Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nghề: Quản trị mạng

 vào các ổ đĩa vật lý độc lập. Tương tự, trong quá trình đọc, các khối của dữ liệu cần đọc được đọc đồng thời từ các đĩa cứng độc lập, giúp giảm thời gian đọc. 
Trong khi kỹ thuật tạo lát đĩa hướng đến tốc độ cao, kỹ thuật soi gương đĩa nhằm đạt độ tin cậy cao cho hệ thống lưu trữ. Hình 5.14 minh hoạ kỹ thuật soi gương đĩa. Theo đó, dữ liệu cũng được chia thành các khối và mỗi khối được ghi đồng thời lên hai hay nhiều ổ đĩa độc lập. Như vậy, tại mọi thời điểm ta đều có nhiều bản sao dữ liệu trên các đĩa cứng độc lập, đảm bảo tính an toàn cao. 
Hình 5.13 RAID - Kỹ thuật tạo lát đĩa
Hình 5.14 RAID – Kỹ thuật soi gương đĩa
Giới thiệu một số loại RAID thông dụng 
Trên cơ sở các kỹ thuật RAID được đề cập tại mục 3.2, trong mục này giới thiệu ba dạng RAID được sử dụng phổ biến nhất: RAID 0, RAID 1 và RAID 10. Các dạng RAID khác chẳng hạn RAID 2, 3, 4, 5, 6, 01, độc giả có thể tham khảo ở các tài liệu khác. 
RAID 0 
Cấu hình RAID 0 dựa trên kỹ thuật tạo lát đĩa và cần tối thiểu hai ổ đĩa vật lý, như minh hoạ trên Hình 66. Ưu điểm chính của RAID 0 là đạt tốc độ cao – tốc độ truy nhập RAID tỷ lệ thuận với số lượng đĩa độc lập của RAID. Ngoài ra, RAID 0 có thể giúp tăng dung lượng : dung lượng RAID 0 bằng tổng dung lượng của các đĩa độc lập tham gia. Hạn chế lớn nhất của RAID 0 là tính tin cậy – tính tin cậy của RAID 0 chỉ tương đương tính tin cậy của một ổ đĩa đơn. 
RAID 1 
Khác với RAID 0, cấu hình RAID 1 dựa trên kỹ thuật soi gương đĩa và cũng cần tối thiểu hai ổ đĩa vật lý, như minh hoạ trên Hình 5.15. Ưu điểm chính của RAID 1 là đạt độ tin cậy cao, do tại mỗi thời điểm luôn có nhiều bản sao lưu dữ liệu trên các đĩa độc lập. Tốc độ truy nhập và dung lượng của RAID 1 đều tương đương với một ổ đĩa đơn. 
Hình 5.15 Cấu hình RAID 0
Hình 5.17 Cấu hình RAID 1
 RAID 10 : 
Cấu hình RAID 10 là sự kết hợp của RAID 1 và RAID 0, dựa trên cả hai kỹ thuật tạo lát đĩa và soi gương đĩa. RAID 10 cần tối thiểu 4 ổ đĩa độc lập như minh hoạ trên Hình 5.18. Ưu điểm của RAID 10 là đạt được cả tốc độ cao và tính tin cậy cao, nên rất phù hợp với các hệ thống máy chủ đòi hỏi tính an toàn cao, hiệu năng lớn như máy chủ cơ sở dữ liệu. Dung lượng RAID 10 bằng một nửa tổng dung lượng các đĩa độc lập tham gia tạo RAID. Như ợc điểm duy nhất của RAID 10 là giá thành cao. 
HìHình 5.16 Cấu hình RAID 10
Băng từ 	
Băng từ có cùng công nghệ với các đĩa từ nhưng khác đĩa từ hai điểm:
Việc thâm nhập vào đĩa từ là ngẫu nhiên còn việc thâm nhập vào băng từ là tuần tự. Như vậy việc tìm thông tin trên băng từ mất nhiều thời gian hơn việc tìm thông tin trên đĩa từ.
Đĩa từ có dung lượng hạn chế còn băng từ gồm có nhiều cuộn băng có thể lấy ra khỏi máy đọc băng nên dung lượng của băng từ là rất lớn (hàng trăm GB). Với chi phí thấp, băng từ vẫn còn được dùng rộng rãi trong việc lưu trữ dữ liệu dự phòng.
Các băng từ có chiều rộng thay đổi từ 0,38cm đến 1,27 cm được đóng thành cuộn và được chứa trong một hộp bảo vệ. Dữ liệu ghi trên băng từ có cấu trúc gồm một số các rãnh song song theo chiều dọc của băng.
Có hai cách ghi dữ liệu lên băng từ:
Ghi nối tiếp: với kỹ thuật ghi xoắn ốc, dữ liệu ghi nối tiếp trên một rãnh của băng từ, khi kết thúc một rãnh, băng từ sẽ quay ngược lại, đầu từ sẽ ghi dữ liệu trên rãnh mới tiếp theo nhưng với hướng ngược lại. Quá trình ghi cứ tiếp diễn cho đến khi đầy băng từ.
Ghi song song: để tăng tốc độ đọc-ghi dữ liệu trên băng từ, đầu đọc - ghi có thể đọc-ghi một số rãnh kề nhau đồng thời. Dữ liệu vẫn được ghi theo chiều dọc băng từ nhưng các khối dữ liệu được xem như ghi trên các rãnh kề nhau. Số rãnh ghi đồng thời trên băng từ thông thường là 9 rãnh (8 rãnh dữ liệu - 1byte và một rãnh kiểm tra lỗi).
Các chuẩn về BUS 
Số lượng và chủng loại các bộ phận vào/ra không cần định trước trong các hệ thống xử lý thông tin. Điều này giúp cho người sử dụng máy tính dùng bộ phận vào/ra nào đáp ứng được các yêu cầu của họ. Vào/ra là giao diện trên đó các bộ phận (thiết bị) được kết nối vào hệ thống. Nó có thể xem như một bus nới rộng dùng để kết nối thêm ngoại vi vào máy tính. Các chuẩn làm cho việc nối kết các ngoại vi vào máy tính được dễ dàng; bởi vì, trong khi các nhà thiết kế-sản xuất máy tính và các nhà thiết kế-sản xuất ngoại vi có thể thuộc các công ty khác nhau. Sự tồn tại các chuẩn về bus là rất cần thiết. Như vậy, nếu nhà thiết kế máy tính và nhà thiết kế ngoại vi tôn trọng các chuẩn về bus này thì các ngoại vi có thể kết nối dễ dàng vào máy tính. Chuẩn của bus vào/ra là tài liệu quy định cách kết nối ngoại vi vào máy tính.
Các máy tính quá thông dụng thì các chuẩn về bus vào/ra của chúng có thể được xem là chuẩn cho các hãng khác (ví dụ: trước đây, UNIBUS của máy PDP 11, các chuẩn về bus của máy IBM PC, AT và hiện nay là các chuẩn của hãng Intel liên quan đến các máy vi tính). Các chuẩn về bus phải được các cơ quan về chuẩn như ISO, ANSI và IEEE công nhận.	
Bus nối ngoại vi vào bộ xử lý và bộ nhớ trong
Trong máy tính, bộ xử lý và bộ nhớ trong liên lạc với các ngoại vi bằng bus. Bus là một hệ thống các dây cáp nối (khoảng 50 đến 100 sợi cáp riêng biệt) trong đó một nhóm các cáp được định nghĩa chức năng khác nhau bao gồm: các đường dữ liệu, các đường địa chỉ, các dây điều khiển, cung cấp nguồn. Dùng bus có 2 ưu điểm là giá tiền thấp và dễ thay đổi ngoại vi. Người ta có thể gỡ bỏ một ngoại vi hoặc thêm vào ngoại vi mới cho các máy tính dùng cùng một hệ thống bus.
Giá tiền thiết kế và thực hiện một hệ thống bus là rẻ, vì nhiều ngã vào/ra cùng chia sẻ một số đường dây đơn giản. Tuy nhiên, điểm thất lợi chính của bus là tạo ra nghẽn cổ chai, điều này làm giới hạn lưu lượng vào/ra tối đa. Các hệ thống máy tính dùng cho quản lý phải dùng thường xuyên các ngoại vi, nên khó khăn chính là phải có một hệ thống bus đủ khả năng phục vụ bộ xử lý trong việc liên hệ với các ngoại vi.
Một trong những lý do khiến cho việc thiết kế một hệ thống bus khó khăn là tốc độ tối đa của bus bị giới hạn bởi các yếu tố vật lý như chiều dài của bus và số bộ phận được mắc vào bus.
Các bus thường có hai loại: bus hệ thống nối bộ xử lý với bộ nhớ (system bus, Front Side Bus-FSB) và bus nối ngoại vi (bus vào/ra - I/O bus) (hình 5.19). Bus vào/ra có thể có chiều dài lớn và có khả năng nối kết với nhiều loại ngoại vi, các ngoại vi này có thể có lưu lượng thông tin khác nhau, định dạng dữ liệu khác nhau. Bus kết nối bộ xử lý với bộ nhớ thì ngắn và thường thì rất nhanh. Trong giai đoạn thiết kế bus kết nối bộ xử lý với bộ nhớ, nhà thiết kế biết trước các linh kiện và bộ phận mà ông ta cần kết nối lại, còn nhà thiết kế bus vào/ra phải thiết kế bus thoả mãn nhiều ngoại vi có mức trì hoãn và lưu lượng rất khác nhau (xem hình 5.18).
Hình 5.18: Hệ thống bus trong một máy tính
Hiện nay, trong một số hệ thống máy tính, bus nối ngoại vi được phân cấp thành hai hệ thống bus con. Trong đó, bus tốc độ cao (high-speed bus) hỗ trợ kết nối các thiết bị tốc độ cao như SCSI, LAN, Graphic, Video,.. .và hệ thống bus mở rộng (expansion bus) được thiết kế để kết nối với các ngoại vi yêu cầu tốc độ thấp như: modem, cổng nối tiếp, cổng song song,.. .Giữa hai hệ thống bus nối ngoại vi trong tổ chức hệ thống bus phân cấp là một giao diện đệm (hình 5.19).
Hình 5.19: Hệ thống bus phân cấp
Hình 5.20: Bảng biểu diễn tốc độ dữ liệu của các ngoại vi
Ta có thể có nhiều lựa chọn trong việc thiết kế một bus, như trong bảng 5.3.
Bảng 5.3: Các lựa chọn chính yếu cho một bus
Trong bảng 5.3 có khái niệm sau đây liên quan đến các chủ nhân của bus - các bộ phận có thể khởi động một tác vụ đọc hoặc viết trên bus. Ví dụ bộ xử lý luôn là một chủ nhân của bus.
Một bus có nhiều chủ nhân khi nó có nhiều bộ xử lý, hoặc khi các ngoại vi có thể khởi động một tác vụ có dùng bus. Nếu có nhiều chủ nhân của bus thì phải có một cơ chế trọng tài để quyết định chủ nhân nào được quyền chiếm lĩnh bus. Một bus có nhiều chủ, có thể cấp một dãi thông rộng (bandwidth) bằng cách sử dụng các gói tin thay vì dùng bus cho từng tác vụ riêng lẻ. Kỹ thuật sử dụng gói tin được gọi là phân chia nhỏ tác vụ (dùng bus chuyển gói). Một tác vụ đọc được phân tích thành một tác vụ yêu cầu đọc (tác vụ này chứa địa chỉ cần đọc), và một tác vụ trả lời của bộ nhớ (chứa thông tin cần đọc). Mỗi tác vụ đều có một nhãn cho biết loại của tác vụ. Trong kỹ thuật phân chia nhỏ tác vụ, trong khi bộ nhớ đọc các thông tin ở địa chỉ đã xác định thì bus được dành cho các chủ khác.
Bus hệ thống là một bus đồng bộ, nó gồm có một xung nhịp trong các đường dây điều khiển, và một nghi thức cho các địa chỉ và các số liệu đối với xung nhịp. Do có rất ít hoặc không có mạch logic nào dùng để quyết định hành động kế tiếp nào cần thực hiện, nên các bus đồng bộ vừa nhanh, vừa rẻ tiền. Trên bus này, tất cả đều phải vận hành với cùng một xung nhịp.
Ngược lại, các bus vào/ra thuộc loại bus bất đồng bộ, các bus này không có xung nhịp đồng bộ trong hệ thống bus. Thay vào đó có các nghi thức bắt tay với các quy định riêng về thời gian, được dùng giữa các bộ phận phát và bộ phận thu của bus. Bus bất đồng bộ rất dễ thích ứng với nhiều ngoại vi và cho phép nối dài bus mà không phải lo ngại gì đến vấn đề đồng bộ. Bus bất đồng bộ cũng dễ thích ứng với những thay đổi công nghệ.
Giao tiếp giữa bộ xử lý với các bộ phận nhập xuất.
Bộ xử lý dùng 2 cách để liên lạc với các bộ phận vào ra:
Cách thứ nhất, thường được dùng: là cách dùng một vùng địa chỉ của bộ nhớ làm vùng địa chỉ của các ngoại vi. Khi đọc hay viết vào vùng địa chỉ này của bộ nhớ là liên hệ đến các ngoại vi.
Cách thứ hai, dùng mã lệnh riêng biệt cho vào/ra (tức là có các lệnh vào/ra riêng, không trùng với lệnh đọc hay viết vào ô nhớ). Trong trường hợp này, bộ xử lý gởi một tín hiệu điều khiển cho biết địa chỉ đang dùng là của một ngoại vi. Vi mạch Intel 8086 và máy IBM 370 là các ví dụ về bộ xử lý dùng lệnh vào/ra riêng biệt.
Dù dùng cách nào để định vị vào/ra thì mỗi bộ phận vào/ra đều có các thanh ghi để cung cấp thông tin về trạng thái và về điều khiển. Bộ phận vào/ra dùng bit trạng thái “sẵn sàng" để báo cho bộ xử lý nó sẵn sàng nhận số liệu. Định kỳ bộ xử lý xem xét bít này để biết bộ phận vào ra có sẵn sàng hay không. Phương pháp này là phương pháp thăm dò (polling). Và nhược điểm của phương pháp này là làm mất thời gian của bộ xử lý vì định kỳ phải thăm dò tính sẵn sàng của các thiết bị ngoại vi. Điều này đã được nhận thấy từ lâu và đã dẫn đến phát minh ra ngắt quãng (interrupt) để báo cho bộ xử lý biết lúc có một bộ phận vào/ra cần được phục vụ.
Việc dùng ngắt quãng làm cho bộ xử lý không mất thời gian thăm dò xem các ngoại vi có yêu cầu phục vụ hay không, nhưng bộ xử lý phải mất thời gian chuyển dữ liệu. Thông thường việc trao đổi số liệu giữa ngoại vi và CPU là theo khối số liệu, nên vi mạch thâm nhập trực tiếp bộ nhớ trong (DMA: Direct Memory Access) được dùng trong nhiều máy tính để chuyển một khối nhiều từ mà không có sự can thiệp của CPU.
Hình 5.21. Sơ đồ hoạt động của hệ thống bus có vi mạch DMA
DMA là một vi mạch chức năng đặc biệt. Nó chuyển số liệu giữa ngoại vi và bộ nhớ trong, trong lúc đó CPU rãnh rỗi để làm công việc khác. Vậy DMA nằm ngoài CPU và tác động như là một chủ nhân của bus. Bộ xử lý khởi động các thanh ghi của DMA, các thanh ghi này chứa địa chỉ ô nhớ và số byte cần chuyển. DMA chủ động chuyển số liệu và khi chấm dứt thì trả quyền điều khiển cho bộ xử lý.
Vi mạch DMA càng thông minh thì công việc của CPU càng nhẹ đi. Nhiều vi mạch được gọi là bộ xử lý vào/ra (hay bộ điều khiển vào/ra) thực hiện công việc mình theo một chương trình cố định (chứa trong ROM), hay theo một chương trình mà hệ điều hành nạp vào bộ nhớ trong. Hệ điều hành thiết lập một hàng chờ đợi gồm các khối điều khiển các bộ phận vào/ ra. Các khối chứa các thông tin như là vị trí của số liệu (nguồn và đích) và số số liệu. Các bộ xử lý vào/ra lấy các thông tin này trong hàng chờ đợi, thực hiện các việc cần phải làm và gởi về CPU tín hiệu ngắt khi đã thực hiện xong công việc.
Một máy tính có bộ xử lý vào/ra được xem như một máy tính đa xử lý vì DMA giúp cho máy tính thực hiện cùng lúc nhiều quá trình. Tuy nhiên bộ xử lý vào/ra không tổng quát bằng các bộ xử lý vì chúng chỉ làm được một số việc nhất định. Hơn nữa bộ xử lý vào/ ra không chế biến số liệu như các bộ xử lý thường làm. Nó chỉ di chuyển số liệu từ nơi này sang nơi khác.
An toàn dữ liệu trong lưu trữ 	
Người ta thường chú trọng đến sự an toàn trong lưu giữ thông tin ở đĩa từ hơn là sự an toàn của thông tin trong bộ xử lý. Bộ xử lý có thể hư mà không làm tổn hại đến thông tin. ô đĩa của máy tính bị hư có thể gây ra các thiệt hại rất to lớn.
Một phương pháp giúp tăng cường độ an toàn của thông tin trên đĩa từ là dùng một mảng đĩa từ. Mảng đĩa từ này được gọi là Hệ thống đĩa dự phòng (RAID - Redundant Array of Independent Disks). Cách lưu trữ dư thông tin làm tăng giá tiền và sự an toàn (ngoại trừ RAID 0). Cơ chế RAID có các đặc tính sau:
RAID là một tập hợp các ổ đĩa cứng (vật lý) được thiết lập theo một kỹ thuật mà hệ điều hành chỉ “nhìn thấy” chỉ là một ổ đĩa (logic) duy nhất.
Với cơ chế đọc/ghi thông tin diễn ra trên nhiều đĩa (ghi đan chéo hay soi gương).
Trong mảng đĩa có lưu các thông tin kiểm tra lỗi dữ liệu; do đó, dữ liệu có thể được phục hồi nếu có một đĩa trong mảng đĩa bị hư hỏng .
Tuỳ theo kỹ thuật thiết lập, RAID có thể có các mức sau:
RAID 0: Thực ra, kỹ thuật này không nằm trong số các kỹ thuật có cơ chế an toàn dữ liệu. Khi mảng được thiết lập theo RAID 0, ổ đĩa logic có được (mà hệ điều hành nhận biết) có dung dượng bằng tổng dung lượng của các ổ đĩa thành viên. Điều này giúp cho người dùng có thể có một ổ đĩa logic có dung lượng lớn hơn rất nhiều so với dung lượng thật của ổ đĩa vật lý cùng thời điểm. Dữ liệu được ghi phân tán trên tất cả các đĩa trong mảng. Đây chính là sự khác biệt so với việc ghi dữ liệu trên các đĩa riêng lẻ bình thường bởi vì thời gian đọc-ghi dữ liệu trên đĩa tỉ lệ nghịch với số đĩa có trong tập hợp (số đĩa trong tập hợp càng nhiều, thời gian đọc - ghi dữ liệu càng nhanh). Tính chất này của RAID 0 thật sự hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu nhiều thâm nhập đĩa với dung lượng lớn, tốc độ cao (đa phương tiện, đồ hoạ,...). Tuy nhiên, như đã nói ở trên, kỹ thuật này không có cơ chế an toàn dữ liệu, nên khi có bất kỳ một hư hỏng nào trên một đĩa thành viên trong mảng cũng sẽ dẫn đến việc mất dữ liệu toàn bộ trong mảng đĩa. Xác suất hư hỏng đĩa tỉ lệ thuận với số lượng đĩa được thiết lập trong RAID 0. RIAD 0 có thể được thiết lập bằng phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Stripped Applications)
Hình 5.22. Cấu trúc RAID 0
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5
1. Đĩa cứng: cấu tạo, các chuẩn ghép nối, bảng phân khu, thư mục gốc và hệ thống file. 
2. Đĩa quang: cấu tạo, nguyên lý đọc CD và các loại đĩa quang. 
3. RAID: RAID là gì? các kỹ thuật chính tạo RAID; các cấu hình RAID 0, 1 và 10.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
 [1]. Msc. Võ Văn Chín, Ths Nguyễn Hồng Vân, KS Phạm Hữu Tài; Giáo trình kiến trúc máy tính; Khoa CNTT, Đại học Cần Thơ. 
[2]. Hoàng Xuân Dậu, Bài giảng Kiến trúc máy tính của. Học viên bưu chính viễn thông.
[3]. Nguyễn Đình Việt, Kiến Trúc Máy Tính, Nhà xuất bản: Đại học quốc gia Hà Nội.