HDD

Cấu trúc vật lý của HDD (P1)

I / Cấu tạo

- Ổ đĩa cứng (HDD) gồm các thành phần, bộ phận có thể liệt kê cơ bản và giải thích sơ bộ như sau :

• Cụm đĩa

- Đĩa từ : Đĩa từ của ổ cứng là các đĩa bằng nhôm, thuỷ tinh, hoặc sứ có chế độ hoạt động tương đối năng. Đĩa được chế tạo rất đặc biệt giúp cho nó có khả năng lưu trữ tốt, an toàn và không bị “nhão” (nhả từ) như các thiết bị đọc ghi bằng từ tính khác (tuy nhiên cũng có một số loại đĩa từ sản xuất không đạt tiêu chuẩn qua thời gian có hiện tượng bị “nhão”). Đĩa được phủ vật liệu từ ở cả hai mặt (môi trường lưu trữ thực) và bao bọc bằng lớp vỏ bảo vệ. Sau khi đã hoàn tất và đánh bóng, các đĩa này được xếp chồng lên nhau và ghép nối với môtơ quay, có một số loại đĩa cứng chỉ có một đĩa từ. Trước khi chồng đĩa được lắp cố định vào khung, cơ cấu các đầu từ được ghép vào giữa các đĩa.

- Trục quay ( Bộ dịch chuyển đầu từ ) : Nhiều loại đĩa cứng sử dụng môtơ cuộn dây di động (voice coil motor) còn gọi là môtơ cuộn dây quay (rotary coil) hoặc servo để điều khiển chuyển động của đầu từ. Các môtơ servo có kích thước nhỏ, nhẹ rất thích hợp với ổ cứng nhỏ gọn và có thời gian truy cập nhanh

- Thách thức lớn nhất trong việc điều khiển đầu từ  là giữ cho được nó đúng ngay tâm rãnh mongmuốn. Nói cách khác là các nhiễu loại khí động học, các hiệu ứng nhiệt trên đĩa từ và các biến thiên của dòng điều khiển môtơ servo có thể gây nên sai số trong việc điều định vị đầu từ. Vị trí của đầu từ phải luôn luôn được kiểm tra và điều chỉnh kịp thời để đảm bảo vị trí rãnh thật chính xác. Quá trình hiệu chỉnh đầu từ theo rãnh gọi là phương pháp servo đầu từ. Cần có thông tin để so sánh vị trí thực và vị trí mong muốn của đầu từ.
– Thông tin servo dành riêng (Dedicated servo information) được ghi trên mặt đĩa từ dự trữ.
– Thông tin servo nhúng (Embedded servo information) lại được mã hoá thành các chùm dữ liệu ngắn đặt trên từng sector
– Hệ thống servo sử dụng sự lệch pha của các xung tín hiệu của các rãnh kế cận để xác định đầu từ có được đặt đúng giữa rãnh hay không

- Động cơ (Motơ trục quay) : Một trong những yếu tố xác định chất lượng của ổ cứng là tốc độ màđĩa từ lướt qua dưới đầu đọc/ghi. Đĩa từ lướt qua đầu từ với tốc độ khá cao (ít nhất là 3600 vòng/phút). Môtơ trục (spindle môtơ) có chức năng làm quay các đĩa từ. Môtơ trục là loại môtơ không có chỗi quét, chiều cao thấp, dùng điện một chiều, tương tự như môtơ trong ổ đĩa mềm.

- Khi môtơ được cấp điện, một từ trường được tạo ra trong các cuốn dây môtơ. Khi điện cắt, năng lượng từ trường lưu trữ trong các cuộn dây môtơ được giải phóng dưới dạng xung điện thế ngược. Kỹ thuật Hãm động (dynamic braking) sẽ sử dụng năng lượng của xung điện thế ngược đó để làm dừng đĩa lại.

• Cụm đầu đọc

- Đầu đọc/ghi (head) : Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit và cuộn dây (giống như  nam châm điện). Đầu đọc trong đĩa cứng có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặctừ  hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu. Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng

- Cần di chuyển đầu đọc/ghi (head arm hoặc actuator arm) : Đầu đọc/ghi được gắn vào cần di chuyển đầu đọc/ghi. Cần có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay). Các cần di chuyển đầu đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục quay (đồng trục).

• Cụm mạch điện

- Mạch điều khiển: có nhiệm vụ điều khiển động cơ đồng trục, điều khiển sự di chuyển của cần di chuyển đầu đọc để đảm bảo đến đúng vị trí trên bề mặt đĩa.
– Mạch xử lý dữ liệu: dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa cứng.
– Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer): là nơi tạm lưu dữ liệu trong quá trình đọc/ghi dữ liệu. Dữ liệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện.
- Đầu cắm nguồn cung cấp điện cho ổ đĩa cứng.
– Đầu kết nối giao tiếp với máy tính.
– Các cầu nối (jumper): Lựa chọn chế độ làm việc của ổ đĩa cứng (SATA 150 hoặc SATA 300) hay thứ tự trên các kênh trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông số làm việc khác…

• Vỏ đĩa cứng

- Phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phần nắp đậy lại để bảo vệ các linh kiện bên trong. Vỏ ổ đĩa cứng có chức năng chính nhằm định vị các linh kiện, chịu đựng sự va chạm (ở mức độ thấp) để bảo vệ ổ đĩa cứng và đảm bảo độ kín khít để không cho phép bụi được lọt vào bên trong của ổ đĩa cứng. Trên vỏ bảo vệ có các lỗ thoáng đảm bảo cản bụi và cân bằng áp suất giữa môi trường bên ngoài và môi trường không khí có độ sạch cao bên trong

Phần đế HDD

Phần vỏ HD

II / Cấu trúc dữ liệu của HDD

• Track

- Trên một mặt làm việc của đĩa từ chia ra nhiều vòng tròn đồng tâm thành các track. Track có thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các đĩa nhựa nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này không có các gờ phân biệt và chúng là các vòng tròn đồng tâm chứ không nối tiếp nhau thành dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa. Track trên ổ đĩa cứng không cố định từ khi sản xuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi định dạng cấp thấp ổ đĩa (Low Level Format)

- Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểm tra bằng các phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (Bad Block) thì có nghĩa là phần cơ của nó đã rơ ,rão và làm việc không chính xác như khi mới sản xuất, lúc này thích hợp nhất là Format cấp thấp cho nó để tương thích hơn với chế độ làm việc của phần cơ

•  Sector

- Trên Track  chia thành những phần nhỏ bằng các đoạn hướng tâm thành các Sector. Các Sector là phần nhỏ cuối cùng được chia ra để chứa dữ liệu. Theo chuẩn thông thường thì một Sector chứa dung lượng 512 byte. Số Sector trên các Track là khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, các ổ đĩa cứng đều chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau

• Cylinder

 -  Cylinder bao gồm những Track có chung một tâm và đồng trục nằm trên những mặt đĩa từ .

 -  Khi đầu đọc/ghi đầu tiên làm việc tại một Track nào đó thì tập hợp toàn bộ các Track trên các bề mặt đĩa còn lại mà các đầu đọc còn lại đang làm việc tại đó gọi là Cylinder. Trên một ổ đĩa cứng có nhiều Cylinder bởi có nhiều Track trên mỗi mặt đĩa từ.

• Trục quay

 - Trục quay là trục để gắn các đĩa từ  lên nó, chúng được nối trực tiếp với động cơ quay đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ  động cơ đến các đĩa từ.

 -  Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ (như :  hợp kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của chúng không được sai lệch – bởi chỉ một sự  sai lệch nhỏ có thể gây lên sự  rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trình đọc/ghi không chính xác.

• Đầu đọc/ghi

 - Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn dây (giống như nam châm điện). Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt hơn như : chuyển các hạt từ sắp xếp theo phương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc được thiết kế nhỏ gọn và phát triển theo các ứng dụng công nghệ mới.

- Đầu đọc trong đĩa cứng có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặc từ hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu.

- Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa (nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa nhưng chỉ sử dụng 3 mặt).

• Đầu từ -  thanh mang đầu từ

 - Cần di chuyển đầu đọc/ghi là các thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó.

- Cần có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ  ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay).

-Các cần di chuyển đầu đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một trục quay (đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dưới nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng vị trí tương ứng ở các bề mặt đĩa còn lại.

III /  Nguyên tăc lưu trữ trên HDD

 - Trên bề mặt đĩa người ta phủ 1 lớp mỏng chất có từ tính, ban đầu các hạt từ tính không có hướng, khi chúng bị ảnh hưởng bởi từ  trường của đầu từ  lướ tqua, các hạt có có từ  tính được sắp xếp thành các hạt có hướng.

- Đầu từ  ghi/ đọc được cấu tạo bởi 1 lõi thép nhỏ hình chữ  U, một cuộn dây quấn trên lõi thép để đưa dòng điện vào (khi ghi) hay lấy ra (khi đọc), khe hở gọi là khe từ lướt trên bề mặt đĩa với khoáng cách rất gần bằng 1/10 sợi tóc

- Trong quá trình ghi, tín hiệu điện ở  dạng tín hiệu số 0, 1 được đưa vào đầu từ ghi lên bề mặt đĩa thành các nam châm rất nhỏ và đảo chiều tùy ý theo tínhiệu đưa vào là 0 hay 1.

- Trong quá trình phát, đầu từ  đọc lướt qua bề mặt đĩa dọc theo các đường Track đã được ghi tín hiệu, tại điểm giao nhau của các  nam châm có từ trường biến đổi và cảm ứng lên cuộn dây tạo thành một xung điện,xung điện này rất yếu được đưa vào khuyếch đại để lấy ra tín hiệu 0, 1 ban đầu.

-  Tín hiệu 0, 1 là hiệu số ( Digital ).

* Chú ý : Đĩa được ghi theo nguyên tắc cảm ứng từ, vì vậy nếu ta để các đĩa cứng gần các vật có từ tính mạnh như nam châm thì có thể dữ liệu trong đĩa cứng sẽ bị hỏng.

 IV / Hoạt động của HDD

• Ghi từ tính

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

 - Trong các ổ cứng mới hiện nay, người ta thay thế cơ chế ghi từ tính theo chiều dọc bằng một quá trình gọi là Perpendicular Magnetic Recording (ghi từ tính trực giao). Trong kiểu ghi này các phần tử được sắp xếp vuông góc với bề mặt platter. Do đó chúng có thể được gói gần nhau hơn với mật độ lớn, lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn. Mật độ bit trong mỗi inch dày hơn có nghĩa là thông lượng của các dòng dữ liệu dưới đầu đọc (ghi) sẽ nhanh hơn.

 - Thông tin được ghi và đọc từ cả hai mặt của đĩa, sử dụng cơ chế mountedon arms, di chuyển cơ học qua lại giữa phần trung tâm 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” (thời gian 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 cứng . Các trackđược chia thành nhiều đơn vị logic gọi là sector (cung từ). Mỗi một sector có địa chỉ riêng (số track cộng với số sector), được dùng để tổ chức và định vị dữ liệu.

 - Nếu ổ đọc (ghi) không đến được track cần tìm, bạn sẽ phải trải qua cái gọilà góc trễ (latency) hay độ trễ quay (rotational delay) hầu hết đều ở mức trung bình. Độ trễ này xuất hiện trước khi một sector quay bên dưới đầu đọc (ghi) vàsau khi nó tìm thấy track cần tìm.

• Mạch ghép nối

 - Thông thường các máy tính sử dụng kết nối PATA (Parallel AdvancedTechnology Attachment) hoặcSATA (Serial ATA) trong ổ cứng. Thậm chí bạn có thể sử dụng đồng thời cả hai kết nối này vì hầu hết các bo mạch chủ (Mainboard) mới hiện nay đều tích hợp cả hai kiểu kết nối này. Giao diệnPATA vẫn còn dùng  trong các kết nối của ổ quang ( Optical Drive) với máy tính.Kiểu kết nối PATA truyền dữ liệusong song  nghĩa là dữ liệu được gửi song song xuống các dòng đa dữ liệu. SATA gửi dữ liệu theo kiểu hàng loạt qua lại giữa các cặp dây xoắn đơn.

 - Ổ PATA (thông thường được gọi là ổ IDE) được phát triển với nhiều tốc độ khác nhau. Mạch ghép nối ATA nguyên bản của những năm 80 hỗ trợ tốc độ truyền tải lớn nhất là 8,3 MB/giây, một tốc độ rất nhanh thời bấy giờ. ATA-2 nâng thông lượng tối đa lên mức 16,6 MB/giây. Lần lượt sau đó là Ultra ATA với các tốc độ 33 MB/giây, 66 MB/giây, 100 MB/giây. Và đến 133 MB/giâycủa Ultra DMA-33 (Direct Memory Access – Truy cập bộ nhớ trực tiếp) qua Ultra DMA-133 hay Ultra ATA-33 qua Ultra ATA-133. Sau đó đại đa số sử dụng Ultra ATA-66 hoặc hơn.Một ổ ATA điển hình sử dụng cable có độ rộng 2 inch, gồm 40 hoặc 80 (sợi), mặc dù một số cáp 40 chân có dạng vòng. Các ổ cúng của máy tính để bàn chủ yếu sử dụng bộ kết nối 40 chân, các cable  mở rộng 80 là để phân tách một cách vật lý các sợi dữ liệu nhằm tránh hiện tượng nhiễu xuyên âm ở ATA-100 và ATA-133. Notebook với ổ 2,5 inchsử dụng bộ kết nối 44 chân, ổ 1,8 inch sử dụng bộ kết nối 50 chân

 - Với tốc độ 133 MB/giây, mạch ghép nối ATA dần không xử lý được các thách thức về mặt kỹ thuật. Mạch SATA ra đời đã giải quyết các vấn đề của ATA. Hiện tại SATA có hai tốc độ chính: 150MBps và300MBps và hai phiên bản mới 1,5 gigabit/giây (gbps) SATA và 3 gbps SATA . Nhưng thuật toán của các phiên bản mới này khá mờ nhạt : 3gbps được chia thành 8 (tổng số bit trong một byte) trở thành375 MBps (không phải là 300MBps). Nguyên nhân do tốc độ gbps là tốc độ tín hiệu; 300MBps là tốc độ truyền tải dữ liệu lớn nhất. Và đến nay tốc độ mạch nối vẫn chưa được nhân đôi thêm .Tốc độ truyền tải dữ liệu của ổ cứng  đơn SATA thường được duy trì ở mức150MBps. Nếu sử dụng chế độ RAID, cung cấp dữ liệu từ hai hay nhiều ổ vào đường ống dẫn thì sẽ sử dụng được băng thông lớn hơn từ giao diện 300MBps.

- Ổ SATA có cable  gọn và bộ kết nối nhỏ hơn ổ ATA. Điều đó cho phép có nhiều kết nối hơn trong bảng mạch chính và nhiều dòng khí bên trong hộp máy.

 - SATA còn đơn giản hoá phần cài đặt bằng cách sử dụng cấu trúc mạng point-to-point (điểm tới điểm), cho phép sử dụng một kết 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 cứng PATA một cable có thể được dùng để kết nối 2 ổ đĩa cứng lại với nhau

 -  Không giống như PATA, SATA phù hợp với các ổ cứng  ngoài gắn trực tiếp, cho phép sử dụng cáp dài 2m trong một giao diện, góp phần cải tiến tốc độ hơn nhanh đáng kể so với USB 2.0 và FireWire.External SATA có bộ kết nối hơi khác hơn một chút, tốc độ được cải thiện, được thiết kế để khoá tại một chỗ, nhiều lỗi được sửa chữa và tính tương thích hoàn chỉnh.

Cable External SATA

Cổng giao tiếp & Cable kết nối Wire Fire

 - Một giao diện kết nối khác khá phổ biến trước đây, nhưng hiện không cònđược nói tới nhiều là SCSI (for Small Computer System Interface). Tại thờikỳ phát triển, SCSI là phương tiện lưu trữ chương trình thực thi ổ cứng để bànkhá nhanh. Nhưng SATA đã dần thay thế SCSI

V / Thông số và đặc tính

• Dung lượng

  – Dung lượng ổ đĩa cứng (Disk Capacity) là một thông số thường được người sử  dụng nghĩ đến đầu tiên, là cơ sở cho việc so sánh, đầu tư và nâng cấp.

  – Dung lượng ổ đĩa cứng được tính bằng : (số byte/sector) × (số sector/track)× (số cylinder) × (số đầu đọc/ghi)

 -  Dung lượng của ổ đĩa cứng tính theo :  Byte,  KB, MB, GB, TB

 - Đa số các hãng sản xuất đều tính dung lượng theo cách  (1 GB = 1000 MB mà thực ra phải là 1 GB = 1024 MB) nên dung lượng màhệ điều hành (hoặc các phần mềm kiểm tra) nhận ra của ổ đĩa cứng thường thấp hơn so với dung lượng ghi trên nhãn đĩa (ví dụ ổ đĩa cứng 40 GB thường chỉ đạtkhoảng 37-38 GB)

• Tốc độ quay của ổ đĩa cứng

 - Tốc độ quay của đĩa cứng thường được ký hiệu bằng rpm ( revolutions per minute) số vòng quay trong một phút.Tốc độ quay càng cao thì ổ càng làm việc nhanh do chúng thực hiện đọc/ghi nhanh hơn, thời giam tìm kiếm thấp.

- Các tốc độ quay thông dụng là :

1. 3.600 rpm : Tốc độ của các ôr đĩa cứng thế hệ trước
2. 4.200 rpm : Thường được sử  dụng trong các máy tính xáy tay (laptop) mức giá trung bình và thấp (khoảng năm 2007)
3. 5.400 rpm : Thông dụng với dòng ổ đĩa cứng 3.5″ , các ổ đĩa cứng 2,5” cho các máy tính xách tay hiện nay đã chuyển sang tốc độ 5400 rpm để đáp ứng nhu cầu đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn
4. 7.200 rpm : Thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất trong thời gian 2007
5. 10.000 rpm, 15.000 rpm : Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng trong các máy tính cá nhân cao cấp, máy trạm (Work Station) và các máy chủ  (Server) có sử dụng giao tiếp SCSI
6.