Bài giảng chương 6: Thiết bị lưu trữ

Chương 6THIẾT BỊ LƯU TRỮ Thiết bị đĩa từ Thiết bị băng từ Thiết bị đĩa quang Thiết bị Flash Memory NỘI DUNG I. THIẾT BỊ ĐĨA TỪ NGUYÊN LÝ LƯU TRỮ THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ THIẾT BỊ ĐĨA TỪ MỀM THIẾT BỊ ĐĨA TỪ CỨNG TỔ CHỨC LƯU TRỮ THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ GIAO DIỆN ATA/IDE GIAO DIỆN SATA LẮP ĐẶT VÀ BẢO TRÌ Ổ ĐĨA CỨNG 1. NGUYÊN LÝ LƯU TRỮ THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ Dùng từ trường để từ hoá lớp vật liệu từ Nguyên lý cảm ứng điện từ. Công nghệ lưu trữ từ tính truyền thống. Băng từ Đĩa từ mềm Đĩa từ cứng Dòng điện  dây dẫn  từ trường  Sự phân cực các chất từ tính. Đổi chiều dòng điện  đảo ngược chiều phân cực của từ trường Từ trường biến thiên  có dòng điện cảm ứng Chiều phân cực của từ trường thay đổi  chiều dòng điện cũng thay đổi. NGUYÊN LÝ LƯU TRỮ THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ Thiết bị lưu trữ kiểu đĩa từ gồm: Đầu từ ghi/đọc Ghi và đọc các thông tin trên lớp vật liệu từ. Lõi từ chữ U + cuộn dây. Đĩa từ Platter (Mylar)= nhôm or thủy tinh kim loại (plastic) Lớp vật liệu từ tính. Phần tử từ (mới) có cực theo hướng ngẫu nhiên NGUYÊN LÝ LƯU TRỮ THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ Quá trình ghi thông tin: Dòng điện được điều khiển  từ trường trên đầu từ. Đường sức từ trường  định hướng phân cực các phần tử từ tính Tạo từ thông trên 1 vùng xác định Chiều dòng điện thay đổi  đảo chiều từ thông Ghi nhận đảo chiều từ thông tại các điểm chiều phân cực thay đổi, để ghi dữ liệu lên đĩa. bit được ghi trên một vùng  ô bit (bit cell). Mạch logic: dùng các xung (-) và (+) ứng với các đảo chiều từ thông  phân định các vùng và mã hoá dữ liệu trên đĩa Quá trình đọc: Thông tin trong đĩa  điều khiển cho từ trường biến thiên  dòng điện để  mạch logic của ổ đĩa. Mỗi đảo chiều từ thông sẽ được ghi nhận và được giải mã thành các bit thông tin nhị phân đã ghi : NGUYÊN LÝ LƯU TRỮ THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ Các phương pháp mã hóa thông tin: Tối ưu hoá sự phân bố của các đảo chiều từ thông, làm cho đĩa được ghi/đọc tối ưu nhất.  P.pháp mã hóa Định thời lượng (timing): đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu, Bit-1 được ghi nhận bằng một đảo chiều từ thông. Bit-0 thì không có đảo chiều từ thông trong một số timing. Đồng bộ bằng các tín hiệu đồng hồ trong quá trình truyền dữ liệu. Mã hóa dùng cho đĩa từ mềm là FM, MFM, GCR  mật độ ghi dữ liệu: SD, DD, HD. Mã hóa dùng cho đĩa cứng MFM  RLL Các định dạng RLL: RLL2,7, RLL3,9, hay RLL1,7 để đạt được độ tin cậy dữ liệu cao hơn 2. THIẾT BỊ ĐĨA TỪ MỀM Sinh viên tự đọc tài liệu Đĩa từ mềm Cấu tạo ổ đĩa mềm Lắp đặt, bảo trì ổ đĩa mềm Lắp đặt Bảo trì Một số lỗi đĩa và ổ đĩa mềm Floppy(s) disk failure (40) Đèn ổ đĩa mềm sáng liên tục Khai báo sai loại ổ đĩa Không đọc được đĩa Không ghi được đĩa 3. THIẾT BỊ ĐĨA TỪ CỨNG Bộ khung Đĩa từ Đầu từ ghi /đọc Cơ cấu truyền động đầu từ Motor trục quay Mạch điện tử ổ đĩa Cấu tạo của ổ đĩa cứng Cấu tạo của ổ đĩa cứng Đĩa từ 1-11 platter, gắn trên 1 trục Platter = nhôm / thuỷ tinh KL Vật liệu từ: mấp mô ít, lớp bảo vệ Chân không ~ 10-3, lọc bụi > 1 inch. Bộ khung: 3.5", 2.5” /1,8" Cần mang đầu từ Cơ cấu truyền động đầu từ: “lắc” Đầu từ Flying Đầu từ ferit Đầu từ TF Khi quay Đầu từ cách mặt đĩa ~ 310 μinch. To, nặng  Không quay nhanh, mật độ dữ liệu thấp Nhỏ, nhẹ và bền hơn  Dịch chuyển sát bề mặt đĩa hơn (3μinch) TF (Thin Film) sản xuất theo công nghệ vi mạch Đầu từ Đĩa từ Vị trí hãm đầu từ Motor trục quay RPM = Const: 3600, 7200... Vgóc = Const Hãm động (dynamic braking) Mạch điện tử ổ đĩa ROM: Lưu trình điều khiển Cache đĩa: Tăng tốc độ thực thi Thời gian trễ (latency): t = thời gian quay ½ vòng nửa vòng. Ví dụ, 3600 rpm ~ 8.3ms, 7200 rpm ~ 4.2ms Một số thông số của ổ đĩa cứng Tốc độ truyền (data transfer rate): yếu tố Cấu trúc của hệ thống, mạch logic điều khiển, Chuẩn giao tiếp và bản thân ổ đĩa. Tốc độ truyền max (MB/s) = (Spt x 512 byte x Rpm)/60 / 106 Ví dụ: HDD 40Gb/7200 rpm, Spt = 480 (số sector vật lý trung bình),  Tốc độ truyền max: = 29.5 MB/s Hệ số đan xen (Interleave Factor) Logic: sector sắp xếp liên tiếp nhau Vật lý: sector sắp xếp xen kẽ nhau Hệ số đan xen n=6-3 4. TỔ CHỨC LƯU TRỮ T.TIN TRÊN ĐĨA TỪ  Quá trình định dạng cấp thấp (Low Level Format). Mặt đĩa (Side) Rãnh đĩa (Track) Tổ chức lưu trữ thông tin trên đĩa từ mức vật lý Tổ chức lưu trữ thông tin trên đĩa từ mức logic Tổ chức lưu trữ thông tin trên đĩa từ ở mức vật lý Đánh số: 0, 1, 2, ... từ trên xuống dưới. Mỗi mặt đĩa dùng riêng một đầu từ, Số đầu từ = Số mặt đĩa, đánh số: H0(n-1) Là các vòng tròn đồng tâm cách đều. Đánh số thứ tự từ ngoài vào trong. Mật độ rãnh: tpi (track/inch). (đĩa mềm là 96 tpi, mỗi mặt: 80 rãnh, đĩa cứng số rãnh quy chuẩn/ 1 mặt có thể tới 1024) TỔ CHỨC LƯU TRỮ T.TIN TRÊN ĐĨA TỪ MỨC VẬT LÝ Mỗi rãnh chia thành các cung (sector) Mỗi sector chứa 512 byte dữ liệu Sector trên 1 rãnh đánh số thứ tự từ 1n , ngược chiều kim đồng hồ Số sector/track được ký hiệu và được đánh số là S1-n Số sector / rãnh tuỳ thuộc vào loại đĩa từ. Đĩa mềm một rãnh có 836 spt. Đĩa cứng, để tương thích với BIOS, các trình thông dịch đưa ra số spt quy chuẩn tối đa là 63 spt. Cung (Sector) Dung lượng đĩa = (C x H x S) x 512 Byte Các rãnh có cùng thứ tự trên các mặt đĩa Số thứ tự của rãnh cũng là số thứ tự của trụ Đánh số là C0-(n-1) Trụ (Cylinder) TỔ CHỨC LƯU TRỮ T.TIN TRÊN ĐĨA TỪ MỨC VẬT LÝ Phân chia rãnh thành các cung với số lượng đều nhau trên tất cả các rãnh từ ngoài vào trong chỉ thích hợp cho các đĩa từ có dung lượng nhỏ.  gây lãng phí. Kỹ thuật ghi theo vùng: Chia các Cylinder thành các vùng (zone), trong mỗi vùng số sector/track là như nhau. Giữa các vùng tính từ tâm đĩa ra số sector/track sẽ tăng dần. Các ổ đĩa cứng thường có 10 vùng rãnh trở lên. Cho phép tăng dung lượng ghi thông tin lên đĩa. Tạo ra khác biệt về tốc độ truyền giữa các vùng với nhau do tốc độ quay là cố định. Kỹ thuật ghi theo vùng (Zoned Recording) BIOS dùng các sector vật lý đánh số bởi (CHS). Không thích hợp cho việc quản lý và sử dụng HĐH dùng sector logic, là cách đánh địa chỉ sector tuyến tính. Tổ chức lưu trữ thông tin ở mức logic Sector logic Đánh số tuần tự từ 0  sector vật lý cuối cùng (VD: đĩa mềm 1.44Mb sector được đánh số từ 0-2879). Cluster Cluster (đơn vị cấp phát- Allocation unit) Tập hợp của một hoặc nhiều sector liền nhau Là đơn vị lưu trữ nhỏ nhất mà HĐH dùng khi cấp phát cho 1 file. Kích thước được ấn định khi fdisk dựa trên dung lượng partition Các Cluster được đánh số thứ tự bắt đầu từ 2 hết volume 1 Cluster = n Sector Tổ chức lưu trữ thông tin ở mức logic PHÂN KHU (PARTITION) Ổ cứng vật lý có thể chia 1 hay thành nhiều phân khu (partition)  Cho phép cài đặt HĐH và file system riêng biệt trong cùng một ổ cứng vật lý. Master Boot Record – MBR Địa chỉ: Side 0, Track 0, Sector 1 Chương trình đọc cung khởi động Bảng phân khu (Partition Table) - chứa thông tin về cách phân chia ổ đĩa cứng thành các phân khu: lối vào, vị trí, kích thước 3 loại phân khu: Primary DOS Partition Extended DOS Partition Non - DOS Partition Tạo các partition  định dạng đĩa Partition gồm: Cung khởi động (Boot Sector) Boot sector: 512 Byte nằm ở sector 0 của một ổ logic. FD sector 0 có địa chỉ vật lý: Side 0, Track 0, Sector 1. HD sector 0 (ổ logic đầu) có địa chỉ vật lý: Side 1,Track 0,Sector 1. Chứa các thông tin: Chương trình khởi động (Bootstrap) Nơi bắt đầu và kết thúc mỗi phần đĩa Số sector trong một Cluster 2 byte chữ ký AA55h kết thúc Boot sector. Khi khởi động, nạp vào địa chỉ 0000h: 7C00h. ??? Mất thông tin trong Boot Sector Bảng định vị file (File Allocation Table - FAT) Gồm FAT #1 và #2, nội dung giống nhau. Quản lý các cluster  Chuỗi danh sách các cluster của file Chứa các lối vào (entry): chứa thông tin về trạng thái của cluster có số thứ tự tương ứng. Kích thước entry: 12, 16 hoặc 32 bit, tuỳ thuộc vào dung lượng ổ File system. 0 & 1  dạng tổ chức của đĩa. Số còn lại đúng = số lượng các cluster. FAT 12 FAT 16 FAT 32 Khả năng lưu trữ ? Tốc độ ? ? Start Cluster Thư mục gốc (Root Directory) Là danh sách: Tiếp theo bảng FAT #2. Các lối vào Directory Entry, mỗi lối kích thước 32 byte. Kích thước xác định (sau khi format) Cấu trúc Entry  Start Cluster Tên File, Dir K. thước File Mở rộng Thuộc tính Dự trữ Thời gian Ngày Cluster đầu 8 byte 4 3 1 10 2 2 2 Vùng dữ liệu (Data Area) Tập hợp các cluster: từ Cluster 2, Vùng đĩa lớn nhất dành cho NSD Defragment Sự phân mảnh ? FAT và cluster Root Directory ĐỊNH DẠNG ĐĨA Tạo Partition: bằng Fdisk.exe của HĐH. Định dạng: bằng format.exe, (/s cho ổ đĩa khởi động) !!! Cần Set Active cho ổ khởi động của ổ, nếu chia ổ . Định dạng mức thấp (Low Level Format) Ghi thông tin định dạng serctor và rãnh lên từng rãnh của đĩa từ. Mỗi sector xác định bằng bộ ba (C,H,S) ! Vùng DATA được điền bởi các byte dữ liệu giả. Thực hiện bởi NSX ổ đĩa Hoặc các tiện ích của NSX, ví dụ các trình DM... !!! LLF là quá trình định dạng vật lý  Hạn chế sử dụng Định dạng mức cao (High Level Format) Cung cấp cấu trúc phân cấp cho các ổ logic, thư mục và các file, Mỗi HĐH có Hệ thống file khác nhau FAT 16 DOS, Windows 3.x, Windows 9x, NT sử dụng. Hỗ trợ partition đến 2GB (NT cho phép đến 4Gb). FAT 32 Windows 95 OSR2, Windows 98/ 2000/XP. . Hỗ trợ partition đến 2TB NTFS (New Technology File System) Hệ thống file tiên tiến hơn nhiều so với FAT32. Các hệ thống file (File system) Windows NT/2000/XP, không gian địa chỉ 64 bit, Có khả năng thay đổi kích thước của cluster độc lập với dung lượng đĩa cứng, Mở rộng kích thước của tập tin trên một phân vùng đĩa cứng. Dùng bảng quản lý tập tin MFT (Master File Table) thay cho bảng FAT, Tăng khả năng lưu trữ, tính bảo mật cho file và thư mục, khả năng mã hóa dữ liệu đến từng tập tin. Dung lượng Kích thước max của một volume NTFS là 264-1 clusters. Windows XP Prof. max là 232-1 clusters, nếu dùng: Clusters 64 KB: 256 TB - 64 KB. Cluster mặc định 4 KB: 16 TiB - 4 KiB NTFS (New Technology File System) Khả năng phục hồi và chịu lỗi cao, Thao tác dữ liệu của HĐH được ghi lại, nâng cao tính toàn vẹn dữ liệu. Xác định ngay file lỗi: không cần quét lại toàn bộ hệ thống,  quá trình phục hồi dữ liệu nhanh và tin cậy hơn. Trang bị công cụ kiểm tra và sửa đĩa tốt hơn. Ứng dụng “not responding” đóng lại không ảnh hưởng đến ứng dụng khác Các đặc trưng Hỗ trợ các tính năng bảo mật: phân quyền, mã hoá... Các đặc tính sẵn có của NTFS, Không nhất thiết phải sử dụng các tiện ích bổ sung Truy cập và xử lý file nén giống truy cập vào các file chưa nén tiết kiệm dung lượng lưu trữ, nâng cao tuổi thọ của ổ đĩa NTFS (New Technology File System) 5. GIAO DIỆN ATA/IDE ST506 /412 ESDI IDE/ATA SCSI SATA 5 Mbit/s 24 Mbit/s 4÷ 133 MB/s 5÷ 320 MB/s 150 MB/s 300 MB/s 600 MB/s SCSI Parallel Serial IDE (Integrated Drive Electronic – mạch điện tử tích hợp trên thiết bị) thiết bị  BUS hệ thống. Việc tích hợp  Tách chức năng điều khiển ra khỏi chuẩn giao tiếp, Độc lập nâng cao băng thông mà không làm thay đổi chuẩn giao tiếp. Nâng cao độ tin cậy cho IDE Bổ sung ATAPI (ATA Packet Interface)  hỗ trợ CD-ROM, DVD... Giao diện IDE Giao diện IDE/ ATA (PATA) Giao diện IDE Giới hạn dung lượng đĩa cứng Chế độ PIO Các chế độ truyền DMA Giao tiếp vật lý Kết nối ATA IDE thực hiện qua 1 giao tiếp vật lý gồm: Giao tiếp nguồn 4 dây cung cấp các điện áp +5VDC cho các vi mạch và +12VDC cho các motor. Bộ chân nối 40 chân, chia thành hai hàng chân chẵn và chân lẻ. Thực hiện việc ghép nối bộ điều khiển ổ đĩa vào bus hệ thống. Cable tín hiệu điều khiển và dữ liệu: Chiều dài cable bị hạn chế (dưới 460 mm) Cable 40 dây: dùng trong các phiên bản ATA đầu tiên. Cable 80 dây: bổ sung 40 dây nối đất tránh nhiễu giao thoa, đảm bảo an toàn dữ liệu, khi tốc độ truyền dữ liệu tăng. Cả hai cable này sử dụng cùng một bộ chân nối. Giao tiếp vật lý 6. GIAO DIỆN SATA (Serial ATA) Dùng ít dây dẫn  ít nhiễu trên khoảng cách lớn tốc độ truyền cao. Tốc độ tăng do dễ tăng tần số bus truyền nên.  Chuẩn kết nối ổ cứng hiện nay Hiện tượng lệch tín hiệu của PATA Nhiễu DMI  chống nhiễu = GND  Khó mở rộng băng thông Chiều dài cable hạn chế GIAO DIỆN NỐI TIẾP Giao diện Serial ATA (SATA) Là kiến trúc bus nối tiếp (serial), ngược với IDE là bus (parallel): Cơ chế: điểm tới điểm (point-to-point), Kết nối ngang hàng (Peer-to-Peer). Cable dữ liệu  kết nối từ điểm này tới điểm kia giữa các T.bị. Dữ liệu tập hợp thành từng gói và truyền đi với tốc độ cao qua các cặp dây xoắn (lý thuyết gấp 30 lần so với PATA). Kiểm tra phát hiện lỗi truyền bằng mã CRC (Cyclic Redundancy Checking): SATA: tích hợp trên cả hai mức độ lệnh và gói dữ liệu để cải thiện tính an toàn và ổn định của bus truyền. PATA chỉ được thực hiện trên các dữ liệu đang được truyền qua lại. Giao diện Serial ATA (SATA) Hỗ trợ cắm "nóng" (hot plug) cho các ổ đĩa ngoài cắm trực tiếp (cable dài đến 2m), Hỗ trợ RAID nhiều mức, đảm bảo an toàn cho dữ liệu Tương thích ngược với các thiết bị ATA và ATAPI, tương thích với các driver và phần mềm dành cho PATA. Các đặc trưng của SATA: Giao diện Serial ATA (SATA) SATA giao tiếp trực tiếp với chipset nên không cần thêm chip điều khiển Được hỗ trợ bởi các ICH từ ICH5R trở đi. Được hỗ trợ bởi công nghệ lưu trữ MST (Matrix Storage Technology) tăng cường khả năng đảm bảo an toàn dữ liệu với Các chế độ RAID khác nhau và Công nghệ NCQ  Cho phép tăng tốc độ truy cập dữ liệu, nâng cao hiệu năng hoạt động của hệ thống. SATA RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) Cung cấp kỹ thuật kết nối các ổ đĩa thành dãy (hệ đĩa), giúp cải tiến tốc độ và an toàn dữ liệu. Striping: Dữ liệu được ghi đồng đều lên các ổ đĩa. Phân chia dữ liệu lên hai hoặc nhiều ổ đĩa, dữ liệu được ghi vào các sector trên mỗi ổ đĩa thành từng khối. Rút ngắn thời gian ghi/đọc dữ liệu ? RAID ? SATA RAID Hỗ trợ bởi các ICH5R/RW, ICH6R/RW.... Hỗ trợ bởi kỹ thuật RAID với nhiều mức: 0,1,5,10 SATA RAID RAID mức 0 (striping): Dữ liệu được phân ra cho nhiều ổ đĩa; Không có ổ dự phòng. Hạn chế: 1 ổ bị lỗi, dữ liệu trên tất cả các ổ đều bị mất,  sao lưu RAID mức 1 (mirroring) : Dữ liệu được phân vào 1 dãy và dữ liệu trong mỗi ổ lại được chuyển vào một ổ đĩa lưu trữ dự phòng.  Dữ liệu được sao chép vào hai ổ đĩa,  Dự phòng khi một ổ đĩa bị hỏng. !!! RAID mức 0 và 1 thường được thiết lập nhất. RAID mức 5 hay 10 (kết hợp của mức 1& 0): Dữ liệu được ghi lên những sector của các ổ đĩa trong dãy. Thông tin parity ghi vào tất cả các ổ đĩa. Cho phép ghi nhanh hơn. Công nghệ Native Command Queuing (NCQ) NCQ là kỹ thuật phân tích, sắp xếp các câu lệnh thực thi, hỗ trợ cho SATA, Tăng tốc độ truy cập dữ liệu, nâng cao hiệu năng hoạt động của hệ thống. NCQ cho phép có nhiều lệnh đợi cùng một lúc. NCQ sắp xếp các câu lệnh để tối ưu việc truy cập dữ liệu TCQ  NCQ Hàng đợi lệnh: Các lệnh được sắp xếp lại trình tự thực hiện. Cơ chế theo dõi lệnh đã hoàn tất & lệnh chưa thực thi, Cho phép truy xuất thêm các lệnh mới vào hàng đợi. Có thể thực thi các giao thức khác nhau cho từng lệnh Công nghệ Native Command Queuing (NCQ) Chu kỳ hoạt động: NCQ truyền dữ liệu cho từng lệnh, Cho phép ổ đĩa thiết lập chế độ DMA Ổ đĩa kiểm soát cơ chế DMA, chọn chế độ truyền để giảm thiểu độ trễ và tối ưu hoá việc sắp xếp thứ tự lệnh. Chu kỳ nghỉ NCQ trả lại tình trạng hoàn tất lệnh,  lệnh có thể được thực thi bất kỳ lúc nào, mà không cần hệ thống và ổ đĩa bắt tay nhau. Hệ thống và ổ đĩa sử dụng địa chỉ 32-bit để liên lạc nhau về các lệnh chưa hoàn tất. Các chuẩn Serial ATA (SATA) SATA/150: băng thông 1.5Gbps (150 MB/s) Công nghệ lưu trữ MST. RAID mức 0 và 1. SATA/300: 3Gbps (300MB/s) RAID với các mức 0,1,5,10 Công nghệ NCQ. eSATA: 3Gbps (300MB/s) Mở rộng việc kết nối cho ổ SATA ngoài Tăng cường hơn kết nối nhiều ổ đĩa vào trong hệ thống. Giao tiếp vật lý Cable nguồn (hình vẽ) Cable dữ liệu SATA 7 dây gồm: 2 cặp dây chính và 3 dây nối đất. SATA dùng cơ chế nối điểm  không cần thiết lập jumper như P-ATA.