Un peu d histoire... Lorsqu on parle de disque dur, on réfère à une technique de mémoire de masse. Plusieurs des technologies développées sont aujourd hui désuètes. Pensons aux cartes perforées, aux rubans perforés, aux bandes magnétiques, aux disquettes et aux tambours. Le système de stockage de données sur les tambours magnétiques ne répondait plus à la demande à cause de l efficacité volumétrique très faible. En 1953, un ingénieur, récemment embauché chez IBM, eut l idée de superposer des plateaux le long d un axe et d y adjoindre une tête de lecture/écriture mobile, située sur un axe parallèle à celui des plateaux. Cette tête venait s insérer entre les plateaux pour lire les informations, mais devait se retirer complètement pour passer d un plateau à un autre. Un prototype fut construit avec une vitesse de rotation de 1200 tours/minute et un débit de transfert de 8,8 ko/s. La difficulté était de maintenir, à cette vitesse, la tête au-dessus du plateau. Cette difficulté fut surmontée en injectant de l air sous pression au travers de la tête de lecture. Ceci permettait de la maintenir au-dessus du plateau à une distance de 20 nanomètres.
Tambour magnétique
Un peu d histoire, (suite) En 1969, trois ingénieurs idéalisent un modèle composé de deux disques de 30 Mo chacun. L un est amovible, l autre est fixe. On le nomme le 30-30, nom attribué aussi à la carabine Winchester. Le nom est resté et encore aujourd hui, un disque Winchester désigne un disque dur non amovible, soit quasiment tous les disques durs produits aujourd hui. En 1998, année commémorative du centenaire de l enregistrement magnétique (inventé par le danois Valdemar Poulsen), IBM commercialisa le premier disque dur de 25 gigaoctets (Deskstar 25GP). À l époque, la presse présenta cette capacité comme disproportionnée par rapport aux besoins réels des particuliers. En 50 ans, la capacité des disques durs a été amplifiée par un facteur de 1,000,000 puisqu un disque dur de 2009 peut atteindre 2 To.
Un disque dur est une mémoire de masse magnétique utilisée principalement dans les ordinateurs, mais également dans les baladeurs numériques, les caméscopes, les lecteurs/ enregistreurs de DVD, les consoles de jeux, les téléphones mobiles.
Principe de fonctionnement Dans un disque dur, on trouve des plateaux rigides en rotation. Ces plateaux sont généralement en aluminium parce que légers, facilement usinables et non magnétiques. Aujourd hui, de nouvelles technologies permettent d utiliser le verre ou la céramique; l état de la surface est alors meilleur que celle de l aluminium. Les surfaces de ces plateaux sont recouvertes d une couche magnétique sur laquelle les données sont stockées. Les données sont écrites en code binaire (0,1) sur la surface du disque au moyen de la tête (bras) de lecture/écriture. Le flux électrique qui traverse la tête modifie le champ magnétique local pour écrire soit un 1, soit un 0, à la surface du disque. En mode lecture, c est le contraire. Le champ magnétique induit un flux électrique dans la tête en fonction de l écriture inscrite sur le disque, soit un 1, soit un 0.
Un peu de mécanique... Les plateaux sont solidaires d un axe sur roulements à billes ou à l huile. Cet axe est maintenu en mouvement par un moteur électrique où la vitesse de rotation est maintenue constante. En 2009, les vitesses de rotation sont de l ordre de 3600 à 15 000 tours/minutes. L échelle typique des vitesses est : 3600, 4200, 5400, 7200, 10 000 et 15 000 tours/minute. Les plateaux sont composés d un substrat, autrefois en aluminium ou en zinc, mais aujourd hui, de plus en plus en verre ou en céramique. Ils sont traités par différentes couches dont le ferromagnétique et ensuite recouverts d une couche protectrice. Il va de soi que la surface doit être la meilleure possible.
Schéma d un disque dur IDE: Integrated Drive Electronics
Géométrie d une surface d un plateau La surface d un plateau (disque) est composée de pistes concentriques situées à une même distance de l axe de rotation. Les pistes sont aussi divisées en secteurs où sont contenues les données. Géométrie d une surface. Les pistes sont concentriques, Les secteurs contigus. Géométrie de trois disques superposés Ici, comme il y a six surfaces, il y aura donc 6 têtes de lecture/écriture
Structure d un disque et... un peu de vocabulaire. La partie A représente une piste. La partie B représente un secteur géométrique La partie C représente le secteur d une piste La partie D représente un ensemble de secteurs d une piste (cluster). Une piste est l endroit où sont inscrites les données. Un secteur est la plus petite unité physique d inscriptions (stockage) sur une piste. Un bloc (cluster) est un ensemble de secteurs d une même piste. On définit aussi un bloc (cluster) comme étant un ensemble de données ou d éléments présentant des similarités
L adressage CHS (Cylinder Head Sector) L adressage signifie la codification des données sur le disque. Il faut donc trois coordonnées pour accéder à un secteur du disque : Le numéro de la tête de lecture (choix de la surface) Le numéro de la piste (détermine la position du bras portant l ensemble des têtes) Le numéro du secteur sur cette piste (à partir de quel endroit il faut commencer à lire les données) Ces coordonnées sont, le plus souvent, sous la gouverne du contrôleur du disque, à partir d une adresse absolue du secteur appelé LBA (logical block addressing). Sur les premiers disques, une surface était formatée en usine et contenait les informations permettant au système de se synchroniser (de savoir qu elle était la position des têtes à tout moment). Cette surface était dénommée servo. Par la suite, ces zones de synchronisation ont été insérées entre les secteurs de données, mais elles sont toujours formatées en usine (dans la norme SCSI, il existe une commande FORMAT qui enregistre intégralement toutes les informations de toutes les surfaces. Elle n est pas nécessairement mise en œuvre sur tous les disques). - SCSI: Small Computer System Interface
L adressage, (suite) Typiquement, on trouvera donc sur chaque piste une succession de : Un petit espace «blanc» («gap» en anglais). Il laisse à la logique du contrôleur de disque une zone inutilisée de cette piste du disque pendant le temps nécessaire au basculement du mode lecture au mode écriture et inversement (cela permet également de compenser de légères dérives de la vitesse de rotation des surfaces de disque). Une zone servo. Elle contient des «tops» permettant de synchroniser la logique du contrôleur de disque avec les données qui vont défiler sous la tête de lecture juste après. Un en-tête contenant le numéro du secteur qui va suivre. Il permet au contrôleur du disque de déterminer le numéro de secteur que la tête de lecture va lire juste après (et par là de déterminer également si le bras portant les têtes est positionné sur la bonne piste) Les données. Ce qui est véritablement stocké par l utilisateur du disque. Une somme de contrôles permettant de détecter/corriger des erreurs. Cela fournit également un moyen de mesurer le vieillissement du disque dur (il perd petit à petit de sa fiabilité).
Contrôleur de disque Un contrôleur de disque c est l ensemble électronique qui est connecté directement à la mécanique d un disque dur. Sa mission est de piloter les moteurs de rotation et de déplacement des têtes de lecture/ enregistrement. C est aussi d interpréter les signaux électriques reçus de ces têtes afin de les convertir en bits ou de réaliser l opération inverse afin d enregistrer des données à un emplacement particulier de la surface des disques composant le disque dur. Sur les premiers disques durs, ces fonctions étaient réalisées par une carte électronique indépendante de l ensemble mécanique. Le volumineux câblage d interconnexion a rapidement favorisé la recherche d une solution plus compacte. Le contrôleur de disque se trouva alors accolé au disque, donnant naissance aux standards SCSI (Small Computer System Interface) et IDE (Integrated Drive Electronics). Note: un octet est une unité de mesure en informatique mesurant la quantité de données. Un octet est lui-même composé de 8 bits, soit 8 chiffres binaires.
Voici une carte contrôleur de disque dur IDE (Integrated Drive Electronics) accolée à son disque.
Voici l intérieur d un disque dur dont le plateau a été retiré. Sur la gauche se trouve le bras de lecture/écriture. Au milieu, on peut voir les électro-aimants du moteur du plateau.
Bras supportant les deux têtes de lecture/écriture Note : les rayures que l on voit sur le disque indiquent que ce disque a été victime d un «atterrissage» ; il est donc endommagé.
Têtes de lecture/écriture Fixées au bout d un bras, elles sont solidaires d un second axe qui permet de les faire pivoter en arc de cercle sur la surface des plateaux. Toutes les têtes pivotent donc en même temps. Il y a une tête par surface et leur géométrie permet de voler au-dessus (ou au-dessous) de la surface du plateau sans le toucher. Elles reposent sur un coussin d air créé par la rotation des plateaux. En 1997, les têtes volaient à 25 nanomètres de la surface des plateaux; en 2006, on avait déjà réduit cette valeur à environ 10 nanomètres. Le moteur qui les entraîne doit être capable de fournir des accélérations et décélérations très fortes. Un des algorithmes de contrôle des mouvements du bras porte-têtes est d accélérer au maximum puis de freiner au maximum pour que la tête se positionne sur le bon cylindre. Il faudra ensuite attendre un court instant pour que les vibrations engendrées par le freinage s estompent.
Têtes de lecture/écriture, (suite) À l arrêt, les têtes doivent être parquées, soit sur une zone spéciale (la plus proche du centre, il n y a alors pas de données à cet endroit), soit en dehors des plateaux. Si une ou plusieurs têtes entrent en contact avec la surface des plateaux, cela s appelle un atterrissage et provoque le plus souvent la destruction des informations situées à cet endroit. Une imperfection sur la surface telle qu une poussière aura le même effet. La mécanique des disques durs est assemblée en salle blanche et toutes les précautions sont prises pour qu aucune impureté ne puisse pénétrer à l intérieur du boitier appellé HDA ( Head Disk Assembly).
Voici le moteur d un bras. Les parties blanches de part et d autre de la bobine sont des aimants. Le couvercle contenant les deux autres aimants a été retiré pour nous faire voir le pivot et la bobine.
La défragmentation (informatique) En informatique, on appelle défragmentation le processus d élimination de la fragmentation du système de fichier. Ce processus réorganise physiquement le contenu du disque pour mettre chaque morceau de fichier ensemble et dans l ordre. Le but est d augmenter la vitesse de lecture. Il essaye également de créer une grande région d espace libre pour retarder la fragmentation. Lors de la lecture d un fichier fragmenté, la tête de lecture doit aller chercher l ensemble des blocs (clusters) de données éparpillés sur la surface du disque. De ce fait, cette opération nécessite plus de temps que la lecture du même nombre de blocs contigus. L accès à un disque dur étant nettement plus lent que l accès en mémoire vive, celui-ci constitue donc un goulot d étranglement pour le système. La fragmentation amplifie ce phénomène. La réorganisation de l ensemble des blocs de données d un disque dur, soit de regrouper physiquement ceux constitutifs d un même fichier, permet d éviter la dégradation des performances de ce disque. Cette opération s appelle la défragmentation. -
Finalement... Aujourd hui, les techniques de mémoire de masse sont utilisées, entre autres, pour : Disque dur (ordinateur) Disque optique (CD, DVD, Blu-ray) Disque SSD Mémoire flash (CF, MMC, MS, SD, xd) Mémoire holographique Les informations de cette présentation ont été tirées de l encyclopédie libre WikipédiA Bernard Morency 22,février 2010.