc từ đĩa từ nhƣ thế nào? 
4. Phân biệt CAV và ghi nhiều vùng. 
5. Định nghĩa track, cylinder và sector. 
6. Kích thƣớc sector điển hình là gì? 
7. Định nghĩa thời gian tìm kiếm, trễ xoay, thời gian truy cập, và thời gian 
truyền. 
8. Những đặc điểm chung của các cấp độ RAID? 
9. Phân biệt các mức RAID. 
10. Giải thích thuật ngữ dải dữ liệu. 
11. Cách tạo độ dƣ thừa trong một hệ thống RAID? 
12. Trong RAID, phân biệt truy cập song song và truy cập độc lập? 
13. Sự khác nhau giữa CAV và CLV là gì? 
14. Sự khác nhau giữa đĩa CD và DVD? 
 52