Les disques durs

Rôle

Le disque dur sert de mémoire de masse.

On y enregistre les données et les programmes que l'ordinateur est susceptible de traiter. Les PC sont en général équipés d'un disque dur au moins destiné en partie au système d'exploitation ainsi qu'à la mémoire virtuelle.

Les temps d'accès au disque sont relativement lents si on le compare à la mémoire vive de l'ordinateur mais la quantité d'informations qu'on peut y stocker est de loin plus importante. L'autre avantage du disque dur par rapport à la RAM, est qu'il conserve son contenu en permanence même lorsque l'ordinateur est hors tension.

Caractéristiques physiques d'un disque dur

Disque dur Le disque dur se présente sous forme de boîtier le plus souvent d'environ 2 cm d'épaisseur, 14,5 cm de long * 10 cm de large (c'est presque le format A5 des cartes postales). Les disques de portables sont 4 fois moins volumineux (environ 1 * 7 * 10 cm)

- Sous ce boîtier, un circuit imprimé muni des différents circuits contrôle les opérations de lecture et d'écriture.

- A l'arrière : un connecteur à 4 broches reçoit l'alimentation électrique. Les données transitent sur un câble plus large (une nappe) dans le cas des disques IDE ou SCSI. Elles passent par un câble bien plus étroit (2 liasons séries) dans les cas des disques SATA. Les disques sont généralement munis de cavaliers cavaliers (jumper) pour configurer leurs positions logiques (master/slave) dans le cas des disques IDE, un numéro de 1 à 15 pour les disques SCSI, ou plus rarement le mode de fonctionnement de certains disques SATA.

- A l'intérieur, un empilement de plateaux tourne en permanence à grande vitesse, actuellement 7200 tr/min est une vitesse courante. Ces plateaux sont en alliage d'aluminium ou faits d'un composite à base de verre et de céramique qui offre encore plus de rigidité et une meilleure stabilité thermique que l'aluminium. Les plateaux sont recouverts en surface d'une fine épaisseur de matériau magnétique. Un ensemble de bras déplace les têtes de lecture/écriture qui, de part et d'autre des disques, effleurent leurs surfaces en flottant sur un coussin d'air de quelques nanomètres d'épaisseur produit par la rotation des plateaux.

La mécanique de l'ensemble est d'une extrême précision. L'espace entre une tête de lecture est infime et la vitesse de la surface du disque par rapport à ces têtes est de l'ordre de 100 km/h.
A cette vitesse, le moindre grain de poussière qui viendrait s'immiscer entre la tête qui flotte sur une pellicule d'air de quelques dixièmes de microns de la surface du disque y provoquerait de sérieux dégâts. Le boîtier est donc scellé et bien qu'un orifice y permette l'entrée de l'air, celui-ci devra parcourir une chicane ou traverser des filtres pour éviter qu'il ne transporte des poussières.

Inutile de préciser qu'à cette vitesse le disque ne peut absolument pas être voilé et être assez rigide pour éviter que les plateaux ne vibrent. D'où l'appellation HD Hard Disc (disque dur) par opposition au " floppy disc " (disque souple).

Les têtes de lecture/écriture se déplacent simultanément pour lire ou écrire sur des pistes concentriques numérotées depuis l'extérieur du plateau en commençant par le numéro 0. Un ensemble de pistes superposées forme ce qu'on appelle un cylindre.
Les pistes sont divisées en secteurs de 512 octets.

Le nombre de cylindres, de têtes et de secteurs forment ce qu'on appelle la géométrie du disque. [CHS : Cylinder-Head-Sector ] Ces paramètres sont généralement indiqués sur le couvercle du boîtier. Voici par exemple ce que vous pourriez y lire :

Drive Parameters : 1654 cyl - 16 heads - 63 spt - 853.6 MB

Jadis, l'adressage d'un emplacement sur le disque se faisait en sélectionnant successivement un cylindre, une tête puis un secteur ; exemple : cylindre 8, face supérieure du disque 2, secteur 36. Le nombre de cylindres était alors limité à 1024, le nombre de têtes à 16 et le nombre de secteurs à 63. La taille des disques était donc limitée à 512 Mo.

   
 
Anciennement, le nombre de secteurs était fixe
 
Actuellement, le nombre de secteurs varie par zones

Depuis une quinzaine d'années le nombre de secteurs par piste n'est plus constant. Il y a place pour plus de secteurs sur les pistes de la périphérie que pour celles plus proches du centre. Puisque l'interruption logicielle INT 13H du BIOS via laquelle se font les commandes de lecture/écriture des disques accepte 8 bits pour la sélection de la tête. Le nombre de tête peut théoriquement passer à 256. La limite était donc de 1024 pistes x 256 têtes x 63 secteurs soit 8,4 Go. Ces paramètres sont bien sûr convertis au niveau du BIOS qui simule cette commande en la réalisant autrement, puisque, en pratique, il est impossible de placer autant de têtes et de plateaux.

Depuis 1998, l'adressage des disque se fait exclusivement en mode LBA Logical Bloc Addressing - Adressage de Blocs Logiques La barrière des 8,4 Go est définitivement franchie.

Les contrôleurs de disques

On rencontre dans les PC actuels trois types de contrôleurs des disques durs :
IDE ou plus exactement EIDE (Enhanced IDE) aussi appelé ATA
SCSI   (Small Computer System Interface)
et SATA   (Serial ATA)

- Les disques SCSI nécessitent des contrôleurs de bus SCSI que l'on trouve sur des cartes d'extension ou parfois intégrés directement au chipset de la carte mère. Suivant la version du BUS SCSI on peut y connecter 7, 15 ou 31 périphériques.

- Les contrôleurs IDE travaillent en liaison avec le BIOS de la carte mère. Il y a en général deux ports IDE de prévus sur la carte mère, IDE1 et IDE2 encore appelé "Primary" et "Secondary". Il est possible de connecter deux lecteurs sur chacun d'eux ; un lecteur est dit "maître" (master), l'autre "esclave" (slave).

Disque et interface IDE

L'interface IDE ou ATA était le plus courant dans le monde des PC jusqu'en 2007 ou 2008.

L'appellation "interface IDE" pour Integrated Drive Electronics indique qu'une grande partie de l'électronique de l'interface est intégrée au disque, ce qui à l'origine n'était pas toujours le cas, les contrôleurs étaient sur des cartes séparées, enfichées dans les slots ISA.
L'appellation "interface IDE" est synonyme de "interface ATA" : AT Attachment (connexion AT) qui indique que cette interface a été conçue pour se connecter au bus 16 bits d'un PC de type AT. ( les premiers PC 16 bits)
Le connecteur IDE ne reprend en principe que 40 des 96 fils du bus ISA 16 bits.

L'interface ATA a ensuite reçu une extension nommée ATAPI (AT Attachment Packet Interface) Elle permet d'utiliser le même matériel pour les lecteurs CD-ROM, des lecteurs de bandes magnétiques, les graveurs et les DVD pour autant que le système dispose d'un pilote de périphérique ATAPI désormais intégré au système d'exploitation. (Les anciens se souviendront que ce n'était pas le cas à l'époque du DOS)

L'interface ATA a une largeur de 16 bits, autrement dit le câble véhicule simultanément 16 bits en parallèle. Depuis fin de l'an 2000 un autre système, le Serial ATA = SATA permet d'utiliser des câbles beaucoup plus fins puisqu'ils transmettent qu'un bit à la fois mais bien évidemment à une cadence plus élevée. Bien que le hardware soit différent ces 2 interfaces sont compatibles au niveau logiciel.

Evolution du standard IDE / ATA

L'interface ATA a évolué en donnant lieu à plusieurs versions ATA-2, ATA-3, … ATA-6, EIDE pour Enhanced IDE ou encore Fast-ATA, ultra-ATA ou ultra-DMA.

Standard Période Vitesses MB/s Capacité max
ATA-1 ou IDE 1986-1994 8,33 Mo/s 528 Mo
ATA-2 = EIDE 1995-1996 16,67 Mo/s 8,4 Go
ATA-3 1997 16,67 Mo/s  
ATA-4 1998 33,33 Mo/s 136,9 Go
ATA-5 = Ultra DMA 66 1999-2000 66,67 Mo/s  
ATA-6 = Ultra DMA 100 2001 100 Mo/s  
ATA-7 = Ultra DMA 133 2002 133 Mo/s  
SATA 1.0 2003 150 Mo/s  
SATA 2.0 2004 300 Mo/s  
SATA 3.0 2009 600 Mo/s  
SATA 3.2 2013 1969 Mo/s  

ATA-1

Version limitée par le BIOS à 528 Mo (1024 x 16 x 63 = 1.032.192 secteurs de 512 bytes)
Le BIOS et le DOS n'ont accès qu'à 1.024 cylindres. L'interface ATA ne peut adresser que 16 têtes et le BIOS ne peut adresser que 63 secteurs par pistes.

ATA-2

Attachment Interface with Extensions aussi appelée EIDE Enhanced Integrated Drive Electronics concerne aussi les périphériques de stockage autre que les disques durs : lecteurs, graveurs, lecteurs Zips etc.
Un BIOS étendu est défini pour contourner la limite des 1024 x 16 x 63 secteurs. Il peut faire "comme si" il y avait jusqu'à 255 têtes. Le disque est adressé en mode LBA Logical Block Addressing = adressage logique par blocs

ATA-3 Améliorations principalement de la fiabilité. Introduction d'une technologie de surveillance des défauts : Self Monitoring Analysis and Reporting - SMART

ATA-4 ATA 33 ou Ultra DMA

"DMA" signifie Direct Memory Acces La bande passante est maintenant de 33 Mo/s
Cette version intègre l'ATAPI AT   Attachment Packet Interface = interface de connexion avec paquets.
Les transferts par paquets sont utiles pour les CD-ROM et les lecteurs de disques à haute densité ou les lecteurs de bandes.
Un nouveau type de câble apparaît, il contient 80 fils au lieu de 40. Le connecteur ne possède toujours que 40 broches car un fil sur deux est raccordé à la masse de manière à réaliser une sorte de blindage qui limite les interférences électromagnétiques entre les autres câbles.

L'adressage LBA se fait désormais par mots de 28 bits. La taille maximum des disque est donc portée à 228secteurs de 512 octets soit 128 Go au total.

ATA-5 aussi appelé Ultra DMA 66 ou encore ATA 66

La vitesse de transfert est doublée ce qui rend indispensable l'utilisation d'une nappe de 80 fils.
Le mode UDMA/66 ne s'active que si le câble 80 fils est détecté et si le disque et le système d'exploitation le permettent (à partir de Windows 98)

Il va de soi que les informations énoncées ici ne sont que superficielles. Vous trouverez facilement des documents plus complets tels ces 300 pages d'informations sur le standard ATA/ATAPI-5. Jetez-y un oeil pour vous rendre compte de la somme de travail que représente en réalité toute cette évolution.

ATA-6 , UDMA/100 , Ultra-ATA/100 ou ATA/100

Max 248 secteurs de 512 bytes soit 144 Po

Introduction de la technomogie AAM (Automatic Acoustic Management) ayant pour but de réduire les nuisances sonores liées aux déplacements des têtes

ATA-7 , UDMA/133 , Ultra-ATA/133 ou ATA/133

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La nappe ATA

Nappe IDE
Image Wikipedia

Il existe deux types de nappe ATA :

Nappe IDE

Remarque :

Ces appellations Maître / Esclave laissent supposer qu'il y a une sorte de hiérarchie entre ces disques mais ce n'est absolument pas le cas ! Il aurait été plus correct de les distinguer de manière plus neutre par de simples numéros 0 et 1 puisqu'une distinction reste indispensable pour l'adressage


Brochage d'une nappe à 80 fils
www.allpinout.org

Le connecteur de 40 broches possède en principe un détrompeur et la connexion n°20 est obturée. Ce n'est malheureusement pas toujours le cas notamment avec les disques les plus anciens. Un moyen simple pour vérifier que le câble est à l'endroit est de vérifier que le fils n°1 qui a une couleur différente est mis du côté de l'alimentation.

Connecteur 50 broches pour lecteurs 2 pouces 1/2 et moins

Les connecteurs 40 broches des disques ATA sont relativement large. Il ont presque la largeur des disques de portables. On a donc pour ces derniers prévu un connecteur avec des espacements réduits entre les contacts (2 mm au lieu de 2,54) mais possédant 50 broches pour l'alimentation du disque et les cavaliers pour la sélection Maître/Esclave.

Comment placer les jumpers ?

Les jumpers ou cavaliers servent à indiquer si le disque est seul sur le câble ou quand il partage le même câble qu'un autre disque s'il doit être considéré comme "maître" ou comme "esclave". Une étiquette sur le boîtier schématise sommairement les différentes configurations.
Ces configurations varient d'un fabricant à l'autre.
      Positions des jumpers

Disques et interface SATA

ATA Série            

Sites à consulter à ce sujet :

 Serial ATA Working Group http://www.serialata.org

 

 

 

Disques et interface SCSI

SCSI, prononcez "skouzi", pour Small Computer System Interface est le nom d'un bus pour la gestion d'une grande variété de périphériques internes et externes : disques durs, disques optiques, systèmes RAID à lecteurs multiples et aussi imprimantes, scanners, plotters, etc.
Le nombre de périphériques pouvant être connectés à ce bus est plus important qu'avec l'IDE. Il est de 7, 15 ou 31 périphériques suivant l'évolution de la norme SCSI.. La longueur du câble peut aller de 3 à 25m pour le SCSI parallèle (suivant l'évolution de cette norme) et va jusqu'à 75m pour le SCSI dans sa version série.
Ces câbles sont munis de résistance de terminaison qui, à la manière des bouchons sur les câbles coaxiaux qui anciennement équipaient les réseaux, permettent d'éviter les réverbérations des signaux. Une autre spécificité essentielle du bus SCSI par rapport à l'IDE, est que l'intelligence des contrôleurs est déportée vers le périphérique. Dans le cas d'un disque cela signifie que le contrôleur prend lui-même en charge des fonctions qui n'ont plus à être commandées par le processeur.

Disques durs externes

Ce sont des disques de différents formats 5"1/4 , 3"1/2 ou 2"1/2 placés dans des boîtiers que l'on raccordent au PC via une interface USB ou Firewire. On trouve des boîtiers externes sans disque qui coûtent entre 10 et 30 ?. Ils contiennent une petite carte électronique qui assure l'interface entre l'USB (USB2.0 par exemple à 480 Mbps) et l'interface ID ou SATA pour y connecter un disque traditionnel. Il est possible de brancher / débrancher ces disques à chaud autrement dit sans que le système ne soit mis hors tension. L'intérêt de ces disques est qu'ils sont faciles à installer pour ajouter un espace de stockage aux PC (pour y archiver des données ou faire des backups) ou encore pour transporter des volumes importants de données sur des supports relativement petits.

Disques durs NAS

Ce sont des disques placés dans des boîtiers qui les rendent accessibles par le réseau et parfois par une connexion USB. Ces boîtiers renferment un micro-ordinateur avec le plus souvent Linux comme système d'exploitation. Les données sont alors disponibles sur le réseau et parfois même via Internet via un serveur ftp intégré.