Disque dur
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Types d'interface des disques durs

Un disque dur à interface SCSI

Les interfaces des disques durs ont largement évolué avec le temps dans un souci de simplicité et d'augmentation des performances. Voici quelques interfaces possibles :

  • Storage Module Device (SMD), très utilisée dans les années 1980, elle était principalement réservée pour les disques de grande capacité installés sur des serveurs ;
  • SA-1000 un bus utilisé en micro informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines...), d'où le ST-506 est dérivé ;
  • ST-506, très utilisée au début de la micro-informatique (La micro-informatique est un terme désignant les « petits » (le préfixe μιχρο, venant du grec) ordinateurs personnels; le terme même (en anglais : Personal Computer) ayant...) dans les années 1980 ;
  • ESDI (Enhanced Small Device Interface), a succédé au ST-506, qu'elle améliore ;
  • L'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) IDE (ou PATA par opposition au SATA, voir plus loin), la plus courante dans les machines personnelles jusqu'à 2005, appelée aussi ATA (AT ATACHMENT), à ne pas confondre avec S-ATA, cette dernière l'ayant remplacée ;
  • SCSI (Small Computer System Interface), plus chère, mais offrant des performances supérieures. Toujours utilisée et améliorée (passage de 8 à 16 bits notamment, et augmentation de la vitesse (On distingue :) de transfert, normes SCSI-1, SCSI-2, SCSI-3) ;
  • SAS (Serial Attached SCSI), combine les avantages du SCSI avec ceux du Serial ATA (elle est compatible avec cette dernière) ;
  • Serial ATA (ou S-ATA), est une interface série, peu coûteuse et plus rapide qu'ATA (normes SATA et SATA II), c'est la plus courante désormais (2008) ;
  • Fibre-Channel (FC-AL), est un successeur du SCSI. La liaison est série et peut utiliser une connectique fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et...) ou cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte...). Principalement utilisée sur les serveurs.

Principe de fonctionnement

L'intérieur d'un disque dur (Un disque dur est une mémoire de masse magnétique utilisée principalement dans les ordinateurs, mais également dans des baladeurs...) 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 (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) du plateau

Dans un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) dur, on trouve des plateaux rigides en rotation. Chaque plateau est constitué d'un disque réalisé généralement en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec...), qui a les avantages d'être léger, facilement usinable et non magnétique. Des techniques plus récentes utilisent le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le...) ou la céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation physico-chimique irréversible au...), qui permettent des états de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) encore meilleurs que ceux de l'aluminium. Les faces de ces plateaux sont recouvertes d'une couche magnétique, sur laquelle sont stockées les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). Ces données sont écrites en code binaire [0,1] sur le disque grâce à une tête de lecture/écriture, petite antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) très proche du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) magnétique. Suivant le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) électrique qui la traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des...), cette tête modifie le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) local pour écrire soit un 1, soit un 0, à la surface du disque. Pour lire, c'est le même principe qui est utilisé, mais dans l'autre sens : le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique local engendre au sein de la tête un flux électrique qui dépend de la valeur précédemment écrite, on peut ainsi lire un 1 ou un 0.

Un disque dur typique contient un axe central autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) duquel les plateaux tournent à une vitesse de rotation constante. Les têtes de lecture/écriture sont reliées à une même armature qui se déplace à la surface des plateaux, avec une à deux têtes par plateau (une tête par face utilisée). L'armature déplace les têtes radialement à travers les plateaux pendant qu'ils tournent, permettant ainsi d'accéder à la totalité de leur surface.

L'électronique associée contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) le mouvement de l'armature ainsi que la rotation des plateaux, et réalise les lectures et les écritures suivant les requêtes reçues. Les firmwares des disques durs récents sont capables d'organiser les requêtes de manière à minimiser le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'accès aux données, et donc à maximiser les performances du disque.

Mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce...)

Plateaux

Les plateaux sont solidaires d'un axe sur roulements à billes ou à huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se...). Cet axe est maintenu en mouvement par un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de...) électrique. La vitesse de rotation est actuellement (2009) comprise entre 3 600 et 15 000 tours/minute (l'échelle typique des vitesses est 3 600, 4 200, 5 400, 7 200, 10 000 et 15 000 tours/minute). La vitesse de rotation est maintenue constante sur la plupart des modèles. Depuis les problèmes liés à l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...), les constructeurs ont sorti des disque visant l'économie d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) souvent dénommés "Green". Ces disques ont des vitesses de rotation variables, souvent de 5400tpm (Tours par minute) à 7200tpm (Comprenez que lors de non-sollicitations, les disques tournent à 5400tpm, et oscillent entre cette valeur et 7200tpm lors d'accès à ce disque...).

Les plateaux sont composés d'un substrat, autrefois en aluminium (ou en zinc), de plus en plus souvent en verre, traités par diverses couches dont une ferromagnétique recouverte d'une couche de protection. L'état de surface doit être le meilleur possible.

Note : contrairement aux cd/dvd, c'est d'abord l'espace périphérique le plus éloigné du disque (du centre du plateau donc) qui est écrit en premier (et reconnu comme "début du disque"), car c'est à cet endroit que les performances sont à leurs maximums (en effet, la tête de lecture/écriture parcourt une plus grande surface en un tour qu'au milieu du disque).

Tête de lecture/écriture

Tête de disque dur de 1970

Fixées au bout d'un bras, elles sont solidaires d'un second axe qui permet de les faire pivoter en arc de cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon...) sur la surface des plateaux. Toutes les têtes pivotent donc en même temps. Il y a une tête par surface. Leur géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) leur permet de voler au-dessus de la surface du plateau sans le toucher : elles reposent sur un coussin d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) créé par la rotation des plateaux. En 1997, les têtes volaient à 25 nanomètres de la surface des plateaux, aujourd'hui (2006) cette valeur est d'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-tête est d'accélérer au maximum puis de freiner au maximum pour que la tête se positionne sur le bon cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant...). Il faudra ensuite attendre un court instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) pour que les vibrations engendrées par le freinage s'estompent.

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 donc assemblée en salle blanche et toutes les précautions (joints, etc.) sont prises pour qu'aucune impureté ne puisse pénétrer à l'intérieur du boîtier (appelé « HDA » pour Head Disk Assembly en anglais).

Les techniques pour la conception des têtes sont (en 2006) :

  • Tête inductive ;
  • Tête MR - MagnétoRésistive ;
  • Tête GMR - Giant MagnétoRésistive.

Électronique

Elle est composée d'une partie dédiée à l'asservissement (L'asservissement est une partie de l'automatique. L'objet principal de l'asservissement est d'élaborer la commande d'un procédé afin de lui faire atteindre une grandeur physique déterminée.) des moteurs et d'une autre à l'exploitation des informations électriques issues de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) électromagnétique entre les têtes de lecture et les surfaces des plateaux. Une partie plus informatique va faire l'interface avec l'extérieur et la traduction de l'adresse (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de s'adresser à une autre parmi un ensemble d'entités. Pour qu'il n'y ait pas d'ambiguïté, chaque adresse doit correspondre à...) absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à...) d'un bloc en coordonnées à 3 dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) (tête, cylindre, bloc).

L'électronique permet aussi de corriger les erreurs.

Contrôleur de disque

Une carte contrôleur de disque dur IDE accolée à son disque

Un contrôleur de disque est l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) électronique qui est connecté directement à la mécanique d'un disque dur. La mission de cet ensemble est de piloter les moteurs de rotation et de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et...) des têtes de lecture/enregistrement, et d'interpréter les signaux électriques reçus de ces têtes pour les convertir en bits ou réaliser l'opération inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) afin d'enregistrer des données à un emplacement particulier de la surface des disques composant le disque dur.

Sur les premiers disques durs, comme par exemple le ST-506, ces fonctions étaient réalisées par une carte électronique indépendante de l'ensemble mécanique. Le volumineux câblage d'interconnexion a rapidement favorisé la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) d'une solution plus compacte : le contrôleur de disque se trouva alors accolé au disque, donnant naissance aux standards SCSI et IDE.

L'appellation « Contrôleur de disque » est souvent employée par erreur en remplacement de « Contrôleur ATA » ou « Contrôleur SCSI ». En effet un contrôleur de disque pilote juste la partie mécanique d'un disque dur, pendant que les autres pilotent des périphériques variés : disque dur bien sûr mais aussi lecteur de CD (Le lecteur de CD (appelé improprement lecteur CD) est un lecteur de disque optique qui lit au moyen d'une diode laser les disques optiques appelés disques compacts (ou CD), qu'il s'agisse de CD audio ou de...), dérouleur de bande magnétique, scanner (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de « parcourir une certaine étendue ».), etc.

Alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.)

Elle s'effectuait en général par un connecteur Molex. Les disques durs Serial ATA utilisent parfois le connecteur molex mais elles sont remplacées par une prise longue et plate.

Géométrie

Chaque plateau (possédant le plus souvent 2 surfaces utilisables) est composé de pistes concentriques séparées les unes des autres par une zone appelée "espace interpiste". Les pistes situées à une même distance de l'axe de rotation forment un cylindre.

Géométrie d'un disque dur
Ici 3 plateaux (appelé Dispac) donc 6 têtes de lectures car 6 surfaces à lire.

La piste est divisée en secteurs (aussi appelés blocs) contenant les données.

Géométrie d'une surface. Les pistes sont concentriques, les secteurs contigus.

En adressage CHS, il faut donc trois coordonnées pour accéder à un bloc (ou secteur) de disque :

  1. le numéro de la tête de lecture (choix de la surface) ;
  2. le numéro de la piste (détermine la position du bras portant l'ensemble des têtes) ;
  3. le numéro du bloc (ou secteur) sur cette piste (détermine à partir de quel endroit il faut commencer à lire les données).

Cette conversion est faite le plus souvent par le contrôleur du disque à partir d'une adresse absolue de bloc appelée LBA (un numéro compris entre 0 et le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple :...) de blocs du disque diminué de 1).

Puisque les pistes sont circulaires (leur circonférence est fonction du rayon - c = 2*pi*r), les pistes extérieures ont une plus grande longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) que les pistes intérieures (leur circonférence est plus grande). Le fait que la vitesse de rotation des disques soit constante quelle que soit la piste lue/écrite par la tête est donc problématique. Sur les premiers disques durs (ST-506 par exemple) le nombre de secteurs par rotation était indépendant du numéro de piste (donc les information étaient stockées avec une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) spatiale variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un...) selon la piste). Depuis les années 1990 et la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce qu'ils puissent être considérés de...) du zone bit recording, la densité d'enregistrement est devenue constante, avec une variation du nombre de secteurs selon la piste.

Sur les premiers disques, une surface était formatée en usine et contenait les informations permettant au système de se synchroniser (de savoir quelle était la position des têtes à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) moment). Cette surface était dénommée « servo ». Par la suite, ces zones de synchronisation ont été insérées entre les blocs de données, mais elles sont toujours formatées en usine (dans la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle à suivre. Ce...) SCSI il existe une commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) FORMAT qui réenregistre intégralement toutes les informations de toutes les surfaces, elle n'est pas nécessairement mise en œuvre sur tous les disques). Typiquement donc, on trouvera sur chaque piste une succession de :

  1. un petit espace « blanc » (« gap » en anglais) : il laisse à la logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois...) du contrôleur de disque une zone inutilisée de cette piste du disque pendant le temps nécessaire au basculement (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule spatial autour d'un axe quelconque. Le basculement peut être utilisé pour modifier...) 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) ;
  2. 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 ;
  3. un en-tête contenant le numéro du bloc qui va suivre : il permet au contrôleur du disque de déterminer le numéro de secteur que la tête le lecture va lire juste après (et par là de déterminer également si le bras portant les têtes est positionné sur la bonne piste) ;
  4. les données : ce qui est véritablement stocké par l'utilisateur du disque ;
  5. une somme de contrôle permettant de détecter/corriger des erreurs : cela fournit également un moyen de mesurer le vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant progressivement l'aptitude d'un objet, d'une information ou d'un organisme à assurer ses fonctions.) du disque dur (il perd petit à petit de sa fiabilité).
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