Kiến trúc máy tính

+) Là thuật toán nhanh nhất trong tất cả các thuật toán.

+) Có thể thay đi block mà ngay sau đó cần dùng đến, nghĩa là trở thành Cache miss ngay sau đó. Tuy nhiên, nhược điểm này khắc phục được phần nào nếu tăng dung lượng Cache lên.

- Thuật toán FIFO (First In First Out): Thay thế block tồn tại trong Cache lâu nhất (thay đi block vào đầu tiên trong số những block đang có trong đó).

- Thuật toán LRU (Least Recently Used): Thay thế block được dùng gần đây ít nhất. Trong thực tế thường dùng thuật toán này, vì có tỉ lệ Cache hit cao nhất.

- Thuật toán LFU (Least Frequently Used): Thay thế block được dùng với tần suất ít nhất.

4.5. Bộ nhớ ngoài

4.5.1. Phân loại

4.5.1.1. Ổ đĩa cứng

Ổ đĩa cứng là thành phần không thể thiếu của một hệ thống máy tính. Nó là nơi lưu trữ hệ điều hành, cài đặt các phần mềm, tiện ích cũng như lưu trữ dữ liệu để sử dụng.

Ổ cứng có liên quan đến những vấn đề quan trọng khi sử dụng máy như: tốc độ khởi động máy, tốc độ chép xuất dữ liệu của máy, độ an toàn của dữ liệu cá nhân để trên máy. Vì vậy mà khi mua máy tính, chúng ta cũng cần quan tâm đến những thông số kỹ thuật của ổ cứng.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 233 trang tài liệu này.

Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ “không thay đổi” (non-volatile), có nghĩa là chúngkhông bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng.

Ổ cứng hiện nay có 2 loại chính là: HDD (Hard Disk Drive) và SSD (Solid State Drive), ngoài ra còn ổ cứng lai giữa HDD và SSD.

a. Ổ đĩa cứng HDD

Ổ đĩa cứng HDD là ổ cứng truyền thống, dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặtcác phiến đĩa tròn (platters) làm bằng nhôm, thủy tinh hoặc gốm được phủ vật liệu từtính (các đĩa từ).

- Các thành phần của ổ đĩa cứng:

Trung tâm của ổ đĩa là một động cơ quay (Spindle), để đọc/ghi dữ liệu các nhàsản xuất đã sử dụng các bộ điều khiển truyền động (Actuator) kết hợp với các taytruyền động (Actuator Arm) điều khiển đầu đọc nhỏ (Slider and Read/Write Head) vàcác cơ này được điều khiển bởi một bộ vi mạch nhỏ ở ngoài, chúng điều khiển đầu đọcghi đúng vào vị trí trên các đĩa từ (platters) khi đĩa đang quay ở tốc độ cao, đồng thờigiải mã các tính hiệu từ tính thành dữ liệu mà máy tính có thể hiểu được

Hình 4. 34. Các thành phần của ổ đĩa cứng

Các đĩa từ (platters):

Tập hợp các đĩa từ trong ổ đĩa được gọi chung là đĩa cứng, có chức năng: lưu trữ dài hạn các tập tin và thiết lập một cấp bộ nhớ bên trong máy tính.

Các lớp đĩa từ này được làm bằng kim loại với hai mặt được phủ một chất từ tính. Đường kính của đĩa thay đổi từ 1,3 inch đến 8 inch.

Cấu trúc dữ liệu của đĩa cứng được phân chia thành Track (rãnh từ), Sector(cung từ), Cluster (liên cung).

- Track (rãnh từ): Các vòng tròn đồng tâm trên một mặt đĩa dùng để xác định các vùng lưu trữ dữ liệu riêng biệt trên mặt đĩa, mặc định các track này cũng không cố định khi được sản xuất, chúng sẽ được thay đổi lại vị trí khi được định dạng ở cấp thấp (low format) nhằm tái cấu trúc lại cho phù hợp khi đĩa bị hư hỏng (bad block) do sự xuống cấp của phần cơ. Tập hợp các track cùng bán kính của các mặt đĩa khác nhau sẽ tạo thành các trụ (cylinder), chúng ta có 1024 cylinders trên một đĩa cứng (đánh số từ 0 đến 1023). Vì vậy, một ổ cứng sẽ có nhiều cylinder vì có nhiều đĩa từ khác nhau.

- Sector (cung từ): Mỗi track lại được chia thành những các đường hướng tâm tạo thành các sector (cung từ). Sector là đơn vị chứa dữ liệu nhỏ nhất. Theo chuẩn thông thường thì một sector có dung lượng 512 byte. Số sector trên các track từ phần rìa đĩa vào đến tâm đĩa là khác nhau, các ổ đĩa cứng đều chia ra hơn 10 vùng và trong mỗi vùng có tỷ số sector/track bằng nhau.

- Cluster (liên cung): Cluster là một đơn vị lưu trữ gồm một hoặc nhiều sectors. Khi lưu dữ liệu vào ổ cứng, các dữ liệu được ghi vào hàng chục, hoặc hàng trăm clusters liền kề hoặc không liền kề nhau. Nếu không có sẵn các cluster liền nhau, hệ điều hành sẽ tìm kiếm cluster còn trống ở gần và ghi tiếp dữ liệu lên đĩa. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi toàn bộ dữ liệu được lưu trữ hết.

Hình 4. 35. Cấu trúc dữ liệu của đĩa cứng

Các thông số của ổ đĩa cứng

- Dung lượng: Dung lượng của ổ đĩa cứng được tính theo các đơn vị dung lượng cơ bản thông thường là Byte, KB, MB, GB, TB. Trước đây, khi dung lượng ổ cứng còn thấp người ta thường dùng đơn vị là MB. Bây giờ, người ta lại dùng đơn vị là GB và trong tương lai, chắc người ta sẽ tính theo TB. Đa số các hãng sản xuất đều tính dung lượng theo cách tính 1GB = 1000MB trong khi hệ điều hành (hoặc các phần mềm kiểm tra) lại tính 1GB = 1024MB nên dung lượng do hệ điều hành báo cáo thường thấp hơn so với dung lượng ghi trên nhãn đĩa.

320.0 GB

Hình 4. 36. Thông số dung lượng ổ đĩa

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

Các tốc độ quay thông dụng hiện nay là 5.400 rpm (thông dụng với các ổ đĩa cứng 3,5”) và 7.200 rpm (thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất từ 2008). Ngoài ra, tốc độ của các ổ đĩa cứng trong các máy tính cá nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ có sử dụng giao tiếp SCSI có thể lên tới 10.000 rpm hay 15.000 rpm.

- Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer) trong ổ đĩa cứng cũng giống như RAM của máy tính. Chúng có nhiệm vụ lưu tạm dữ liệu trong quá trình làm việc của ổ đĩa cứng nên độ lớn của bộ nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất hoạt động của ổ đĩa cứng bởi việc đọc/ghi không xảy ra tức thời (do phụ thuộc vào sự di chuyển của đầu đọc/ghi, dữ liệu được truyền tới hoặc đi) sẽ được đặt tạm trong bộ nhớ đệm. Trong thời điểm năm 2007, dung lượng bộ nhớ đệm thường là 2 hoặc 8 MB cho các loại ổ đĩa cứng dung lượng đến 160 GB và 16 MB hoặc cao hơn cho các ổ đĩa cứng dụng lượng lớn hơn. Bộ nhớ đệm càng lớn càng tốt, nhưng hiệu năng chung của ổ đĩa cứng sẽ chững lại ở một giá trị bộ nhớ đệm nhất định mà từ đó bộ nhớ đệm có thể tăng lên nhưng hiệu năng tăng không đáng kể.

Hệ điều hành cũng có thể lấy một phần bộ nhớ của hệ thống (RAM) để tạo ra một bộ nhớ đệm lưu trữ dữ liệu được lấy từ ổ đĩa cứng nhằm tối ưu hóa việc xử lý đối với các dữ liệu thường xuyên phải truy cập. Đây chỉ là một cách dùng riêng của hệ điều hành mà chúng không ảnh hướng đến cách hoạt động hoặc hiệu suất vốn có của mỗi loại ổ đĩa cứng. Có rất nhiều phần mềm cho phép tinh chỉnh các thông số này của hệ điều hành tùy thuộc vào sự dư thừa RAM trên hệ thống.

Hình 4. 37. Kích thước ổ đĩa cứng 1,8”, 2,5” và 3,5” (từ trái qua phải)

- Tốc độ truyền dữ liệu: Đa phần tốc độ truyền dữ liệu trên các chuẩn giao tiếp thấp hơn so với thiết kế của nó bởi có nhiều thông số ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ

liệu của ổ đĩa cứng như: tốc độ quay của đĩa từ, số lượng đĩa từ trong ổ đĩa cứng, công nghệ chế tạo, dung lượng bộ nhớ đệm…

- Kích thước: Để đảm bảo thay thế lắp ráp vừa với các loại máy tính, kích thước của ổ đĩa cứng được chuẩn hoá thành 6 loại là: 5,25 inch dùng trong các máy tính các thế hệ trước. 3,5 inch dùng cho các máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ. 2,5 inch dùng cho máy tính xách tay. 1,8 inch hoặc nhỏ hơn dùng trong các thiết bị kỹ thuật số cá nhân và PC Card. 1,0 inch dùng cho các thiết bị siêu nhỏ (micro device).

- Chuẩn giao tiếp HDD

Hiện nay ổ cứng gắn trong có 2 chuẩn kết nối thông dụng là IDE và SATA. Khi muốn mua mới hoặc bổ sung thêm một ổ cứng mới cho máy tính của mình, bạn cần phải biết được bo mạch chủ (motherboard) hỗ trợ cho chuẩn kết nối nào. Các dòng bo mạch chủ được sản xuất từ 2 năm trở lại đây sẽ có thể hỗ trợ cả hai chuẩn kết nối này, còn các bo mạch chủ trở về trước thì sẽ chỉ hỗ trợ IDE. Bạn cần xem thêm thông tin hướng dẫn kèm theo của bo mạch chủ mình đang sử dụng hoặc liên hệ nhà sản xuất để biết chính xác được chuẩn kết nối mà nó hỗ trợ.

IDE (EIDE)

Parallel ATA (PATA) hay còn được gọi là EIDE (Enhanced intergrated drive electronics) được biết đến như là 1 chuẩn kết nối ổ cứng thông dụng hơn 10 năm nay. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 100 MB/giây. Các bo mạch chủ mới nhất hiện nay gần như đã bỏ hẳn chuẩn kết nối này, tuy nhiên, người dùng vẫn có thể mua loại card PCI EIDE Controller nếu muốn sử dụng tiếp ổ cứng EIDE.

SATA (Serial ATA)

Nhanh chóng trở thành chuẩn kết nối mới trong công nghệ ổ cứng nhờ vào cnhững khả năng ưu việt hơn chuẩn IDE về tốc độ xử lý và truyền tải dữ liệu. SATA là kết quả của việc làm giảm tiếng ồn, tăng các luồng không khí trong hệ thống do những dây cáp SATA hẹp hơn 400% so với dây cáp IDE. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa lên đến 150 - 300 MB/giây. Đây là lý do vì sao bạn không nên sử dụng ổ cứng IDE chung với ổ cứng SATA trên cùng một hệ thống. Ổ cứng IDE sẽ “kéo” tốc độ ổ cứng SATA bằng với mình, khiến ổ cứng SATA không thể hoạt động đúng với “sức lực” của mình. Ngày nay, SATA là chuẩn kết nối ổ cứng thông dụng nhất và cũng như ở trên, ta có thể áp dụng card PCI SATA Controller nếu bo mạch chủ không hỗ trợ chuẩn kết nối này. Các phiên bản Windows 2000/XP/2003/Vista hay phần mềm sẽ nhận dạng và tương thích tốt với cả ổ cứng IDE lẫn SATA. Tuy vậy, cách thức cài đặt chúng vào hệ thống thì khác nhau. Do đó, cần biết cách phân biệt giữa ổ cứng IDE và SATA để có thể tự cài đặt vào hệ thống của mình khi cần thiết. Cách thức đơn giản nhất để phân biệt là nhìn vào phía sau của ổ cứng, phần kết nối của nó.

Hình 4. 38. Giao diện kết nối phía sau của ổ cứng IDE và SATA

Hình 4. 39. Phân biệt 2 loại cáp truyền tải dữ liệu của SATA và EIDE (IDE)

Ổ cứng PATA (IDE) với 40-pin kết nối song song, phần thiết lập jumper (10- pin với thiết lập master/slave/cable select) và phần nối kết nguồn điện 4-pin, độ rộng là 3,5-inch. Có thể gắn 2 thiết bị IDE trên cùng 1 dây cáp, có nghĩa là 1 cáp IDE sẽ có 3 đầu kết nối, 1 sẽ gắn kết vào bo mạch chủ và 2 đầu còn lại sẽ vào 2 thiết bị IDE.

Ổ cứng SATA có cùng kiểu dáng và kích cỡ, về độ dày có thể sẽ mỏng hơn ổ cứng IDE do các hãng sản xuất ổ cứng ngày càng cải tiến về độ dày. Điểm khác biệt dễ phân biệt là kiểu kết nối điện mà chúng yêu cầu để giao tiếp với bo mạch chủ, đầu kết nối của ổ cứng SATA sẽ nhỏ hơn, nguồn đóng chốt, jumper 8-pin và không có phần thiết lập Master/Slave/Cable Select, kết nối Serial ATA riêng biệt. Cáp SATA chỉ có thể gắn kết 1 ổ cứng SATA.

Ngoài 2 chuẩn kết nối IDE (PATA) và SATA, các nhà sản xuất ổ cứng còn có 2 chuẩn kết nối cho ổ cứng gắn ngoài là USB, FireWire. Ưu điểm của 2 loại kết nối này so với IDE và SATA là chúng có thể cắm “nóng” rồi sử dụng ngay chứ không cần phải khởi động lại hệ thống.

Hình 4. 40. Các loại kết nối củaUSB, FireWire 400, FireWire 800

USB (Universal Serial Bus)

USB 2.0 là chuẩn kết nối ngoại vi cho hầu hết các máy tính sử dụng hệ điều hành Windows. Loại kết nối này có tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa lên đến 480 MB/giây. Tốc độ duy trì liên tục khoảng từ 10 - 30 MB/giây, tuỳ thuộc vào những nhân tố khác nhau bao gồm loại thiết bị, dữ liệu được truyền tải và tốc độ hệ thống máy tính.

FireWire

FireWire còn được gọi là IEEE 1394, là chuẩn kết nối xử lý cao cấp cho người dùng máy tính cá nhân và thiết bị điện tử. Giao diện kết nối này sử dụng cấu trúc ngang hàng và có 2 cấu hình:

FireWire 400 (IEEE 1394a) truyền tải môt khối lượng dữ liệu lớn giữa các máy tính và những thiết bị ngoại vi với tốc độ 400 MB/giây. Thường dùng cho các loại ổ cứng gắn ngoài, máy quay phim, chụp ảnh kỹ thuật số…

FireWire 800 (IEEE 1394b) cung cấp kết nối tốc độ cao (800 MB/giây) và băng thông rộng cho việc truyền tải nhiều video số và không nén, các tập tin audio số chất lượng cao. Nó cung ứng khả năng linh hoạt trong việc kết nối khoảng cách xa và các tuỳ chọn cấu hình mà USB không đáp ứng được.

b. Ổ cứng SSD (Solid State Drive) là một loại ổ cứng thể rắn, được các chuyên gia về phần cứng nghiên cứu và chế tạo nhằm cạnh tranh với các ổ cứng HDD truyền thống, cải thiện về sức mạnh tốc độ, nhiệt độ, độ an toàn dữ liệu và cả về điện năng tiêu thụ. Là loại ổ cứng được cấu thành từ nhiều chip nhớ Non-volatile memory chip (chip nhớ không thay đổi), ổ cứng SSD ghi và lưu dữ liệu trong các chip flash, nhờ vậy việc truy xuất dữ liệu gần như được diễn ra ngay tức khắc cho dù ổ cứng có bị phân mảnh sau một thời gian sử dụng.

Có hai loại chip nhớ được sử dụng nhiều nhất trong chế tạo ổ SSD: Bộ nhớ NAND SLC (Single-Level Cell) – ô nhớ một cấp thường được các doanh nghiệp sử dụng vì giá thành cao hơn (3 USD/GB) và NAND MLC (Multi-Level Cell) – ô nhớ đa cấp được người dùng thông thường sử dụng (~1 USD/GB). Trong đó, các chip SLC chỉ lưu giữ 1 bit/transistor (0 hoặc 1), còn chip MLC lại chứa 2 bit/ transistor (00, 01, 10 và 11). Vì vậy, lượng dữ liệu lưu trữ của chip MLC nhiều gấp hơn đôi chip SLC,

nhưng tốc độ đọc trung bình lại chậm hơn hai lần (2x) và tốc độ ghi sẽ chậm hơn ba lần (3x) trên một tế bào bộ nhớ NAND.

Ngoài ra, các SSD còn hỗ trợ công nghệ TRIM nhằm ngăn ngừa sự suy giảm tốc độ đọc/ghi sau một thời gian sử dụng. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý các phiên bản hệ điều hành có hỗ trợ TRIM là Windows 7, Windows 8, Windows 2008 R2, Mac OS X Snow Leopard (10.6.6), Lion (10.7), các phiên bản OpenSolaris phát hành sau tháng 6/2010 và FreeBSD 8.2.

SSD phổ thông hiện vẫn sử dụng giao tiếp SATA 3.0 (6 Gb/giây) trong khi SSD cao cấp sử dụng giao tiếp PCI Express có tốc độ truy xuất dữ liệu, độ bền và đáng tin cậy gấp nhiều lần SSD phổ thông. Tốc độ truy xuất dữ liệu SSD cao nhất có thể đạt mức 550 MB/giây; gần đạt ngưỡng tới hạn 6 Gb/giây của giao tiếp SATA 3.0, hiệu suất đọc/ghi ngẫu nhiên khoảng 80.000/65.000 lượt dữ liệu (4KB) vào/ra mỗi giây (IOPS).

Bên cạnh khả năng truy xuất dữ liệu tốc độ cao, ổ cứng thể rắn SSD còn có độ bền tốt. Hiện tại, mỗi chip MLC có thể ghi/xóa 10.000 lần, còn tuổi thọ của chip SLC lên đến 100.000 lần. Ngoài ra, các nhà phát triển phần cứng cũng đã chế tạo thành công loại chip NAND TLC (Triple-Level Cell) nhưng hiện nay vẫn có rất ít sản phẩm sử dụng chip này xuất hiện trên thị trường phổ thông. Tuy TLC là loại chip có khả năng lưu trữ cao hơn hết (3 bit/transistor) nhưng lại thuộc loại kém bền nhất, chỉ đạt tối đa 1000 lần ghi/xóa tức kém hơn loại SLC 100 lần (hiện có ở laptop Samsung 840) và cũng không được người dùng ưa chuộng.

Hình 4. 41. Ổ cứng SSD

So sánh SSD và HDD

Ổ cứng SSD hiện nay chưa đạt được mức dung lượng lớn như ổ cứng HDD mà chỉ ở mức cho người dùng phổ thông là từ 128 GB hoặc 256 GB, nếu người dùng muốn sở hữu ổ cứng SSD dung lượng lớn hơn 512 GB ~ 1 TB thì phải bỏ ra chi phí cực lớn.