Tại sao ổ cứng lại lưu được dữ liệu khi chỉ là cục sắt?

 Với một chiếc ổ cứng bé bằng cái bàn tay được làm từ những vật liệu vô tri vô giác mà chúng ta có thể lưu trữ được cả kho dữ liệu khổng lồ. Vậy ổ cứng máy tính hoạt động như thế nào? Tại sao nó có thể lưu được những hình ảnh, video, tài liệu? Trong bài viết này chúng tôi sẽ giúp các bạn tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của ổ cứng máy tính HDD nhé.

Bên trong ổ cứng máy tính HDD

 Ở những bài viết trước chúng tôi đã giải thích mã nhị phân là gì. Và vấn đề lưu trữ dữ liệu ổ cứng máy tính lại liên quan rất nhiều đến mã nhị phân. Do đó nếu bạn chưa tìm hiểu về mã nhị phân thì có thể tham khảo tại đây: Tìm hiểu về mã nhị phân.

 Gần như tất cả các dữ liệu trong máy tính đều được mã hóa sang mã nhị phân, nghĩa là chuyển dữ liệu mã hóa sang các dãy số bao gồm hai ký tự 0 và 1. Sau khi mã hóa ra mã nhị phân thì các thiết bị điện tử mới có thể xử lý được. Và không ngoại lệ, muốn lưu được dữ liệu thì ổ cứng máy tính cũng phải lưu dưới dạng mã hóa nhị phân.

Giải mã cách mà đĩa CD, DVD lưu trữ được dữ liệu

 Trước hết chúng ta hãy cùng tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của các loại đĩa như CD, DVD, ... Làm sao mà nó có thể lưu và đọc được dữ liệu. Về hình thức bên ngoài, bạn nhìn qua thì thấy trên bề mặt của một chiếc đĩa CD hay DVD rất là nhẵn và sáng bóng. Tuy nhiên khi phóng to ra thì bề mặt của nó là một hình xoắn ốc nhỏ và dài.

Bề mặt đĩa CD, DVD

 Độ dài của đường xoắn ốc trên bề mặt đĩa CD hay DVD có thể lên tới 5 km. Khi phóng to cái đường xoắn ốc này lên (xem hình bên trên) chúng ta sẽ thấy sự sắp xếp liền kề của 2 trạng thái khác nhau là lõm và lồi (được khoanh đỏ ở hình trên). Trạng thái lõm và lồi đó là gì? Đó chính là trạng thái của dữ liệu được lưu. Cụ thể như sau, khi ghi một chiếc đĩa CD, ví dụ một bài hát đã được mã hóa sang mã nhị phân có dãy số ...000011000101010... thì vấn đề đơn giản là ghi mã số 0 và 1 này vào đĩa.

Mã hóa nhị phân lên bề mặt đĩa

 Với dãy số nhị phân bên trên, khi ghi ra đĩa CD hay DVD người ta sẽ quy ước, số 1 thì trên bề mặt đĩa sẽ được giữ nguyên, còn số 0 thì sẽ bị đục một lỗ. Cứ đục liên tục theo thứ tự như vậy cho đến khi hết dãy nhị phân của bài hát đó thì thôi. Và đến khi ghi tiếp sang bài hát khác thì sẽ cách ra một đoạn (không đục lỗ) rồi tiếp tục ghi như quy trình tương tự bên trên. Khi cho đĩa vào đầu đọc đĩa, người ta sẽ dùng một tia laser chạy theo đường dữ liệu (đường xoắn ốc) và chiếu vào nó. Do phần lồi được chiếu bằng lớp phản quang, nên chiếu vào phần lồi thì ánh sáng bị phản xạ lại, đầu đọc thu được và biết nó là mã nhị phân ký tự 1. Còn chiếu vào phần lõm thì không có tia sáng nào và hiểu nó mang mã nhị phân là 0. Cứ liên tục đọc như vậy đầu đọc sẽ nhận được dãy mã nhị phân là ...000011000101010... xếp lại rồi mã hóa ngược thì sẽ ra nội dung đã được ghi. Đĩa DVD cũng hoạt động tương tự, nhưng cái ô lồi, lõm trên đĩa DVD thì lại nhỏ hơn rất nhiều so với CD. Chính vì vậy mà đĩa DVD ghi được dữ liệu nhiều hơn. Trong khi đĩa CD chỉ khắc được 5 tỷ ô lồi lõm (tương ứng khoảng 700 Mb dữ liệu) thì một chiếc DVD có thể khắc được đến 35 tỷ ô lồi lõm (tương ứng khoảng 5 Gb dữ liệu). Đến đây bạn đã hiểu được nguyên lý của đĩa quang, những chiếc đĩa này chỉ có thể ghi được một lần và khó có thể xóa mà ghi lại được.

Ổ cứng máy tính lưu trữ thế nào?

 Ổ cứng máy tính sử dụng một dạng đĩa lưu trữ hoàn toàn khác với đĩa quang (đĩa CD, DVD), đó chính là đĩa từ. Ưu điểm của loại đĩa từ này là nó không những có thể xóa và ghi lại dữ liệu cả hàng triệu lần mà nó còn có dung lượng bộ nhớ khủng khiếp (từ vài Gb cho đến 20 TB - tính đến thời điểm hiện nay).

 Vậy đĩa từ trong ổ cứng máy tính hoạt động như thế nào? Về bản chất thì nó cũng hoạt động như đĩa quang, nghĩa là cũng mã hóa ra mã nhị phân bao gồm các dãy số 0 và 1. Tuy nhiên đĩa từ thì không khắc lên bề mặt những ô lồi lõm như đĩa quang mà nó sử dụng từ trường (dùng nam châm)

Nguyên tắc đọc, ghi của đĩa từ trong ổ cứng máy tính

 Nếu các bạn đã tìm hiểu về nam châm, thì các bạn đã biết rằng, mỗi nguyên tử sẽ có một lực từ. Lực từ này luôn có hướng, và các nguyên tử thuộc nhóm "sắt từ" thì có lực từ rất mạnh. Các nguyên tử ở cạnh nhau thì lực từ tác động lên nhau và xoay cùng một hướng. Mỗi nhóm cùng một hướng thì gọi là các "đô men từ". Đô men từ sẽ thay đổi hướng nếu có một từ trường mạnh hơn tác động từ bên ngoài.

 Dựa vào nguyên lý bên trên, người ta đã tạo ra cái đĩa từ ở ổ cứng máy tính như sau: Người ta tạo ra bề mặt đĩa từ bằng một loại vật liệu đặc biệt phù hợp. Khi ghi dữ liệu người ta sẽ tạo ra trên đầu ghi một từ trường cực mạnh. Nếu ghi số 0 (trong mã nhị phân) thì dùng từ trường quay về bên phải để ép các ô dữ liệu trên mặt đĩa (hay gọi là các đo men từ) quay về bên phải, nếu ghi số 1 (mã nhị phân) thì dùng từ trường quay về bên trái. Còn khi đọc thì dùng một cái đầu đọc, khi từ trường của ô nhớ tác dụng lên đầu đọc nó sẽ tạo ra một dòng điện. Phân tích chiều dòng điện đó sẽ biết được đó là ký tự 0 hay 1 (mã nhị phân). Sau đó nó tập hợp các dãy số ...000011000101010... đó và mã hóa ngược thì sẽ ra thông tin (chính là dữ liệu).

 Muốn xóa một vùng dữ liệu thì chỉ cần từ trường trên đầu ghi ép cho tất cả các ô dữ liệu xoay về cùng một phía là xong. Trước đây thì việc ghi là theo hướng phải và trái, nhưng như vậy không ghi được nhiều dữ liệu. Vì nếu ô dữ liệu quá bé thì nó dễ bị thay đổi bởi ô bên cạnh, cho nên hiện nay người ta đã bắt nó quay vào trong và quay ra ngoài.