Bài giảng Kiến trúc máy tính - Bài 6: Bộ nhớ ngoài - Phan Thanh Toàn

1 v1.0014103210 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Giảng viên: ThS. Phan Thanh Toàn 2 v1.0014103210 BÀI 6 BỘ NHỚ NGOÀI Giảng viên: ThS. Phan Thanh Toàn 3 v1.0014103210 Để hiểu rõ bài này, yêu cầu học viên cần có các kiến thức cơ bản liên quan đến các môn học sau: • Kỹ thuật số; • Kỹ thuật điện tử. CÁC KIẾN THỨC CẦN CÓ 4 v1.0014103210 • Đọc tài liệu và tóm tắt những nội dung chính của từng bài. • Luôn liên hệ và lấy ví dụ thực tế khi học đến từng vấn đề̀ và khái niệm. • Sử dụng các ngôn ngữ lập trình cơ bản như Pascal, C, Để cài đặt một số thuật toán trong bài học. • Làm bài tập và luyện thi trắc nghiệm theo yêu cầu từng bài. HƯỚNG DẪN HỌC 5 v1.0014103210 6.1. Đĩa từ và ổ đĩa từ 6.2. Đĩa quang CẤU TRÚC NỘI DUNG 6 v1.0014103210 6.1.1. Nguyên tắc ghi và đọc trên đĩa từ 6.1.2. Tổ chức vật lý của đĩa từ 6.1.3. Đĩa và ổ đĩa mềm 6.1.4. Đĩa và ổ đĩa cứng 6.1.5. Tổ chức logic của đĩa từ 6.1.6. Thâm nhập đĩa cứng qua DOS và BIOS 6.1. ĐĨA TỪ VÀ Ổ ĐĨA TỪ 7 v1.0014103210 • Đĩa từ gồm:  Vật liệu plastic có phủ lớp chất sắt từ làm môi trường đọc/ghi dữ liệu;  Lớp sắt từ bao gồm các vùng rất nhỏ gọi là domain;  Mỗi domain có một véc tơ từ độ riêng;  Để lưu trữ thông tin sử dụng từ trường làm nhiễm từ các chất sắt từ, và sắp xếp các véc tơ từ độ của các domain theo một chiều xác định. 6.1.1. NGUYÊN TẮC GHI VÀ ĐỌC TRÊN ĐĨA TỪ 8 v1.0014103210 • Đĩa từ chỉ sử dụng được sau khi đã định dạng, đó là việc tổ chức, sắp xếp các vùng lưu trữ thông tin trên đĩa. • Về mặt vật lý đĩa từ được chia thành:  Rãnh từ (track): Là các vùng vòng tròn đồng tâm, có bề dày xác định dùng để ghi từ, các rãnh cách nhau bởi vành hẹp không được từ hóa.  Cung từ (sector): Mỗi rãnh từ được chia thành các cung (sector), mỗi sector = 512 byte, các sector được đánh số.  Liên cung (Cluster): Một nhóm các sector liên tiếp, thường 2/4/8 sector.  Từ trụ (Cylinder): Các track có cùng bán kính tạo thành một từ trụ (Cylinder). 6.1.2. TỔ CHỨC VẬT LÝ CỦA ĐĨA TỪ 9 v1.0014103210 • Đĩa mềm  Là thiết bị lưu trữ ngoài.  Cấu tạo gồm các thành phần:  Đĩa nhựa hình tròn, phủ sắt từ;  Vỏ nhựa bảo vệ.  Có 2 loại: 5.25 inch, dung lượng 720KB và 3,5 inch dung lượng 1.44MB.  40 – 80 track;  Sector = 512 byte;  8 -18 sector/1 track;  2 mặt đĩa. Đĩa Số track Số sector/1 track Kích thước liên cung Bề rộng rãnh Tổng số sector 5 1/4 inch 306 KB 40 9 2 0.330 720 5 1/4 inch 1.2 MB 80 15 1 0.160 2400 3 1/2 inch 720 KB 80 9 2 0.115 1440 3 1/2 inch 1.44 MB 80 18 1 0.115 2880 6.1.3. ĐĨA MỀM VÀ Ổ ĐĨA MỀM 10 v1.0014103210 6.1.3. ĐĨA MỀM VÀ Ổ ĐĨA MỀM (tiếp theo) • Các phương pháp ghi dữ liệu và phát hiện lỗi trên đĩa mềm  Số liệu ghi thành dòng bit nối tiếp dưới dạng mã nhị phân trên các track.  Các bit số liệu ghi trên các ô bit (bit cell).  Số liệu chuyển đổi sang dạng byte (8 bit).  Phương pháp điều tần  Các xung nhịp ghi đều đặn ở đầu tất cả các ô bit, ở giữa các ô bit là các xung số liệu tương ứng với bit 1, hoặc không có bit số liệu tương ứng với bit 0;  Mỗi byte số liệu trên đĩa gồm: 8 bit số liệu thực và giá trị 0FFh của byte nhịp đồng hồ;  Tần số truyền số liệu: 125KB/s hoặc 250KB/s.  Phương pháp điều tần sửa đổi 1 lần  Xung số liệu ghi ở giữa ô bit;  Xung đồng hồ ghi ở đầu một ô bit nếu trong ô bit này và ô bit trước đó không có xung số liệu (bit số liệu =0);  Tốc độ truyền: 250KB/s hoặc 500KB/s. 11 v1.0014103210 6.1.3. ĐĨA MỀM VÀ Ổ ĐĨA MỀM (tiếp theo)  Phương pháp điều tần hai lần sửa đổi  Các bit số liệu ghi ở giữa ô bit;  Xung đồng hồ ghi ở đầu mỗi ô bit có bit số liệu =0.  Phương pháp mã hóa nhóm GCG  Chuyển nhóm 4 bit số liệu cần ghi thành nhóm 5 bit;  Không có quá 2 bit số liệu = 0;  Các nhóm 5 bit được tổ chức liên tiếp trên đĩa, ở đầu và cuối cả dãy bit chỉ có 1 bit = 0.  Phương pháp phát hiện lỗi: CRC  Tổ chức của rãnh đĩa mềm  Đĩa được chia thành các track và sector;  Mỗi sector: 512 byte dữ liệu;  Các trường thông tin cho định vị và đồng bộ;  Trường CRC. 12 v1.0014103210 • Ổ đĩa mềm  Mạch điều khiển;  Đầu từ đọc/ghi thông tin;  Mô tơ: 360 vòng/phút;  Mô tơ bước. 6.1.3. ĐĨA MỀM VÀ Ổ ĐĨA MỀM (tiếp theo) 13 v1.0014103210 6.1.3. ĐĨA MỀM VÀ Ổ ĐĨA MỀM (tiếp theo) • Các thanh ghi của bộ điều khiển đĩa mềm  Các chíp điều khiển FDD đều sử dụng DMA kênh 2 để truyền dữ liệu.  Người sử dụng có thể cấu hình bộ điều khiển qua các thanh ghi.  Các thanh ghi lối ra: Điều khiển mô tơ, chọn ổ đĩa và khởi động lại bộ điều khiển.  MOTM, MOTC, MOTB, MOTA: Điều khiển mô tơ các ổ D, C, B, A;  1 - start, 0 - stop;  DMA: Kênh DMA và IRQ, 1 - cho phép;  RESET: Khởi động lại bộ điều khiển, 1- cho phép;  DR1, DR0: Chọn ổ đĩa 00 ổ A, 01 ổ B, 10 ổ C, 11 ổ D. 07 DRMOTAMOTBMOTC DRORESETDMAMOTM 14 v1.0014103210 6.1.3. ĐĨA MỀM VÀ Ổ ĐĨA MỀM (tiếp theo) • Thanh ghi trạng thái Chứa các thông tin về bộ điều khiển  MRQ: Sẵn sàng ghi số liệu;  DIO: 1 số liệu từ bộ điều khiển tới bộ VXL, 0 ngược lại;  NDMA: Không ở chế độ DMA;  BUSY: 1 kích hoạt lệnh;  ACTD, ACTC, ACTB, ACTA: Ổ đĩa tương ứng được chọn, 1 được chọn. 07 ACTBBUSYNDMADIO ACTAACTCACTDMRQ 15 v1.0014103210 • Cấu tạo đĩa cứng  Cấu tạo đĩa cứng tương tự đĩa mềm, tuy nhiên đĩa cứng gồm nhiều đĩa xếp chồng theo một trục thẳng đứng.  Dung lượng đĩa cứng lớn hơn đĩa mềm.  Dữ liệu được tổ chức theo rãnh từ, sector, cluster.  Đầu đọc/ghi được chuyển động bởi cần trục truy xuất.  Đĩa cứng luôn quay trong khi sử dụng máy. 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG 16 v1.0014103210 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG  Đầu đọc/ghi  Mỗi mặt đĩa có một đầu đọc/ghi riêng.  Ghi dữ liệu: Tín hiệu điện ở dạng 0,1 được đưa vào đầu từ ghi lên bề mặt đĩa thành các nam châm rất nhỏ và đảo chiều tùy theo tín hiệu 0 hay 1.  Đọc dữ liệu: Đầu đọc lướt qua các track, tại các điểm giao nhau của các nam châm có từ trường biến đổi và cảm ứng lên cuộn dây tạo ra xung điện  lấy ra tín hiệu 0, 1. 17 v1.0014103210 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG  Mô tơ điều khiển: Giúp đầu từ dịch chuyển ngang trên bề mặt đĩa để có thể đọc/ghi dữ liệu.  Mạch điều khiển  Là mạch điện nằm phía sau ổ cứng, có tác dụng;  Điều khiển tốc độ quay đĩa;  Điều khiển dịch chuyển các đầu từ;  Mã hóa và giải mã các tín hiệu đọc/ghi. 18 v1.0014103210 • Dung lượng và tốc độ truyền dữ liệu  Dung lượng lưu trữ  Là đại lượng đặc trưng cho khả năng lưu trữ của đĩa cứng (MB, GB, TB);  Dung lượng đĩa từ phụ thuộc vào mật độ tích hợp của các phần tử sắt từ trên bền mặt đĩa.  Thời gian truy xuất  Là yếu tố quan trọng đặc trưng cho tốc độ đọc/ghi dữ liệu trên đĩa cứng;  Thời gian truy xuất = thời gian tìm kiếm + thời gian dịch chuyển đầu từ + thời gian quay trễ;  Thời gian tìm kiếm: Thời gian chuyển đầu từ từ track này sang track khác;  Thời gian chuyển đầu từ: Là thời gian chuyển đổi giữa 2 đầu từ khi đọc/ghi;  Thời gian quay trễ: Là thời gian từ khi đầu từ được định vị lên track cho đến khi tìm được sector cần đọc/ghi.  Tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa phụ thuộc 3 yếu tố:  Truyền tín hiệu giữa đĩa và bộ điều khiển: Số byte chuyển qua đầu từ trong 1 giây;  Xử lí trong bộ điều khiển;  Truyền tín hiệu giữa bộ điều khiển và bộ nhớ chính. 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG (tiếp theo) 19 v1.0014103210 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG (tiếp theo) • Định dạng RLL ghi trên đĩa cứng  Các bit thông tin ghi trên đĩa theo định dạng RLL (Run Length Limited).  Phương pháp RLL đòi hỏi phải nghi các xung bit nhịp.  Mạch logic RLL sẽ tự xác định trong khoảng thời gian giữa 2 nhóm bit có bao nhiêu bit 0 được xen vào.  Loại mã RLL được sử dụng phổ biến nhất là mã RLL2,7, tức là có ít nhất 2 và nhiều nhất là 7 bit 0 giữa 2 nhóm bit được ghi. • Chuẩn ghép nối IDE  ATA IDE là chuẩn ghép nối ổ đĩa cứng với máy vi tính.  Chuẩn giao tiếp qua cáp dẹt 40 chân.  Độ dài cực đại của cáp là: 18 inch.  Chuẩn IDE cho phép truyền số liệu giữa ổ đĩa cứng và bộ nhớ chính là: 700KB/s – 1MB/s, sau đó tăng lên 3.3MB/s.  Chuẩn IDE hỗ trợ kết nối tới 2 ổ đĩa cứng.  Dung lượng đĩa lớn nhất chuẩn IDE quản lí được là: 528MB. 20 v1.0014103210 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG (tiếp theo) Thanh ghi Địa chỉ Độ rộng Đọc/Ghi Thanh ghi số liệu 1F0h 16 R/W Thanh ghi lỗi 1F1h 8 R Thanh ghi đầu từ/ổ đĩa 1F6h 8 R/W Thanh ghi trạng thái 1F7h 8 R Thanh ghi lối ra số 3F6h 8 W Thanh ghi địa chỉ ổ đĩa 3F7h 8 R  Vi xử lí thâm nhập bộ điều khiển IDE qua một số thanh ghi điều khiển. 21 v1.0014103210 • Thanh ghi báo lỗi (1F1h) B0B7 NDM 1: Không tìm thấy dấu địa chỉ dữ liệu 0: Không có lỗi NTO 1: Không tìm thấy rãnh 0 0: Không có lỗi ABT 1: Lệnh bị bỏ 0: Lệnh được thực hiện NID 1: Không tìm thấy dấu ID 0: Không có lỗi UNC 1: Lỗi dữ liệu không sửa được 0: Không lỗi hoặc lỗi sửa được BBK 1: Sector được đánh dấu là hỏng 0: Không lỗi X Không sử dụng UNCXABTNTO BBKXNIDNDM 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG (tiếp theo) 22 v1.0014103210 6.1.4. ĐĨA CỨNG VÀ Ổ ĐĨA CỨNG (tiếp theo) • Thanh ghi trạng thái (1F7h) B0B7 IDXSKCWFTRDY ERRCORRDRQBSY BSY 1: Ổ đĩa bận 0: Không bận RDY 1: Ổ đĩa sẵn sàng 0: Không sẵn sàng WFT 1: Lỗi viết 0: Không lỗi SKC 1: Định vị đầu từ xong 0: Đang định vị DRO 1: Dữ liệu có thể được truyền 0: Không CORR 1: Lỗi dữ liệu 0: Không lỗi IDX 1: Chỉ số đĩa vừa qua 0: Không qua ERR 1: Thanh ghi báo lỗi có chứa thông tin lỗi 0: Không chứa 23 v1.0014103210 • Về mặt logic đĩa từ được tổ chức gồm các thành phần sau  Sector logic: Cách đánh số sector bởi hệ điều hành.  Phân khu (partition): Một đĩa cứng được chia thành nhiều phân khu (gọi là các partition), mỗi phân khu được coi như một đĩa logic độc lập.  Các phân khu được kí hiệu bởi chữ cái từ C – Z.  Có 3 loại phân khu: DOS chính, DOS mở rộng, Phi DOS.  Để lưu trữ các thông tin về các phân khu hệ điều hành sử dụng sector 0, rãnh 0, sector vật lý 1.  Boot sector  Dài 512 byte, đặt tại sector 0 của ổ đĩa logic;  Chứa chương trình khởi động (bootstrap loader), sử dụng để nạp lõi của hệ điều hành vào RAM. 6.1.5. TỔ CHỨC LOGIC CỦA ĐĨA TỪ 24 v1.0014103210 6.1.5. TỔ CHỨC LOGIC CỦA ĐĨA TỪ 1 wordSố sector dành cho FAT16h9 1 wordSố sector/1 track18h10 1 wordSố đầu từ1Ah11 2 wordSố sector ẩn1Ch12 1 byteSố ổ đĩa22h13 1 byteDự trữ23h14 1 wordSố sector trên tệp đĩa (Volume)13h8 Mục Vị trí Nội dung Số byte 1 00h Chỉ thị nhảy, JUMP về chương trình khởi động 3 byte 2 03h Tên nhà sản xuất, số phiên bản 8 byte 3 0Bh Số byte trên một sector 1 word 4 0Dh Số sector/1 cluster 1 byte 5 0Eh Số sector dành cho boot sector 1 word 6 10h Số bản FAT 1 byte 7 11h Số điểm vào trên thư mục gốc 1 word 25 v1.0014103210 • Hệ điều hành lưu trữ các tệp tin lên đĩa theo các đơn vị gọi là liên cung (cluster). • Một cluster = 2/4/8 sector. • Để theo dõi các liên cung đã sử dụng và chưa sử dụng hệ điều hành dùng bảng FAT và thư mục gốc (Root Directory). • Bảng FAT gồm một số các điểm vào ứng với số liên cung trên đĩa từ. • FAT-12, FAT-16, FAT-32. • Hai điểm vào đầu tiên để nhận dạng loại đĩa, các điểm vào tiếp theo cho biết tình trạng của liên cung (tự do, đã sử dụng,). Mã Ý nghĩa 0000h Liên cung còn trống FFF0h-FFF6h Liên cung dành riêng FFF7h Liên cung bị hỏng FFF8h-FFFFh Liên cung cuối của tệp xxxxh Liên cung kế tiếp của tệp 6.1.5. TỔ CHỨC LOGIC CỦA ĐĨA TỪ (tiếp theo) 26 v1.0014103210 6.1.5. TỔ CHỨC LOGIC CỦA ĐĨA TỪ (tiếp theo) • FAT-16 của DOS sử dụng 2 byte để ghi thông tin cho một liên cung với định dạng litte-endian(dạng đảo 2 byte). • F8: Định dạng đĩa cứng. • FF FF FF: Liên cung kết thúc tệp. • Liên cung khởi phát cho tệp là 2 đọc từ thư mục gốc. • Đọc liên cung tiếp theo đọc ở điểm vào liên cung 2: 0300  (0003); đọc tiếp liên cung 03: 0400 (0004); đọc tiếp liên cung 04: 0500 (0005); đọc tiếp liên cung 05: FFFF (kết thúc tệp). • Vậy tệp tin gồm các liên cung: 2  3  4  5. Các điểm vào B1, 05, 01, A9 thuộc tệp tin khác. F8 FF FF FF 03 00 04 00 05 00 FF FF B1 05 01 A9 27 v1.0014103210 • Các liên cung của tệp tin không liên tục trên đĩa. • Tệp tin chứa trong các cluster: 1, 2, 3, 5, 8 và kết thúc ở cluster 9. • Các hệ điều hành thường có 2 bảng FAT. • Kích thước mỗi liên cung thường: 4KB hoặc 32KB. 2 3 5 8 1 2 4 53 9 FFFF 6 7 8 109 11 12 6.1.5. TỔ CHỨC LOGIC CỦA ĐĨA TỪ (tiếp theo) 28 v1.0014103210 6.1.5. TỔ CHỨC LOGIC CỦA ĐĨA TỪ (tiếp theo) • Thư mục gốc  Là một bảng gồm nhiều điểm vào;  Độ dài: 32 byte;  Mỗi điểm vào của thư mục gốc lưu trữ các thông tin về tệp tin: thuộc tính tệp, giờ thay đổi thông tin cuối cùng, ngày thay đổi thông tin cuối cùng, liên cung đầu tiên của tệp, kích thước tệp, Vị trí Nội dung Kích thước 00h Tên tệp 8 byte 08h Phần phân loại 3 byte 0Bh Thuộc tính tệp 1 byte 0Ch Dự trữ 10 byte 16h Giờ thay đổi thông tin cuối cùng 2 byte 18h Ngày thay đổi thông tin cuối cùng 2 byte 1Ah Cluster đầu tiên 2 byte 1Ch Kích thước tệp 4 byte 29 v1.0014103210 • Thâm nhập đĩa cứng qua ngắt 25h, 26h. • Các sector vật lý được thâm nhập qua ngắt 13h của BIOS với các hàm: Số hiệu Ý nghĩa 05h Format rãnh và từ trụ 06h Format và đánh dấu rãnh xấu 07h Format và đánh dấu ổ đĩa 08h Xác định các thông số ổ đĩa 09h Đặt các thông số cho ổ đĩa 0Ah Đọc các sector mở rộng 0Bh Viết các sector mở rộng 0Ch Tìm kiếm 0Dh Reset đĩa cứng 0Eh Đọc bộ đệm sector 0Fh Viết bộ đệm sector 10h Kiểm tra ổ đĩa sẵn sàng chưa 11h Chuẩn lại ổ đĩa 19h Nâng đầu đọc/viết 6.1.6. THÂM NHẬP ĐĨA CỨNG QUA DOS VÀ BIOS 30 v1.0014103210 6.2.1. Đĩa quang 6.2.2. Đĩa quang từ 6.2. ĐĨA QUANG 31 v1.0014103210 • Đĩa quang là thiêt bị lưu trữ dữ liệu ngoài. • Đọc/ghi dữ liệu dựa trên nguyên tắc quang học. • Dung lượng đĩa CD thường 680MB, các ổ đĩa CD thường có tốc độ 150kB/s, tốc độ quay 530 – 1060 vòng/phút. • Thời gian thâm nhập dữ liệu chậm: 80 – 150 ms. • Nguyên tắc ghi dữ liệu trên đĩa CR  Dữ liệu ghi trên đĩa CD ở dạng 0, 1  Sử dụng súng bắn tia lazer để ghi dữ liệu  Đĩa quay với tốc độ cao và súng bắn lazer sẽ bắn tia lazer lên bề mặt đĩa CD, tia lazer được điều khiển tắt/sáng theo tín hiệu 0,1  Mạch điều khiển sẽ điều khiển tốc độ quay của đĩa cũng như điều khiển cho tia lazer hội tụ trên đĩa và ghi tín hiệu thành các đường tròn xoắn trôn ốc 6.2.1. ĐĨA QUANG 32 v1.0014103210 6.2.1. ĐĨA QUANG  Đĩa quay với tốc độ cao, mắt đọc dữ liệu sẽ đọc dữ liệu theo nguyên tắc sau:  Sử dụng tia lazer chiếu trên bề mặt dọc theo các track.  Hứng lấy tia phản xạ và biến đổi thành tín hiệu điện.  Tia lazer chiếu qua bề mặt đĩa tại các điểm bị đốt cháy sẽ không có tia phản xạ thu được tín hiệu 0.  Tia lazer chiếu qua bề mặt đĩa tại các điểm không bị đốt cháy sẽ có tia phản xạ thu được tín hiệu 1.  Tia phản xạ được ma trận diode đổi thành tín hiệu điện, sau khi khuếch đại và xử lý thu được tín hiệu ban đầu. 33 v1.0014103210 6.2.1. ĐĨA QUANG Đĩa quay và tia lazer chiếu qua các điểm bị cháy sẽ mất tia phản xạ thu được tín hiệu 0, qua điểm bình thường có tia phản xạ thu được tín hiệu 1. 34 v1.0014103210 • Đĩa quang từ dựa trên nguyên tắc quang học và từ. • Ánh sáng của tia lazer là sóng điện từ được phân cực theo một hướng xác định. • Đĩa quang từ được phủ bởi lớp hợp kim sắt từ. • Khi ghi một bit, xung lazer sẽ đốt bề mặt của đĩa ở vùng cần thiết làm từ độ vùng sắt từ =0. Đồng thời nam châm phát ra từ trường với hướng phụ thuộc vào giá trị của bit cần ghi. • Khi đọc một bit, tia lazer quét bề mặt đĩa và hệ phân cực sẽ nhạy với hướng phân cực của tia phản xạ. 6.2.2. ĐĨA QUANG TỪ 35 v1.0014103210 Trong bài này chúng ta đã nghiên cứu các nội dung chính sau: • Nguyên tắc đọc/ghi dữ liệu của 2 loại thiết bị lưu trữ ngoài thông dụng là đĩa từ và đĩa quang. • Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đĩa từ và ổ đĩa từ. • Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đĩa quang. TÓM LƯỢC CUỐI BÀI