Xem mẫu
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin và truyền thông hiện
nay, vai trò của chiếc máy vi tính là cực kì quan trọng. Trong s ố các linh
kiện cấu thành lên máy vi tính, chúng ta không thể không nhắc tới Ổ đĩa
cứng. Ổ đĩa cứng là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu của máy vi tính. T ừ
xưa, ước muốn con người đã là làm sao bảo quản được các tài liệu quý
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 1
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
giá dưới sự tác động của thời gian. Ngày nay, với sự xuất hi ện c ủa máy
vi tính, đặc biệt là ổ đĩa cứng, các tài liệu đó đã được l ưu trữ, sắp xếp tổ
chức khoa học, thật dễ dàng sử dụng. Từ khi ra đời chiếc ổ cứng đầu
tiên trên thế giới(1955) cho tới nay(2011), công nghệ lưu trữ cũng như
công nghệ sản xuất ổ đĩa cứng đã phát triển rất mạnh mẽ. Giờ đây, chỉ
với số tiền không lớn, khoảng gần 1 triệu Việt Nam đồng, chúng ta đã có
thể sở hữu một chiếc ổ cứng với dung lượng 160GB(ổ cứng 3.5 inch gắn
trong).
Em chọn đề tài thực tập “Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ
đĩa cứng” phần nhiều là do ham muốn tìm hiểu về nó, phần nhỏ là do em
đã từng phải thay thế, sửa chữa khả nhiều ổ cứng do chúng bị hỏng.
Em xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc tới thầy giáo Nguy ễn
Tuấn Tú vì thầy đã giúp đỡ, hướng dẫn em tận tình trong quá trình em
thực hiện đề tài này.
Sinh viên thực hiện
Đàm Phương
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA
Ổ ĐĨA CỨNG
1.1. Tổng quan về ổ đĩa cứng
Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt:
HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn
phủ vật liệu từ tính. Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đ ổi" (non-
volatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 2
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
điện cho chúng. Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong h ệ th ống b ởi
chúng chứa dữ liệu thành quả của một quá trình làm việc của những người
sử dụng máy tính. Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong h ệ th ống
máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố
hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy lại được.
Ổ đĩa cứng là một khối duy nhất, các đĩa cứng được lắp ráp cố đ ịnh
trong ổ ngay từ khi sản xuất nên không thể thay th ế được các "đĩa c ứng" nh ư
với cách hiểu như đối với ổ đĩa mềm hoặc ổ đĩa quang. Ổ cứng thường được
gắn liền với máy tính để lưu trữ dữ liệu cho dù chúng xuất hiện muộn hơn so
với những chiếc máy tính đầu tiên.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, ổ đĩa cứng ngày nay có
kích thước càng nhỏ đi đến các chuẩn thông dụng với dung lượng thì ngày
càng tăng lên. Những thiết kế đầu tiên ổ đĩa cứng chỉ dành cho các máy tính
thì ngày nay ổ đĩa cứng còn được sử dụng trong các thiết bị đi ện t ử khác nh ư
máy nghe nhạc kĩ thuật số, máy ảnh số, điện thoại di động thông minh
(SmartPhone), máy quay phim kĩ thuật số, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân...
Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, ổ đĩa cứng đã có nh ững bước
tiến công nghệ nhằm giúp lưu trữ và truy xuất dữ liệu nhanh hơn: ví dụ sự
xuất hiện của các ổ đĩa cứng lai giúp cho hệ điều hành hoạt đ ộng tối ưu h ơn,
giảm thời gian khởi động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng, s ự thay đ ổi
phương thức ghi dữ liệu trên các đĩa từ làm cho dung lượng mỗi ổ đĩa cứng
tăng lên đáng kể.
1.2. Lịch sử phát triển của ổ đĩa cứng
Năm 1955, ổ cứng đầu tiên trên thế giới có là IBM 350 Disk File đ ược
chế tạo bởi Reynold Johnson ra mắt năm 1955 cùng máy tính IBM 305. Ổ
cứng này có tới 50 tấm đĩa kích thước 24" với tổng dung lượng là 5 triệu kí
tự. Một đầu từ được dùng để truy nhập tất cả các tấm đĩa khiến cho tốc độ
truy nhập trung bình khá thấp.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 3
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 01: Ổ cứng IBM 350 Disk File
Năm 1961, thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301 ra mắt năm 1961 bắt đ ầu
sử dụng mỗi đầu từ cho một mặt đĩa. Ổ đĩa đầu tiên có b ộ ph ận lưu tr ữ tháo
lắp được là ổ IBM 1311. Ổ này sử dụng đĩa IBM 1316 có dung lượng 2 tri ệu
kí tự.
Hình 02: thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301
Năm 1973, IBM giới thiệu hệ thống đĩa 3340 "Winchester", ổ đĩa đầu
tiên sử dụng kĩ thuật lắp ráp đóng hộp (sealed head/disk assembly - HDA). Kĩ
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 4
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
sư trưởng dự án/chủ nhiệm dự án Kenneth Haughton đặt tên theo "súng
trường Winchester" 30-30 sau khi một thành viên trong nhóm gọi nó là "30-30"
vì các trục quay 30 MB của ổ đĩa cứng. Hầu hết các ổ đĩa hiện đ ại ngày nay
đều sử dụng công nghệ này, và cái tên "Winchester" trở nên ph ổ bi ến khi nói
về ổ đĩa cứng và dần biến mất trong thập niên 1990. Trong một thời gian dài,
ổ đĩa cứng có kích thước lớn và cồng kềnh, thích hợp với m ột môi tr ường
được bảo vệ của một trung tâm dữ liệu hoặc một văn phòng lớn h ơn là trong
môi trường công nghiệp khắc nghiệt (vì sự mong manh), hay văn phòng nhỏ
hoặc nhà riêng (vì kích cỡ quá khổ và lượng điện năng tiêu thụ). Trước thập
niên 1980, hầu hết ổ đĩa cứng có các tấm đĩa cỡ 8" (20 cm) ho ặc 14-inch (35
cm), cần một giá thiết bị cũng như diện tích sàn đáng kể (tiêu biểu là các ổ
đĩa cứng lớn có đĩa tháo lắp được, thường được gọi là "máy giặt"), và trong
nhiều trường hợp cần tới điện cao áp hoặc thậm chí điện ba pha cho những
mô tơ lớn chúng dùng. Vì lí do đó, các ổ đĩa c ứng không đ ược dùng ph ổ bi ến
trong máy vi tính đến tận năm 1980, khi Seagate Technology cho ra đời ổ đĩa
ST-506 - ổ đĩa 5,25" đầu tiên có dung lượng 5 MB. Có một th ực t ế là trong
cấu hình xuất xưởng, máy IBM PC (IBM 5150) không được trang b ị ổ đĩa
cứng.
Hình 03: hệ thống đĩa 3340 "Winchester"
Thập niên 1990, đa số các ổ đĩa cứng cho máy vi tính đầu thập kỷ
1980 không bán trực tiếp cho người dùng cuối bởi nhà sản xuất mà bởi các
OEM như một phần của thiết bị lớn hơn (như Corvus Disk System và Apple
ProFile). Chiếc IBM PC/XT được bán ra đã có một ổ đĩa cứng l ắp trong
nhưng xu hướng tự cài đặt nâng cấp bắt đầu xuất hiện. Các công ty ch ế tạo
ổ đĩa cứng bắt đầu tiếp thị với người dùng cuối bên cạnh OEM và đến giữa
thập niên 1990, ổ đĩa cứng bắt đầu xuất hiện trong các cửa hàng bán lẻ. Ổ đĩa
lắp trong ngày càng được sử dụng nhiều trong PC trong khi các ổ đĩa lắp
ngoài tiếp tục phổ biến trên máy Macintosh của hãng Apple và các nền tảng
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 5
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
khác. Mỗi máy Mac sản xuất giữa giữa các năm 1986 và 1998 đ ều có m ột
cổng SCSI phía sau khiến cho việc lắp đặt thêm phần cứng mới trở nên dễ
dạng; tương tự như vậy, "toaster" (máy nướng bánh) Mac không có ch ỗ cho ổ
đĩa cứng (hay trong Mac Plus không có chỗ lắp ổ đĩa c ứng), các đ ời ti ếp theo
cũng vậy thế nên ổ SCSI lắp ngoài là có thể hiểu được. Các ổ đĩa SCSI lắp
ngoài cũng phổ biến trong các máy vi tính cổ như loạt Apple II và Commodore
64, và cũng được sử dụng rộng rãi trong máy chủ cho đến tận ngày nay. Sự
xuất hiện vào cuối thập niên 1990 của các chuẩn giao ti ếp ngoài nh ư USB và
FireWire khiến cho ổ đĩa cứng lắp ngoài trở nên phổ biến hơn trong người
dùng thông thường đặc biệt đối với những ai cần di chuyển một khối lượng
lớn dữ liệu giữa hai địa điểm. Vì thế, phần lớn các ổ đĩa cứng s ản xuất ra
đều có trở thành lõi của các vỏ lắp ngoài.
Hình 04: Ổ đĩa SCSI
Ngày nay, dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với th ời
gian. Đối với những máy PC thế hệ đầu, ổ đĩa dung lượng 20 megabyte đ ược
coi là lớn. Cuối thập niên 1990 đã có nh ững ổ đĩa cứng v ới dung lượng trên 1
gigabyte. Vào thời điểm đầu năm 2005, ổ đĩa cứng có dung lượng khiêm tốn
nhất cho máy tính để bàn còn được sản xuất có dung l ượng lên t ới 40
gigabyte còn ổ đĩa lắp trong có dung lượng lớn nhất lên tới một nửa terabyte
(500 GB), và những ổ đĩa lắp ngoài đạt xấp xỉ một terabyte. Cùng với l ịch s ử
phát triển của PC, các họ ổ đĩa cứng lớn là MFM, RLL, ESDI, SCSI, IDE và
EIDE, và mới nhất là SATA. Ổ đĩa MFM đòi hỏi mạch điều khi ển ph ải
tương thích với phần điện trên ổ đĩa cứng hay nói cách khác là ổ đĩa và m ạch
điều khiền phải tương thích. RLL (Run Length Limited) là một phương pháp
mã hóa bit trên các tấm đĩa giúp làm tăng mật đ ộ bit. Ph ần l ớn các ổ đĩa RLL
cần phải tương thích với bộ điều khiển nó làm việc với. ESDI là một giao
diện được phát triển bởi Maxtor làm tăng tốc trao đổi thông tin giữa PC và đĩa
cứng. SCSI (tên cũ là SASI dành cho Shugart (sic) Associates), vi ết t ắt cho
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 6
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Small Computer System Interface, là đối thủ cạnh tranh ban đầu c ủa ESDI.
Khi giá linh kiện điện tử giảm (do nhu cầu tăng lên) các chi ti ết đi ện tử tr ước
kia đặt trên cạc điều khiển đã được đặt lên trên chính ổ đĩa cứng. Cải ti ến
này được gọi là ổ đĩa cứng tích hợp linh kiện điện t ử (Integrated Drive
Electronics hay IDE). Các nhà sản xuất IDE mong muốn t ốc đ ộ c ủa IDE ti ếp
cận tới tốc độ của SCSI. Các ổ đĩa IDE chậm hơn do không có bộ nhớ đệm
lớn như các ổ đĩa SCSI và không có khả năng ghi trực tiếp lên RAM. Các công
ty chế tạo IDE đã cố gắng khắc phục khoảng cách tốc độ này bằng phương
pháp đánh địa chỉ logic khối (Logical Block Addressing - LBA). Các ổ đĩa này
được gọi là EIDE. Cùng lúc với sự ra đời của EIDE, các nhà sản xuất SCSI đã
tiếp tục cải tiến tốc độ SCSI. Những cải tiến đó đồng th ời khi ến cho giá
thành của giao tiếp SCSI cao thêm. Để có thể vừa nâng cao hi ệu su ất c ủa
EIDE vừa không làm tăng chi phí cho các linh kiện đi ện t ử không có cách nào
khác là phải thay giao diện kiểu "song song" bằng kiểu "nối ti ếp", và k ết qu ả
là sự ra đời của giao diện SATA. Tuy nhiên, hiệu suất làm vi ệc c ủa các ổ đĩa
cứng SATA thế hệ đầu và các ổ đĩa PATA không có sự khác biệt đáng kể.
Hiện nay, ổ đĩa cứng giao diện SATA là thông dụng h ơn cả trên toàn
thế giới. Hãng Western Digital đã đưa ra ổ cứng WD Caviar Green 3TB sử
dụng giao tiếp SATA với giá bán là khoảng 4,7 triệu VND (239 USD) và
phiên bản 2,5 TB sử dụng giao tiếp SATA sẽ có giá bán 3,7 triệu VND (189
USD). Ổ đĩa này có kích thước 3,5 inch sử dụng 4 lớp đĩa có dung lượng
750GB, có mức tiêu thụ điện năng thấp, nhiệt độ hoạt động cũng thấp hơn và
ổ đĩa cũng hoạt động yên tĩnh hơn.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 7
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 05: Ổ đĩa cứng giao diện IDE(hay còn gọi là PATA)
Hình 06: Ổ đĩa cứng giao diện SATA
Trên thị trường hiện nay còn xuất hiện ổ lưu trữ thể rắn và ổ cứng gắn
ngoài(External Drive). Ổ lưu trữ thể rắn SSD(Solid State Drive) là một thiết bị
lưu trữ sử dụng bộ nhớ trạng thái rắn để lưu trữ dữ liệu trên máy tính một
cách bền vững. Loại ổ cứng này lưu trữ dữ liệu dựa vào các tế bào nh ớ, ở
thể rắn, do đó gần như không gây tiếng ồn, không có độ trễ cơ h ọc nên mang
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 8
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
lại tốc độ truy cập cao hơn. Đồng thời không mất th ời gian kh ởi đ ộng nh ư ổ
đĩa cứng (Hard Disk Drive). Ổ SSD sử dụng SRAM hoặc DRAM hoặc bộ nhớ
FLash để lưu dữ liệu. SSD không có bộ phận chuyển động, vì v ậy không
giống như các ổ đĩa cứng truyền thống, ít có khả năng bị phá hủy do di
chuyển và tạo ra rất ít nhiệt hoặc thậm chí không có nhiệt. Chúng t ương tự
như các thẻ nhớ SD được tìm thấy trong máy ảnh kỹ thuật số và các thi ết b ị
khác, hoặc bộ nhớ trong của iPhone, PSP Go, và các thiết b ị c ầm tay khác.
SSD đang dần đc biết tới, tuy nhiên vẫn hạn ch ế nhất đ ịnh. Hi ện t ại SSD có
giả cả vẫn khá cao so với ổ cứng bình thường.(ổ SSD G.Skill dung l ượng
60GB có giá gần 5 triệu đồng Việt Nam).
Hình 07: Ổ lưu trữ thể rắn
Ổ cứng gắn ngoài hiện nay có giá đắt hơn ổ cứng gắn trong(một chi ếc
Samsung 160GB có giá khoảng 850000 đồng Việt Nam).
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 9
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 08: Một ổ cứng gắn ngoài của hãng Western Digital
Giờ đây(2011), người dùng máy tính có thể mua một ổ cứng giao diện
SATA có dung lượng 160GB với giá khá rẻ, khoảng hơn b ảy trăm ngàn đ ồng
Việt Nam (so với năm 2007 là gần một triệu đồng Việt Nam). Các nhà phân
phối linh kiện máy tính ở Việt Nam hầu hết chỉ nhập về ổ cứng với dung
lượng nhỏ nhất là 160GB, ổ cứng dung lượng 80GB hiện giờ chỉ có th ể mua
hàng cũ đã qua sử dụng.
Western Digital vừa chính thức công bố phiên bản nâng cấp của dòng ổ
cứng Caviar Blue 3,5 inch với giao tiếp SATA 6.0 Gbps. Theo đó ổ c ứng m ới
này có tốc độ quay 7200 RPM và sử dụng công nghệ Advanced Format với
sector 4K. Western Digital 6.0 Gbps sẽ có sẵn với các mức dung lượng lưu trữ
là 250 GB, 320 GB, 500 GB, 750 GB và 1 TB. Và có b ộ nh ớ đ ệm 16 MB
(phiên bản 500 GB và thấp hơn) hoặc 32 MB (phiên bản 750 GB và 1 TB).
Hiện ổ cứng này đã có mặt tại thị trường Châu Âu với mức giá t ương ứng là
43,4 USD (250 GB), 44 USD (320 GB), 46 USD (500 GB), 60 USD (750 GB)
và 71 USD (1 TB).
Một số nhà sản xuất ổ đĩa cứng hàng đầu thế giới ph ải kể đ ến là:
Các hãng này hiện đang
Western Digital, Seagate, Hitachi, Samsung,…
cạnh tranh nhau gay gắt về giá cả cũng như dung lượng, tính năng của ổ đĩa
cứng.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 10
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
CHƯƠNG 2
CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA Ổ ĐĨA CỨNG
2.1. Sơ đồ khối
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 11
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 09: Sơ đồ khối của ổ đĩa cứng
2.2. Nguyên lý làm việc và đặc tính của các khối
2.2.1. Đĩa từ
Đĩa từ (platter) của ổ cứng là các đĩa bằng nhôm, thuỷ tinh, hoặc sứ có
chế độ hoạt động tương đối năng, trên bề mặt được phủ một lớp vật liệu t ừ
tính là nơi chứa dữ liệu. Đĩa từ được coi là vật liệu t ừ. Từ tính gây ra b ởi l ực
từ, lực từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực c ơ b ản c ủa t ự nhiên,
nó được sinh ra do chuyển động của các hạt có đi ện tích. Trên b ề m ặt đĩa t ừ
có các điểm từ tính. Khi các điểm từ tính đó suy gi ảm ho ặc m ất kh ả năng t ừ
tính thì hệ thống gọi hiện tượng đó là bad sector. Vì các điểm từ tính đó là các
hạt từ tính được gắn kết lên platter bằng công nghệ và hóa ch ất đ ặc bi ệt,
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 12
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
không dễ gì loại bỏ hay bổ xung khả năng từ tính cho nó. Đĩa t ừ được ch ế
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 th ời gian có hi ện t ượng
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 t ất và đánh bóng, các đĩa này
được xếp chồng lên nhau và ghép nối với môtơ quay, chúng gắn song song,
quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt động. Số lượng đĩa có th ể
nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng và công nghệ của mỗi hãng sản
xuất khác nhau, có một số loại đĩa cứng chỉ có một đĩa từ. Trước khi ch ồng
đĩa được lắp cố định vào khung, cơ cấu các đầu từ được ghép vào giữa các
đĩa.
Hình 10: Đĩa từ bên trong ổ đĩa cứng
Có thể coi mỗi mặt đĩa cứng là một trường hai chiều: cao và rộng.
Theo kiểu hình học này thì dữ liệu được ghi vào các vòng tròn đồng tâm, phân
bố từ trục quay ra tới rìa đĩa. Mỗi vòng trong đồng tâm trên đĩa g ọi là Track.
Track có thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các
đĩa nhựa (ghi âm nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này
không có các gờ phân biệt và chúng là các vòng tròn đồng tâm ch ứ không n ối
tiếp nhau thành dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa. Track trên ổ đĩa c ứng không
cố định từ khi sản xuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi đ ịnh dạng c ấp th ấp ổ
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 13
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
đĩa (low format). Thông thường,mỗi đĩa có từ 312 đến 2048 rãnh. Track là một
tập hợp bao gồm một số sector nhất định nhưng dung lượng từng track khác
nhau có độ lớn từ trong ra ngoài (Track 0>track 1 >track 2 >…>track N>track
N+1).
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 đ ể
tương thích hơn với chế độ làm việc của phần cơ.
Cylinder bao gồm những track có chung một tâm và đồng trục nằm trên
những mặt đĩa từ. Tập hợp các track cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các
mặt đĩa khác nhau thành các cylinder.
Hình 11: Hình mô tả Cylinder
Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu tiên làm vi ệc tại
một track nào thì tập hợp toàn bộ các track trên các bề mặt đĩa còn l ại mà các
đầu đọc còn lại đang làm việc tại đó gọi là cylinder (cách gi ải thích này chính
xác hơn bởi có thể xảy ra thường hợp các đầu đọc khác nhau có kho ảng cách
đến tâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế tạo). Trên một ổ đĩa c ứng có
nhiều cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa từ.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 14
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Hình 12: Mô tả Track/Cluster/Sector(cung từ)
Mô tơ trục quay là bộ phận để gắn các đĩa từ lên nó, chúng được nối
trực tiếp với động cơ quay đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuy ển
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.
Hình 13: Mô tơ trục quay
Một trong những yếu tố xác định chất lượng của ổ cứng là tốc độ mà
đĩa từ lướt qua dưới đầu đọc/ghi. Đĩa từ lướt qua đầu từ với tốc độ khá cao
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 15
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
(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 đi ện c ắt, 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.
Tốc độ quay của motor trục quay: Thông thường thì các loại đĩa cứng
hiện nay có tốc độ quay từ 5200rpm đến 7200rpm(rpm viết tắt của round per
minute, nghĩa là số vòng quay trong một phút). Không chỉ có th ế trên th ị
trường hiện nay đã có những loại ổ cứng chuyên dụng với khả năng có tốc
độ đến 10000rpm hoặc 15000rpm. Tốc độ quay giữ một vai trò thi ết y ếu đ ến
tốc độ truy xuất dữ liệu của ổ cứng, quay càng nhanh thì đọc và ghi càng
nhanh nhưng như thế cũng đồng nghĩa là ổ cứng sẽ kêu to hơn và mau nóng
hơn. Khi ổ cứng nóng lên (có nghĩa là đĩa từ cũng sẽ nóng lên theo) sẽ làm cho
lực từ bị hao hụt và “nhiễu” lúc đó dữ liệu đọc và ghi sẽ có rất nhiều vấn đề.
Với những loại ỗ cứng có tốc độ cao như thế này thì các nhà sản xuất luôn
khuyến cáo người tiêu dùng nên trang bị thêm quạt giải nhi ệt đ ể kéo dài tu ổi
thọ và dữ liệu của ổ cứng. Nhờ có tốc độ cao nh ư th ế mà các ổ c ứng th ế h ệ
sau này đều có khả năng đọc hết tất cả mọi sector trên cùng một track ch ỉ
bằng một vòng quay. Tốc độ của motor trục quay luôn luôn là một h ằng số,
nếu nó bị thay đổi có nghĩa là ổ cứng đó không thể sử được nữa.
2.2.2. Đầu từ, thanh mang đầu từ
Đầu từ của ổ đĩa cứng thường được chế rao như trong ổ đĩa mềm, lõi
sắt mềm cộng với 8 đến 34 (hoặc hơn) vòng dây đồng m ảnh. Các đầu t ừ này
có kích thước lớn và tương đối năng làm hạn chế số rãnh có th ể có trên m ặt
đĩa mà hệ thống chuyển dịch đầu từ phải khắc phục. Hiện nay, các thiết kế
đầu từ đã loại bỏ các kiểu quấn dây cổ điển mà dùng loại đầu từ màng
mỏng. Nó được chế tạo giống như vi mạch dùng công nghệ quang hóa. Do
kích thước nhỏ và nhẹ nên độ rộng của rãnh ghi cũng nhỏ hơn và thời gian
dịch chuyển đầu tư nhanh hơn. Trong cấu trúc tổng th ể, các đ ầu t ừ này đ ược
gắn vào các cánh tay kim loại dài(gọi là thanh mang đ ầu t ừ) đi ều khi ển b ằng
môtơ. Các vi mạch tiền khuếch đại của đầu từ thường được g ắn trên t ấm vi
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 16
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
mạch in nhỏ nằm trong bộ dịch chuyển đầu từ. Toàn bộ cấu trúc này được
bọc kín trong hộp đĩa. Hộp được đậy kín bằng nắp kim loại có gioăng lót.
Hình 14: Đầu từ(head)
Đầu từ 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 ngh ệ mới. Đầu t ừ trong đĩa
cứng có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề m ặt đĩa t ừ ho ặc t ừ
hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu. Số đầu từ 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).
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 17
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Trên mỗi mặt đĩa từ của ổ cứng thì đều có một đầu từ riêng biệt,
những đầu từ này có vai trò đọc/ghi dữ liệu lên bề mặt đĩa từ.
Thanh mang đầu từ là thiết bị mà đầu từ gắn vào nó. Thanh mang đầu
từ có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa t ừ ở m ột
khoảng cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu từ tại các vị trí
từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay). Các thanh mang đ ầu
từ di chuyển đầu từ 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 li ệu
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 từ còn lại.
Hình 15: Thanh mang đầu từ
Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ đóng một vai trò rất quan trọng
trong việc đọc ghi của đầu từ. Tốc độ của motor này phải đồng bộ với t ốc
độ của mô tơ chính (mô tơ quay đĩa từ) nếu không sẽ không thể đọc chính xác
được dữ liệu. Cấu trúc mô tơ này khá đơn giản, nó không nh ư m ột mô t ơ
thông thường mà chỉ đơn thuần là một bộ phận chuy ển động có giới h ạn
trong một góc quay nhất định. Mô tơ này chỉ là một bộ khung có quấn cuộn
cảm phát sinh lực từ để chuyển động và một nam châm có lực hút rất mạnh
được gắn vào khung điều khiển của đầu đọc. Ở trạng thái binh thường
không hoạt động, mô tơ này sẽ tự động đưa đầu đọc vào khoang trống, một
khoảng không trống có khung bảo vệ bên ngoài các đĩa t ừ, đ ể tránh r ủi ro t ối
đa cho các đầu từ cực nhỏ được gắn trên thanh mang đầu t ừ. Bên trong ổ
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 18
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
cứng là một môi trường chân không hoàn toàn và chống ẩm. Giữa đầu từ và
mặt đĩa từ có một khoảng không gian cực nhỏ có thể nói là siêu nh ỏ. “ Ở gi ữa
mặt đĩa từ và đầu từ là một khoảng không gian siêu nh ỏ trong môi tr ường
chân không bên trong ổ cứng” chứ không phải là “giữa ổ cứng và đ ầu đ ọc có
một lớp đệm không khí hoặc lớp đệm từ trường” như một s ố bài báo và sách
đã đề cập đến. Tốc độ mô tơ quay đĩa từ rất cao khi quay sẽ tạo ra gió nếu
như ta mở nắp đậy ổ cứng ra, nếu có không khí bên trong ổ cứng thì khi đĩa
từ quay với tốc độ cao như thế sẽ tạo gió làm rung và có thể th ổi bay luôn c ả
những đầu đọc đồng thời trong không khí có rất nhiều bụi bẩn trong khi đó
mặt đĩa từ phải luôn luôn sạch bóng. Do đó bên trong ổ c ứng ph ải là môi
trường chân không. Ổ cứng là một thiết bị lưu trữ dữ liệu bằng từ tính, đầu
từ đọc và ghi bằng từ tính và mặt đĩa từ cũng có độ nhạy t ừ rất cao nh ư th ế
thì không thể nào ở giữa đầu đọc và đĩa từ lại có thêm một lớp đệm từ
trường.
Hình 16: Mô tơ điều khiển thanh mang đầu từ
2.2.3. Bảng mạch điều khiển
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 19
- Đàm Phương KHMT1K2 HaUI 2011
Bảng mạch điều khiển gồm có Mạch điều khiển và Mạch xử lý dữ
liệu.
Mạch xử lý dữ liệu dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa
cứng. Mạch điều khiển có nhiệm vụ điều khiển mô tơ trục quay đĩa từ,
điều khiển sự di chuyển của thanh mang đầu từ để đảm bảo đến đúng vị trí
trên bề mặt đĩa. Ổ đĩa cứng được điều khiển bởi các mạch điện tử tương đ ối
phức tạp. Bảng mạch điều khiển được gắn dưới bộ khung cơ khí và ch ứa
hoàn toàn các mạch cần thiết để truyền tải các tín hiệu điều khiển và d ữ li ệu
với bộ giao diện vật lý riêng, điều khiển đầu từ, thực hiện đọc/ghi theo yêu
cầu và để quay các đĩa từ. Mỗi một chức năng kể trên phải được thực hiện
hoàn hảo với độ chính xác cao.
Hình 17: Toàn bộ bảng mạch điều khiển của ổ đĩa cứng
Bảng mạch điều khiển bao gồm chip điều khiển toàn mạch, chip điều
khiển vào/ra, bộ nhớ đệm cho ổ cứng (HDD cache), một ổ cắm nguồn 5+ 5-
12- 12+, và chân cắm chuẩn IDE hoặc SATA.
Nguyên lý làm việc của ổ đĩa cứng 20
nguon tai.lieu . vn
