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

 tính trên các bit 
 song: tất cả các đĩa đều cùng tham tương ứng trên mỗi đĩa dữ liệu và 
 gia vào việc xử lý một yêu cầu các bit mã được lưu trữ trong các vị 
 đọc/ghi. trí bit tương ứng trên các đĩa parity
  Trục của các ổ đĩa được đồng bộ sao  Sử dụng Hamming SEC-DEC
 cho các đầu đĩa ở vị trí như nhau trên  Số lượng đĩa dự phòng tỷ lệ thuận 
 đĩa vào bất kỳ thời điểm nào với log của số đĩa dữ liệu
  Sử dụng data striping  Khi đọc/ghi dữ liệu, các mã CRC 
 được tính toán – ghi cùng lúc với 
  Strip rất nhỏ, thường bằng 1 byte dữ liệu
 hoặc 1 word
  Chỉ hiệu quả trong môi trường xảy 
 ra nhiều lỗi đĩa
 R
+ a
 d. RAID i
 Level 3 d
 3
 Đặc điểm . Trong trường hợp ổ đĩa bị hỏng, toàn 
 bộ mảng đc thiết lập chế độ reduced 
  Chỉ cần 1 đĩa dự phòng, mode, ổ đĩa dự phòng được truy cập 
 không cần quan tâm độ lớn để phục hồi dữ liệu.
 mảng đĩa . Đĩa hỏng đc thay thế và được ghi dữ 
 liệu đã phục hồi lên đó
  Sử dụng truy cập song song, 
 kỹ thuật strip, tuy nhiên kích Hiệu năng
 thước strip nhỏ  Có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 
  Thay vì dùng mã sửa lỗi, một rất cao
 bit chẵn lẻ đơn giản được tính  Một yêu cầu truy cập vào/ra có thể 
 toán cho một tập các bit riêng được đáp ứng bằng việc truyền dữ 
 ở cùng vị trí trên tất cả các liệu song song
 đĩa dữ liệu  Trong một môi trường định hướng
 giao dịch, hiệu suất bị ảnh hưởng
 R
+ a
 e. RAID i
 Level 4 d
 4
 Đặc điểm
  Sử dụng kỹ thuật truy cập độc lập: cho phép nhiều yêu cầu I/O 
 riêng biệt có thể được đáp ứng song song
  Sử dụng data striping
  Strip có kích thước khá lớn
  Dự phòng: Dải chẵn lẻ - parity strip tương tự cách tính RAID 3 
 đặt trên đĩa dự phòng. 
 Strip – Dải
 R
+ a
 RAID i
 Level 4 d
 4
 Dự phòng
  Do strip khá lớn và truy cập độc lập nên trong trường hợp yêu 
 cầu I/O có kích thước nhỏ chỉ ghi trên một đĩa (strip write) cần 
 phải tính toán lại dải chẵn lẻ (parity strip): 2 thao tác đọc và 
 2 thao tác ghi: hiện tượng write penalty – Số lần truy cập đĩa 
 trong một hoạt động đọc/ghi)
  Trường hợp yêu cầu ghi I/O lớn phải thực hiện trên nhiều đĩa, 
 Dải chẵn lẻ sẽ được tính toán lại toàn bộ.
  Do các hoạt động Ghi đĩa đều cần phải ghi lại Đĩa dự phòng 
 dễ gây hiện tượng nút cổ chai
 R
+ a
 i
 f. RAID g. RAID d
 Level 5 5
 Level 6 6
 Đặc điểm Đặc điểm
  Hai thuật toán tính Dải chẵn lẻ (P và 
  Được tổ chức theo cách tương 
 tự như RAID 4 Q) riêng được thực hiện và được lưu 
 trữ trong các khối riêng biệt trên các 
  Chỉ khác ở sự phân bố Dải đĩa khác nhau
 chẵn lẻ trên tất cả các đĩa
  Ưu điểm: tính sẵn sàng dữ liệu cực 
  Một phân bổ điển hình là cơ cao (khả năng khôi phục lại dữ liệu 
 chế điều phối xoay vòng round- cao)
 robin  Dữ liệu chỉ bị mất nếu ba ổ đĩa bị 
  Việc phân phối Dải chẵn lẻ hỏng cùng lúc trong khoảng thời gian 
 trên tất cả các ổ đĩa tránh được cần thiết để sửa chữa (MTTR -
 khả năng nút cổ chai I/O của mean time to repair) 
 RAID 4  Chịu một write penalty đáng kể do 
 mỗi lần ghi đều tính toán và ghi lại
 hai Dải chẵn lẻ
 So sánh RAID
Le
 Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng
vel
 Cải thiện hiệu suất truy cập I/O bằng Nếu dữ liệu trên 1 ổ Sản xuất và biên tập 
 cách phân phối tải I/O ra nhiều kênh và đĩa hỏng --> toàn bộ video
 đĩa dữ liệu sẽ hỏng hết Chỉnh sửa ảnh
0
 Không tính parity (ko có Dự phòng) Các ứng dụng yêu cầu 
 Thiết kế đơn giản băng thông cao
 Dễ thực hiện
 Dữ liệu được dự phòng 100%: không Số lượng đĩa dự Kế toán
 cần phải tính toán lại dữ liệu trong phòng nhiều nhất Tính toán lương
 trường hợp lỗi, chỉ cần sao lưu từ đĩa Tài chính
1
 dự phòng Bất kỳ ứng dụng nào 
 Chịu được nhiều lỗi ổ đĩa yêu cầu tính sẵn sàng 
 Thiết kế hệ thống đơn giản dữ liệu rất cao
 Tốc độ truyền dữ liệu cực kỳ cao Nếu kích thước strip Không còn được sử 
 Tốc độ truyền dữ liệu càng cao thì tỷ lệ nhỏ --> tỷ lệ số đĩa dụng do không hiệu 
 giữa số lượng đĩa dữ liệu/số lượng đĩa ECC/số đĩa dữ liệu quả về mặt thương mại
2 ECC càng lớn cao --> không hiệu 
 Thiết kế bộ điều khiển tương đối đơn quả
 giản so với mức RAID 3, 4, và 5
 So sánh RAID
Le
 Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng
vel
 Tốc độ đọc /ghi rất cao Tốc độ tối đa của một Sản xuất video và live 
 Tỷ lệ số đĩa ECC/số transaction bằng tốc độ của streaming
 đĩa dữ liệu thấp một ổ đĩa đơn (nếu trục đĩa Chỉnh sửa hình ảnh
 --> Hiệu quả cao được đồng bộ) Chỉnh sửa video
3 Thiết kế bộ điều khiển khá Ứng dụng chế bản in 
 phức tạp (Illustrator, ...)
 Bất kỳ ứng dụng nào yêu 
 cầu băng thông cao
 Tốc độ đọc rất cao Thiết kế bộ điều khiển phức Không còn được sử 
 Tỷ lệ số đĩa ECC/số tạp dụng do không hiệu quả 
 đĩa dữ liệu thấp Tốc độ ghi thấp nhất và số về mặt thương mại
4 --> Hiệu quả cao lần ghi (write penalty) cao
 Phục hồi dữ liệu khó khăn 
 và không hiệu quả trong 
 trường hợp đĩa lỗi
 So sánh RAID
Le
 Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng
vel
 Tốc độ đọc rất cao Thiết kế bộ điều khiển phức File and application 
 Tỷ lệ số đĩa ECC/số tạp nhất servers
 đĩa dữ liệu thấp Khó khăn để khôi phục dữ Database servers
 --> Hiệu quả cao liệu trong trường hợp đĩa lỗi Web, e-mail, and
5
 Tốc độ đường truyền (so với mức RAID 1) news servers
 cao Intranet servers
 Most versatile RAID 
 level
 Khả năng sửa lỗi và Thiết kế bộ điều khiển phức Giải pháp hoàn hảo cho 
 phục hồi dữ liệu rất tạp nhất các ứng dụng quan trọng
 cao, có thể phục hồi Việc tính toán parity phức 
 trong trường hợp nhiều tạp
6
 đĩa bị lỗi (chỉ không 
 phục hồi được nếu có 3 
 đĩa lỗi cùng một thời 
 điểm)
+
 Bài tập
 1. Xét mảng đĩa RAID gồm 4 ổ đĩa, mỗi ổ đĩa có dung lượng 
 200GB. Tính dung lượng lưu trữ của mảng đĩa với các level 
 0, 1, 3, 4, 5 và 6? 
 2. Một hệ thống máy tính cần dung lượng lưu trữ là 400GB. Nếu 
 sử dụng mảng đĩa RAID thì cần bao nhiêu ổ đĩa (dung lượng 
 mỗi ổ đĩa là 80GB) với các level 0, 1, 3, 4, 5, 6
+ 6.3 Ổ cứng trạng thái rắn –
 SSD - Solid State Drives
 Công nghệ SSD dần thay thế HHD trong những năm 
 gần đây
 Mạch điện tử được xây dựng dựa vào công nghệ bán 
 dẫn
 Các bộ nhớ loại này được gọi là Flash memory
 Flash memory
 . Được sử dụng trong điện thoại thông minh, thiết bị 
 GPS, máy nghe nhạc MP3, máy ảnh kỹ thuật số và thiết 
 bị USB
 . Gần đây, dung lượng, tốc độ ngày càng cao với giá 
 thành rẻ thay thế HDD.
 Flash
 Memory
+ 
 Flash Memory Operation
+
 Flash memory (tiếp)
 . Có hai loại: NOR và NAND
 . NOR
 . Đơn vị truy cập cơ bản là bit. 
 . Cho phép truy cập ngẫu nhiên tốc độ cao. 
 . Sử dụng để lưu trữ HĐH của smart phone và chương trình 
 BIOS để khởi động máy tính Window
 . NAND: 
 . Đơn vị cơ bản là 16 hoặc 32 bit. 
 . Đọc/ghi theo khối. 
 . Sử dụng để sản xuất USB, thẻ nhớ, ổ cứng SSD,...
 . Không cho phép truy cập ngẫu nhiên theo đ/c bus
 . Sử dụng cơ chế truy cập trang (page access)
 SSD so sánh với HDD
 Bảng
SSD có các ưu điểm hơn HDD như sau:
 6.5
 Số thao tác đọc/ghi trong một giây (IOPS) cao hơn
 Độ bền: ít chịu ảnh hưởng khi va đập vật lý
 Tuổi thọ dài hơn
 Tiêu thụ ít năng lượng hơn
 Khả năng chạy êm và mát hơn So sánh
 Thời gian truy cập ngắn hơn, thời gian trễ ít hơn
+ 
+ Tổ chức SSD 
  Tổ chức hệ thống SDD:
  Trên host, hệ điều hành khi có yêu cầu truy cập dữ liệu
 sử dụng một driver I/O của SSD: (driver: chương trình 
 điều khiển các thiết bị ngoại vi)
  Nếu SSD là ổ cứng gắn trong: sử dụng kết nối PCIe. 
  Nếu SSD thiết bị ngoại vi: giao tiếp theo chuẩn USB.
  SSD có chứa các thành phần sau:
 • Controller: điều khiển kết nối bên ngoài và hoạt động bên 
 trong SSD
 • Addressing: Logic lựa chọn các Flash memory component
 • Data buffer/Cache: chế tạo từ SRAM đệm dữ liệu và tăng 
 tốc độ.
 • Error Correction: cơ chế sửa lỗi.
 • Flash memory component: các chip NAND.
+ Vấn đề thực tế
 Có hai vấn đề thực tế xảy ra đối với SSD mà không xảy 
 ra với HDDs
 1. Hiệu năng SSD có khuynh hướng giảm dần khi thiết bị được sử dụng. 
 Nguyên nhân:
  Các file được lưu trữ dưới dạng các page 4KB, thường không được sắp xếp 
 liên tục trong BN
  Truy cập (thao tác đọc/ghi dữ liệu) BN flash được thực hiện theo các block 
 512 KB (vậy 1 block có 128 page)
  Cơ chế Ghi vào dữ liệu vào một page:
  Cả block (chứa page) phải được đọc từ BN ra bộ đệm RAM. Việc ghi dữ 
 liệu vào page đó được thực hiện tại đây
  Trước khi block được ghi lại vào bộ nhớ flash, toàn bộ nội dung block đó 
 trong bộ nhớ flash phải được xoá
  Khi đó dữ liệu từ bộ đệm mới được ghi vào flash memory
 Chính vì cơ chế này gây ra một hiện tượng phân mảnh bộ nhớ:do quá trình sử 
 dụng lâu, ghi đi ghi lại nhiều lần các page của một file được ghi rải rác ở nhiều 
 block khác nhau việc đọc/ghi bộ nhớ trở nên chậm
+
 Vấn đề thực tế (tiếp)
 2. Flash memory không thể sử dụng được sau một số lần 
 ghi (thông thường là 100.000 lần)
  Kỹ thuật kéo dài tuổi thọ: 
  Sử dụng cache để giữ chậm và gộp các hoạt động ghi
  Dùng thuật toán wear-leveling: phân bố đều các lần ghi lên các 
 block
  Quản lý các bad-block
  Hầu hết các thiết bị flash có cơ chế ước tính thời gian hoạt động 
 còn lại của chúng để hệ thống có thể dự đoán lỗi và có cơ chế dự 
 phòng
+
 6.4 Đĩa quang
  Ra đời năm 1983
  Là sản phẩm tiêu dùng thành công nhất mọi thời đại
  Đĩa CD không thể xóa, lưu trữ 60 phút âm thanh một mặt
  Cách mạng trong công nghệ lưu trữ quang giá thành thấp
+ CD – Compact Disk: đĩa không thể xóa lưu trữ file âm thanh số. Kích thước tiêu 
 chuẩn: 12 cm và có thể ghi hơn 60 phút không bị gián đoạn thời gian phát.
  CD-ROM – Đĩa CD chỉ đọc: đĩa không thể xóa lưu trữ dữ liệu máy tính. Kích 
 thước tiêu chuẩn: 12 cm và có thể chứa hơn 650 Mbytes.
  CD-R – Đĩa CD có thể ghi: tương tự như đĩa CD-ROM, người dùng chỉ có thể 
 ghi vào đĩa một lần.
  CD-RW – Đĩa CD ghi lại được: tương tự như đĩa CD-ROM nhưng người dùng 
 có thể xóa và ghi đè lên đĩa nhiều lần.
  DVD – Đĩa đa năng kỹ thuật số: một công nghệ lưu trữ dữ liệu video nén, số hóa 
 cũng như các dữ liệu số khác. Kích thước: 8 hoặc 12 cm đều được sử dụng, lưu trữ 
 dữ liệu cả hai mặt lên đến 17GB. DVD-ROM – DVD chỉ đọc
  DVD-R – Đĩa DVD có thể ghi: tương tự như đĩa DVD-ROM. Người dùng có thể 
 ghi vào đĩa chỉ một lần. Chỉ có thể sử dụng đĩa một mặt.
  DVD-RW – Đĩa DVD ghi lại được: tương tự như đĩa DVD-ROM, tuy nhiên 
 người dùng có thể xóa và ghi đè lên đĩa nhiều lần. Chỉ có thể sử dụng đĩa một mặt.
  Blu-ray DVD – Đĩa video độ nét cao: cung cấp mật độ lưu trữ dữ liệu lớn hơn 
 nhiều so với đĩa DVD, sử dụng laser 405 nm (xanh tím). Một lớp duy nhất trên một 
 mặt có thể lưu trữ 25 Gbytes.
+
 Compact Disk Read-Only Memory
 (CD-ROM)
  Audio CD và CD-ROM dùng công nghệ tương tự nhau
  Điểm khác biệt chính: đầu đọc CD-ROM có độ gồ ghề hơn và có thiết bị sửa lỗi để 
 đảm bảo cho dữ liệu được truyền đúng
  Quá trình sản xuất:
  Đĩa được chế tạo từ nhựa polycarbonate
  Thông tin ghi lại bằng kỹ thuật số được in dưới dạng một chuỗi các lỗ cực nhỏ trên 
 bề mặt polycarbonate
  Được thực hiện bằng laser cường độ cao tập trung tạo ra đĩa master
  Đĩa master được dùng làm khuôn để tạo ra các bản sao trên polycarbonate
  Bề mặt lỗ sau đó được phủ 1 lớp phản xạ tốt, thường là nhôm/vàng
  Tiếp tục phủ lên 1 lớp sơn acrylic trong suốt để chống bụi và trầy xước
  Cuối cùng có thể dùng kĩ thuật in lụa để in nhãn hiệu lên bề mặt acrylic
+Hoạt động của CD
 . Tổ chức thông tin theo đường xoắn ốc
 . Thông tin được ghi dưới dạng các pit và land:
 . 0: khoảng không thay đổi độ cao
 . 1: khoảng có thay đổi độ cao
 . Khác với đĩa từ, trục quay quay theo vận tốc góc không đổi 
 (CAV), CD quay với vận tốc tuyến tính không đổi (CLV): 
 Thông tin được quét cùng tốc độ bằng cách quay đĩa ở tốc độ 
 khác nhau
+
 CD-ROM Block Format
+
  Phù hợp để phân phối số lượng lớn dữ liệu cho một CD-ROM
 số lượng lớn người dùng
  Không phù hợp cho các ứng dụng cá nhân do chi 
 phí lớn cho quá trình ghi ban đầu
  2 ưu điểm:
  Đĩa quang chứa thông tin có thể được nhân bản 
 rộng rãi một cách không tốn kém
  Đĩa quang tháo ra được, cho phép đĩa được sử 
 dụng để lưu trữ
  Nhược điểm:
  Chỉ đọc, không updated được
  Thời gian truy cập lâu hơn so với ổ đĩa từ
+
 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 chỉ  Đĩa thay đổi pha sử dụng vật liệu có hai 
 cần một hoặc một số ít bản sao độ phản xạ khác nhau ở hai trạng thái 
 của một bộ dữ liệu pha khác nhau
  Đĩa được chuẩn bị để có thể  Trạng thái vô định hình
 được ghi một lần bằng một tia  Các phân tử có hướng ngẫu nhiên phản xạ 
 laser có cường độ vừa phải ánh sáng kém
  Trạng thái tinh thể
  Medium bao gồm 1 lớp khuôn 
 được dùng để thay đổi độ phản  Có bề mặt nhẵn phản xạ ánh sáng tốt
 xạ và được kích hoạt bởi 1 tia  Một chùm tia laser có thể thay đổi vật 
 laser cường độ cao liệu từ pha này sang pha kia
  Cung cấp một bản ghi vĩnh viễn  Nhược điểm: cuối cùng vật liệu mất đi 
 của khối lượng lớn dữ liệu người đặc tính mong muốn vĩnh viễn 
 dùng  Ưu điểm: có thể ghi lại được 
+
 Digital Versatile Disk (DVD)
 Là đĩa đa năng kỹ thuật số, có một số ưu điểm sau:
 • Chất luợng hình ảnh ấn tượng
 • Dung lượng rất cao (4.7G mỗi lớp), có thể ghi 2 
 lớp, 2 mặt (17GB)
 • Trọn 1 bộ phim dài trên 1 đĩa đơn
 • Sử dụng ghi video nén theo chuẩn MPEG
+
 Digital 
 Versatile Disk
 (DVD)
 Đĩa đa năng kỹ thuật số
+
 Đĩa quang độ phân giải cao – HD-
 DVD, Blue-ray
  Được thiết kế cho video độ nét cao
  Dung lượng lớn hơn nhiều so với DVD
  Laser dải màu xanh tím có bước sóng ngắn hơn: 
  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
Đĩa quang độ 
phân giải cao
+
 5. Băng từ
  Hệ thống băng sử dụng kỹ thuật đọc và ghi giống như các hệ thống đĩa
  Vật liệu là băng polyester mềm dẻo được phủ bởi chất liệu từ hoá
  Lớp phủ có thể bao gồm lượng nhỏ kim loại tinh khiết trong binders đặc 
 biệt hoặc cuộn phim kim loại mạ hơi 
  Dữ liệu trên băng được cấu trúc theo các track song song chạy dọc
  Ghi nối tiếp
  Dữ liệu được trải ra theo một dãy bit dọc trên mỗi track
  Dữ liệu được đọc và ghi trong các block liền kề được gọi là bản ghi vật lý
 physical records
  Các block trên băng được phân cách bằng các khoảng trống được gọi là 
 khoảng trống giữa các bản ghi inter-record gaps
+
 Đặc tính 
 băng từ
+
 Bảng 6.7 
 LTO Tape Drives 
+ Tổng kết
 Bộ nhớ ngoài 
 Chương 6 
  RAID
  Đĩa từ
  RAID level 0
  Cơ chế đọc và ghi từ
  RAID level 1
  Tổ chức và định dạng dữ liệu  RAID level 2
  Đặc tính vật lý  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
  Băng từ  High-definition optical disks
+ Câu hỏi