Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Bộ nhớ ngoài

CHƯƠNG 7: BỘ NHỚ NGOÀI 
50 năm trước đây, ngày 13/9/1956, chiếc ổ cứng RAMAC (1956) – Chiếc ổ cứng máy tính đầu tiên trên thế giới đã ra đời, với cấu tạo làm từ 50 lớp đĩa có đường kính tới... 0,6m, nặng tới 1 tấn và chỉ chứa được... 5MB dữ liệu. 
Sản phẩm RAMAC tích hợp có chiều rộng gấp đôi 2 chiếc tủ lạnh, nhưng lại không cao bằng và nặng 1 tấn. RAMAC có tổng cộng 50 lớp đĩa có đường kính khoảng 0,6m với tốc độ quay trung bình đạt 1.200 /phút, nhưng dung lượng lưu trữ chỉ có đúng 5MB, đủ để lưu một bài hát có độ dài 5 phút được mã hoá chuẩn MP3 128bit. 
IBM chỉ cho xuất xưởng đúng 12 chiếc ổ đĩa RAMAC. 
Ngày nay, chúng ta có những chiếc ổ đĩa cứng với rất nhiều kích cỡ và đặc tính khác nhau. Từ chiếc ổ đĩa cứng nhỏ nhất thế giới của Toshiba với kích thước khoảng 2cm và dung lượng lưu trữ 2GB và 4GB cho đến những chiếc ổ đĩa cứng dung lượng khổng lồ 750GB. Các nhà sản xuất đã tung ra thị trường hàng loạt sản phẩm ổ đĩa cứng dành riêng cho máy chủ, máy tính để bàn, máy tính xách tay, máy ghi video, thiết bị nghe nhạc số Bạn có thể tìm thấy ổ đĩa cứng ở bất kỳ đâu, trong một chiếc ô tô, máy bay hay trong các ứng dụng quân sư. Bên cạnh đó, giá thành của ổ đĩa cứng cũng đã giảm đí một cách đáng kể. Nếu chiếc dung lượng lưu trữ trong ổ cứng RAMAC của IBM có giá 10.000USD/MB, thì những chiếc ổ cứng ngày nay chỉ có giá 0,03 cent/MB. 
Những cột mốc trong tiến trình phát triển ổ đĩa cứng 
1956 
Ổ cứng IBM RAMAC 350 với 50 lớp đĩa có đường kính 24-inch 
1962 
IBM sản xuất thành công hệ thống lưu trữ kết hợp 6 ổ đĩa cứng 14-inch, mỗi ổ có dung lượng lưu trữ 2MB. 
1979 
IBM sản xuất thành công ổ đĩa cứng 8-inch. 
1980 
Ổ đĩa cứng 5.25-inch Winchester lần đầu tiên ra mắt. Thiết kế của loại ổ đĩa này đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thị trường PC. 
1983 
Rodine ra mắt ổ đĩa cứng 10MB 3.25-inch. Kích thước ổ đĩa này hiện vẫn là kích thước chuẩn của ổ đĩa cứng hiện nay. 
1988 
PrairieTek ra mắt ổ đĩa cứng 2.5-inch 20MB. Kích thước của ổ đĩa này hiện là kích thước chuẩn ổ đĩa cứng dành cho laptop hiện nay. 
1991 
Integrated Peripherals ra mắt ổ đĩa 1.8-inch. Loại ổ đĩa này chỉ thực sự được biết đến khi Apple tung ra chiếc iPod đầu tiên khoảng 10 năm trước đây. 
1992 
Hewlett-Packard ra mắt ổ đĩa cứng 1.3-inch. 
1999 
IBM ra mắt ổ đĩa cứng "tí hon" 1-inch 340MB. Dung lượng loại ổ này hiện đã lên tới 8GB 
2004 
Toshiba thu nhỏ kích thước ổ đĩa cứng xuống còn 0.85 inch. Đây được xem là chiếc ổ đĩa cứng nhỏ nhất thế giới 
Đĩa từ là một tấm kim loại/nhựa hình tròn có bề mặt phủ vật liệu từ tính. Dữ liệu được ghi lên/đọc ra từ đĩa thông qua một thiết bị gọi là đầu đọc. Trong khi có thao tác đọc/ghi, đầu đọc đứng yên và tấm đĩa quay liên tục bên dưới nó. 
Cơ chế ghi dựa trên từ trường sinh bởi dòng điện đi qua ống xoắn. Các xung động được gửi đến đầu đọc, sau đó những khuôn dạng từ khác nhau ứng với các dòng điện âm/dương sẽ được ghi lên bề mặt đĩa ở bên dưới. 
Cơ chế đọc dựa trên dòng điện trong ống xoắn vốn được sinh bởi sự dịch chuyển từ trường quanh nó. Khi bề mặt đĩa đi qua dưới đầu đọc, nó sẽ sinh ra một dòng điện có cùng cực với dòng đã được ghi trước đó. 
7.1 ĐĨA TỪ 
TỔ CHỨC VÀ ĐỊNH DẠNG DỮ LIỆU 
Đầu đọc là một thiết bị tương đối nhỏ có khả năng đọc/ghi từ/lên một phần của tấm đĩa quay bên dưới. Điều này dẫn đến việc tổ chức dữ liệu trên đĩa theo dạng một tập hợp các vòng tròn đồng tâm gọi là các track (rãnh). Mỗi track có cùng độ rộng như đầu đọc. 
Các rãnh kề nhau được phân biệt bằng các gap (khoảng trống), nhờ đó ngăn chặn ở mức tối thiểu các sai sót do sự canh biên không chính xác của đầu đọc hoặc nhiễu của các trường điện từ. Để đơn giản hóa về mặt điện tử, mỗi track có số bit thông tin bằng nhau. Do đó dộ trù mật tính theo số bit trên mỗi inch tuyến tính sẽ tăng lên khi chúng ta đi từ track xa nhất bên ngoài vào đến track gần nhất bên trong đĩa. 
Tổ chức dữ liệu trên đĩa 
Như đã đề cập đến trong các chương trước, dữ liệu được chuyển đến và đi khỏi đĩa theo từng khối một. Thông thường kích thước của một khối dữ liệu nhỏ hơn dung lượng của track. Cụ thể hơn, dữ liệu được lưu trong các vùng có kích thước khối gọi là sector (cung). Trên mỗi track thường có từ 10 đến 100 sector dữ liệu và chúng có thể có độ dài cố định hay thay đổi. Để tránh những sai sót về độ chính xác có thể xảy ra trong hệ thống, các sector liền nhau được tách biệt bởi các gap liên track (liên – bản ghi). 
Với cách tổ chức như vậy, để xác định từng sector trong track, cần phải có một điểm bắt đầu của track cũng như cách thức nhận biết điểm bắt đầu và kết thúc của một sector. Các yêu cầu này được quản lý thông qua dữ liệu điều khiển đã được ghi lên đĩa. Do vậy đĩa sẽ được định dạng với một số dữ liệu phụ đi kèm và chỉ được sử dụng bởi ổ đĩa. Người sử dụng không thể truy cập đến những dữ liệu này 
CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH 
Những đặc trưng chính của đĩa bao gồm: 
 Sự di chuyển của đầu đọc 
 Tính khả chuyển của đĩa 
 Các mặt đĩa 
 Các tấm đĩa 
 Cơ chế làm việc của đầu đọc 
SỰ DI CHUYỂN CỦA ĐẦU ĐỌC 
Đầu đọc có thể được giữ cố định hoặc di chuyển theo hướng tâm đĩa. Với đầu đọc cố định, có một đầu đọc/ghi cho mỗi track. Tất cả các đầu đọc được gắn lên một tay đòn kéo dài qua tất cả các track trên đĩa. Với đầu đọc có thể di chuyển, chỉ có một đầu đọc/ghi duy nhất. Ở đây đầu đọc cũng được gắn lên một tay đòn có thể kéo dài hoặc thu ngắn ứng với vị trí của track cần truy cập trên đĩa. Hình 5.2 mô tả các loại đầu đọc cố định và không cố định. 
Tính khả chuyển của đĩa 
Bản thân đĩa thường được gắn vào trong một ổ đĩa với một tay đòn, một động cơ quay đĩa cũng như các mạch điện tử cần thiết cho việc nhập/xuất dữ liệu nhị phân. Đĩa không thể tháo rời được gắn vĩnh viễn vào trong ổ đĩa trong khi ổ đĩa có thể tháo rời có thể lấy ra và thay thế bằng một ổ đĩa khác. 
Lợi ích của loại đĩa có thể tháo rời là khả năng cung cấp một lượng dữ liệu không có giới hạn trên một hệ thống giới hạn các ổ đĩa. Hơn nữa đĩa đó còn có thể di chuyển từ máy tính này sang máy tính khác. 
Các mặt đĩa 
Hầu hết các đĩa đều có 2 mặt trừ một số loại cũ chỉ có 1 mặt. 
Số các tấm đĩa 
Một số ổ đĩa cho phép xếp chồng nhiều đĩa theo chiều thẳng đứng với nhiều tay đòn được cung cấp. Các tấm đĩa như thế được tổ chức theo đơn vị disk pack (gói đĩa). 
Cơ chế làm việc của đầu đọc 
Cơ chế làm việc của đầu đọc trong thao tác đọc/ghi cho phép phân loại đĩa rất rõ ràng. Chúng ta có ba cơ chế như sau: 
Cơ chế 1: giữ đầu đọc ở một khoảng cách cố định với bề mặt đĩa 
Cơ chế 2: cho phép tiếp xúc về mặt vật lý giữa đầu đọc với bề mặt đĩa 
Cơ chế 3: khoảng cách giữa đầu đọc với bề mặt đĩa có thể thay đổi trong quá trình đọc/ghi. 
Để hiểu rõ cơ chế 3 nói trên, chúng ta cần tìm hiểu về mối quan hệ giữa độ trù mật dữ liệu và kích thước của khối không khí trống giữa đầu đọc và bề mặt đĩa bên dưới nó 
Đầu đọc phải sinh ra một trường điện từ đủ lớn để đọc/ghi một cách chính xác. Đầu đọc càng hẹp thì nó càng phải ở gần bề mặt đĩa hơn để hoạt động. Đầu đọc hẹp hơn dẫn đến bề rộng track nhỏ hơn và do vậy độ trù mật dữ liệu tăng lên rất nhiều. 
Tuy nhiên, khi đầu đọc càng gần bề mặt đĩa, nguy cơ pha tạp và không chính xác về dữ liệu càng lớn. 
Nhằm đẩy kỹ thuật đĩa lên một bước xa hơn, người ta đã chế tạo ra ổ đĩa Winchester. Các đầu đọc Winchester được sử dụng trong các ổ đĩa gần như không có tác nhân tạp chất. Chúng được thiết kế để hoạt động gần hơn với bề mặt đĩa. Do đó cho phép làm tăng độ trù mật của dữ liệu trên đĩa. 
Đầu đọc có dạng một lá khí động học nằm trên bề mặt đĩa khi đĩa không chuyển động. Áp suất không khí sinh bởi đĩa xoay tròn đủ làm cho lá rút lên khỏi bề mặt đĩa. Phần hệ thống không tiếp xúc với đĩa có thể được chế tạo để sử dụng với những đầu đọc kiểu mới này. 
THỜI GIAN TRUY CẬP ĐĨA 
Khi ổ đĩa hoạt động, đĩa quay với vận tốc không đổi. Để đọc hoặc ghi, đầu đọc định vị track cần truy cập và tại đầu của sector cần thao tác trên track đó. Việc chọn track bao gồm việc di chuyển đầu đọc (trong hệ thống đầu đọc di chuyển) hay lựa chọn một cách điện tử một đầu đọc/ghi (trong hệ thống có đầu đọc cố định). 
Với hệ thống có đầu đọc di chuyển được, thời gian cần để định vị track được gọi là thời gian tìm kiếm (seek time) . Trong hai trường hợp, khi track đã được chọn, hệ thống chờ sector thích hợp quay đến bên dưới đầu đọc. Thời gian cần thiết để sector quay đến dưới đầu đọc này gọi là độ trễ quay (rotational latency). 
Tổng thời gian tìm kiếm và độ trễ quay được gọi là thời gian truy cập, hay thời gian cần thiết để định vị dữ liệu cần đọc/ghi. Khi đầu đọc đã ở đúng vị trí, thao tác đọc/ghi sẽ được thực hiện ngay khi sector di chuyển dưới đầu đọc. 
7.2 BỘ NHỚ QUANG HỌC 
Với sự ra đời của đĩa CD (Compact Disk) vào năm 1983, sự phát triển của công nghệ lưu trữ đĩa bằng kỹ thuật quang học với giá thành thấp đã tiến thêm một bước đáng kể và hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng hóa trong việc lưu trữ dữ liệu trên máy tính. 
Trong những năm vừa qua, nhiều dạng hệ thống đĩa quang học đã được phát minh và ngày càng được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng máy tính. 
BỘ NHỚ QUANG HỌC 
CD 
CD Viết tắt của từ Compact Disk. Đây là loại đĩa không thể xóa được, dùng để lưu trữ thông tin âm thanh đã được số hóa . Hệ thống thông thường sử dụng các đĩa có đường kính 12 cm và có thể dùng để ghi hơn 60 phút âm thanh được phát liên tục. 
CD-ROM 
Viết tắt của cụm từ Compact DiskRead-Only Memory. Đây là loại đĩa không thể xóa được, dùng để lưu trữ dữ liệu máy tính . Hệ thống thông thường sử dụng các đĩa có đường kính 12 cm và có thể dùng để chứa hơn 550 megabyte dữ liệu. 
CD-I 
Viết tắt của cụm từ Compact Disk Interactive. Đây là một đặc tả dựa trên việc sử dụng CD-ROM. Nó mô tả các phương pháp cung cấp âm thanh, video, hình ảnh đồ họa, văn bản, và các mã chương trình thực thi được trên CD-ROM . 
CD-ROM 
Hai loại đĩa audio CD và CD-ROM sử dụng công nghệ chế tạo tương tự nhau. 
Sự khác biệt chính ở đây là các thiết bị đọc CD-ROM có khả năng sửa lỗi nhằm bảo đảm dữ liệu được truyền chính xác từ đĩa vào máy tính. 
CD-ROM (tt) 
Mỗi đĩa được tạo thành từ nhựa tổng hợp, và được phủ bởi một loại vật liệu có độ phản chiếu cao, thường là nhôm. Thông tin cần ghi dưới dạng số hóa (có thể là âm nhạc hoặc dữ liệu máy tính) được khắc lên bề mặt đĩa dưới dạng các chuỗi vết lõm cực nhỏ. Công việc này được thực hiện trước hết với một tia laser có cường độ cao cực nhạy nhằm tạo ra một đĩa chủ. Đĩa này sau đó sẽ được sử dụng làm khuôn để dập thành các bản sao. Phần bề mặt đã bị đục lỗ của các bản sao đó sẽ được phủ một lớp sơn trong suốt, giúp chúng không bị che lấp bởi bụi bẩn. 
CD-ROM (tt) 
Thông tin được lấy ra từ CD hay CD-ROM bằng một tia laser có năng lượng thấp chứa trong thiết bị đọc đĩa quang hay ổ đĩa. Tia laser này sẽ chiếu qua lớp sơn bảo vệ trong suốt khi bề mặt đĩa được quay tròn ngang qua nó. Cường độ của tia sáng phản chiếu lại tia laser này thay đổi khi tia laser gặp phải một vết lõm. Sự thay đổi đó sẽ được nhận biết bởi một bộ dò sáng và được chuyển thành tín hiệu số. 
Với cách chế tạo như trên, một vết lõm ở gần tâm của một đĩa quay sẽ đi qua một điểm cố định (chẳng hạn như một dòng laser) chậm hơn một vết lõm ở phía ngoài của đĩa. 
Do vậy cần phải có một cách nào đó để bù trừ lại sự biến đổi về mặt tốc độ, sao cho tia laser có thể đọc tất cả mọi vết lõm với cùng một tốc độ. 
CD-ROM (tt) 
Thông tin được đóng gói đều nhau dọc theo đĩa trong từng phân đọan có cùng kích thước, và những phân đoạn này có thể được quét qua ở cùng một tốc độ bằng cách cho quay đĩa ở những vận tốc khác nhau. 
Đĩa sẽ được quay chậm hơn với những truy cập xảy ra ở vùng gần cạnh ngoài đĩa và nhanh hơn đối với các truy cập xảy ra ở vùng gần tâm đĩa. Do đó, dung lượng của một rãnh và độ trễ do quay đĩa đều tăng lên với những rãnh nằm gần cạnh ngoài của đĩa. 
Đã có nhiều loại CD-ROM với các mật độ lưu trữ khác nhau được chế tạo. 
ĐĨA QUANG 
Thành tựu gần đây nhất trong lĩnh vực chế tạo thiết bị lưu trữ dữ liệu dạng quang học là đĩa quang có thể xóa được. Loại đĩa này có thể được ghi đi ghi lại nhiều lần như đĩa từ thông thường. Mặc dù có rất nhiều thử nghiệm đã được tiến hành, cho đến nay công nghệ chứng tỏ được khả năng thương mại trong việc chế tạo đĩa quang xóa được vẫn dựa trên các hệ thống quang – từ. 
Trong các hệ thống này, năng lượng của một chùm tia laser được sử dụng cùng với một từ trường để ghi và xóa thông tin thông qua việc làm đảo ngược các cực từ trong một vùng nhỏ của đĩa, vốn được phủ một lớp vật liệu từ tính. Chùm tia laser đốt nóng một vị trí được chỉ định cụ thể trên đĩa, và một từ trường có thể làm thay đổi hướng từ tại vị trí đó khi nhiệt độ tăng lên. Do quá trình cực hóa từ như vậy không tạo nên thay đổi về mặt vật lý của đĩa, đĩa có thể sử dụng được nhiều lần. 
Quá trình đọc đĩa được thực hiện thông qua việc dò hướng từ do các tia laser đã được cực hóa đảm nhận. Ánh sáng đã cực hóa phản chiếu từ một vị trí trên đĩa sẽ thay đổi góc quay của nó tùy theo hướng của từ trường. 
Các loại đĩa quang xóa được có nhiều ưu điểm so với đĩa từ: 
Dung lượng lưu trữ cao: Một đĩa quang có kích thước 5.25 inch có thể lưu 650 megabyte dữ liệu, trong khi đó một đĩa Winchester loại tốt chỉ có thể lưu phân nửa lượng dữ liệu đó. 
Tính khả chuyển: Đĩa quang có thể tháo rời ra khỏi ổ đĩa. 
Có độ tin cậy cao: Kỹ thuật chịu lỗi trên đĩa quang không cần thiết phải phức tạp như đối với đĩa từ có dung lượng cao. Do đó chúng đạt được độ tin cậy cao hơn trong việc lưu trữ dữ liệu. 
Đĩa quang sử dụng kỹ thuật vận tốc góc không đổi.