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IV. Le stockage de masse (Partie 1)


4.1  La bande perforée

Le premier élément de stockage numérique a été inventé en 1725 et utilisé à l'époque entre autres pour programmer les métiers à tisser Jacquard (l'inventeur de la première machine automatisée), donc bien avant l'invention de l'informatique. Ce support était utilisé sous forme de carte ou de ruban (bande).


Ensuite ces cartes ou rubans perforés ont été utilisés par les systèmes de transmissions (télégraphe, téléscripteur, ….) avant d'être utilisées au tout début de l'informatique. Elles ont progressivement disparues à partir des années 1970 (l'image ci-dessus est une carte IBM de 1928).

En général le trou était considéré comme un 1 logique. Le codage se lit par "colonne" de données, colonne après colonne.
Un trou supplémentaire, de plus petite taille et situé vers le milieu de la bande, servait à l'entraînement par le lecteur-perforateur.



Exemple de codage d'un ruban en code ASCII (les trous d’entraînements ne sont pas représentés):

Explications :

sur la 1ère ligne on lit : 1001100 (le ruban est sur 7 bits). Or 1001100 correspond à 76 en décimal ce qui correspond à la lettre "L"

sur la 2ème ligne on lit : 1100001. Or 1100001 correspond à 97 en décimal ce qui correspond à la lettre "a"

sur la 3ème ligne on lit : 0100000. Or 1100001 correspond à 32 en décimal ce qui correspond à la l'espace


Bref la bande perforée contient au début le mot "La Mache".






Remarque : pour modifier une donnée sur un ruban perforé, il fallait perforer les nouvelles données sur un bout de ruban neuf, couper la partie que l'on désirait supprimer du ruban original, et insérer, par collage, le nouveau bout de ruban. Un peu fastidieux !

  

 

   


 
4.2  La disquette

La disquette a été lancée par IBM en 1967 (dans sa version 8 pouces/20,32cm).

La deuxième génération de disquettes était au format de cinq pouces un quart (13,33cm). Elle arriva à stocker au maximum 1,2 Mo en 1983.

La troisième génération possédait une enveloppe au format trois pouces et demi (8,89cm) qui n’était plus de carton souple, mais en plastique rigide. Elle fut utilisée jusqu'au début des années 2000 et alla jusqu'à contenir 1,44 Mo).



La disquette contient un disque magnétique (le support est un plastique souple d'où le nom anglais de floppy disk) qui est composé de une ou deux face enregistrable. Ce disque est divisée en pistes qui sont elles-mêmes divisées en secteurs de 512 octets.

Le lecteur de disquette est composé de deux moteurs :
  • Le premier entraîne la disquette à une vitesse de rotation de 300 tr/min.
  • Le second est un moteur pas à pas qui permet de déplacer la tête de lecture/écriture précisément sur la piste voulue.

Un bit est positionné suivant le sens de l’orientation des micro-particules d’oxyde magnétique, dans un sens, le bit est lu comme un « 0 » logique, et dans l’autre sens comme un « 1 » logique. Pour l’écriture, la tête d'écriture impose un sens aux micro-particules grâce à un champ magnétique crée par une bobine.


Sur une disquette neuve, les micro-particules sont orientées aléatoirement, elle est donc illisible. Pour écrire sur une disquette, il faut au préalable la formater pour lui donner un format de données.








4.3  La bande magnétique

Il s'agit d'un ruban de polyester enduit de particules magnétiques (oxyde de fer). Finalement c'est une sorte de combinaison entre la bande perforée et la disquette.

Même si la bande magnétique n'est plus le support dominant pour l'informatique, elle peut encore être utilisée dans le cas de l'archivage par exemple car, avec de très importants volumes de données, c'est la robustesse de la sauvegarde et son faible coût qui seront les points forts pour l'utilisateur et la bande a encore tout son intérêt. En effet le coût du support est bien plus faible que des disques durs pour des volumes unitaires bien plus importants. En contrepartie, la latence d'écriture et de lecture des informations sur bande magnétique est bien plus importante. Mais pour de l'archivage, cela est bien suffisant.

Leur durée de vie peut atteindre 30 ans.





4.4  Le disque dur

C’est en 1956 que la société IBM introduisait le disque dur à tête mobile, le 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control ). Ce disque dur avait besoin de 50 plateaux de 24 pouces de
diamètre (60,96 cm)pour emmagasiner 5 mégaoctets et se louait à 35 000 dollars par an !

Pendant longtemps les disques durs de 14 et 8 pouces restaient attachés aux gros ordinateurs, conditionnés dans les salles de calcul. Ce n’est qu’au début des années 80 que tout changea avec l’apparition des micro-ordinateurs. Le premier disque 5,25 pouces (13.33cm), de la taille d’une boîte à chaussures, pouvait enregistrer 10 à 20 mégaoctets. Vers la fin des années 80, IBM donnait une nouvelle impulsion en introduisant sur le marché :

  • un disque 5,25 pouces, à douze plateaux, de 850 mégaoctects ;
  • un disque 3,5 pouces, à huit plateaux, de 320 mégaoctets ;
  • un petit disque 2,5 pouces de 40 mégaoctets, d’une épaisseur de 12,7 millimètres.


Depuis les avancées technologiques se sont accélérées. Les disques magnétiques sont de plus en plus rapides et de plus en plus capacitifs et le coût par mégaoctet ne cesse de décroître.

 

 

Fonctionnement

Les disques tournent très rapidement autour d'un axe (jusqu'à 15 000 tours par minute actuellement) dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Il existe sur les disques durs des millions de ces bits, stockés très proches les uns des autres sur une fine couche magnétique de quelques microns d'épaisseur, elle-même recouverte d'un film protecteur.

La lecture et l'écriture se fait grâce à des têtes de lecture (en anglais heads) situées de part et d'autre de chacun des plateaux. Ces têtes sont des électro-aimants qui se baissent et se soulèvent pour pouvoir lire l'information ou l'écrire. Les têtes ne sont qu'à quelques microns de la surface, séparées par une couche d'air provoquée par la rotation des disques qui crée un vent d'environ 250km/h ! De plus ces têtes sont mobiles latéralement afin de pouvoir balayer l'ensemble de la surface du disque.




Les têtes de lecture/écriture sont dites « inductives », c'est-à-dire qu'elles sont capables de générer un champ magnétique. C'est notamment le cas lors de l'écriture : les têtes, en créant des champs positifs ou négatifs, viennent polariser la surface du disque en une très petite zone, ce qui se traduira lors du passage en lecture par des changements de polarité induisant un courant dans la tête de lecture, qui sera ensuite transformé par un convertisseur analogique numérique (CAN) en 0 et en 1 compréhensibles par l'ordinateur.

Les têtes commencent à inscrire des données à la périphérie du disque (piste 0), puis avancent vers le centre. Les données sont organisées en cercles concentriques appelés « pistes », créées par le formatage de bas niveau.

Les pistes sont séparées en quartiers (entre deux rayons) que l'on appelle secteurs, contenant les données (au minimum 512 octets par secteur en général).

Pour info : on appelle cluster (ou en français unité d'allocation) la zone minimale que peut occuper un fichier sur le disque. En effet le système d'exploitation exploite des blocs qui sont en fait plusieurs secteurs (entre 1 et 16 secteurs). Un fichier minuscule devra donc occuper plusieurs secteurs (un cluster).



Le temps d’accès et le débit d’un disque dur permettent d’en mesurer les performances. Les facteurs principaux à prendre en compte sont :

  • le temps de latence, facteur de la vitesse de rotation des plateaux. Dans les premiers disques durs, jusqu’en 1970, le temps de latence était d’un tour : on devait en effet attendre que se présente la "home address" devant les têtes, puis on cherchait le ou les secteurs concernés à partir de cette "home address". Aujourd'hui ce temps est bien plus petit.
  • le temps de recherche, ou seek time en anglais, est le temps que met la tête pour se déplacer jusqu’au cylindre choisi. C’est une moyenne entre le temps piste à piste, et le plus long possible.
  • le temps de transfert est le temps que vont mettre les données à être transférées entre le disque dur et l’ordinateur par le biais de son interface.


Pour estimer le temps de transfert total, on additionne ces trois temps. On pourra rajouter le temps de réponse du contrôleur, etc. Il faut souvent faire attention aux spécifications des constructeurs, ceux-ci auront tendance à communiquer les valeurs de pointe au lieu des valeurs moyennes (par exemple pour les débits).


Mémoire cache (mémoire tampon)
Quantité de mémoire embarquée sur le disque dur. La mémoire cache permet de conserver les données auxquelles le disque accède le plus souvent afin d'améliorer les performances globales.


Gestion des secteurs défectueux
Des contraintes de rendement de fabrication et de coût font que la plupart des disques sont livrés à l’origine avec une liste de secteurs défectueux. Quelques secteurs de secours sont réservés par petits paquets de pistes. Pendant la vie du disque, le micrologiciel détecte qu’un secteur devient de plus en plus difficile à manipuler (par exemple au-dessus d’un certain nombre de tentatives de relecture) et réécrit les données correspondantes dans le premier secteur de secours qui suit. La table des secteurs défectueux est alors mise à jour de façon à rediriger les futurs accès vers le secteur de remplacement.


Un peu d'histoire et d'évolution :

Capacité

Date

Fabricant

Modèle

Taille

5 Mo

1956

IBM

305 Ramac

24 pouces

60.96cm

28 Mo

1962

IBM

modèle 1301

1,02 Go

1982

Hitachi

H8598

14"

35,56 cm

25 Go

1998

IBM

Deskstar 25 GP

3,5"

8,89 cm

500 Go

2005

Hitachi

3,5"

1 To

2007

Hitachi

Deskstar 7K1000

3,5"

2 To

2009

Western Digital

Caviar Green WD20EADS

3,5"

3 To

2010

Seagate

3,5"

4 To

2011

Hitachi

7K4000

3,5"

6 To

2013

HGST

WD Red Pro

3,5"

8 To

2014

Seagate

Archive HDD

3,5"


Notons qu'il existe aussi des générations de disques dur de 2,5 pouces et aussi de 1,8 pouces.


Connexions

Il existe deux connecteurs principaux pour brancher un disque dur :

  • IDE (également appelé ATA ou PATA). Cet IDE (Integrated Drive Electronics) est une mode de communication parallèle donc cela  implique la présence de larges nappes de fils qui peuvent gêner la circulation de l’air dans l’unité centrale (et donc limiter le refroidissement des composants).
  • SATA (Serial ATA ou Serial Advanced Technology Attachment). Il s'agit cette fois d'une mode de communication série qui ne nécessite que 7 fils.



Le débit de la norme IDE est plus faible que celui des ports SATA. Aujourd’hui on assiste à une disparition progressive des ports IDE au profit des ports SATA.

Il existe principalement trois normes SATA, appelées SATA I, SATA II et SATA III. Ce sont des évolutions successives de la norme, ayant pour but (entre autres) d’améliorer le débit, c’est-à-dire la quantité de données pouvant être lue ou écrite par seconde.

Norme

Débit théorique / débit réel (Mo/s)

SATA I

187 / 150

SATA II

350 / 300

SATA III

700 / 600


Pour information, le débit théorique maximum en IDE (ATA-7, dernière norme en date) était de seulement 133 Mo/s. Plus rares, on trouve également des disques durs en SCSI (débits jusqu'à 64 Mo/s) ou SAS (jusqu'à 600 Mo/s).



Alimentation électrique
Pour fonctionner, un disque dur a besoin d’une alimentation électrique. Celle-ci est assurée par le boîtier d’alimentation.

Visionnons la vidéo suivante: Comment fonctionne un disque dur.mp4



Le disque dur SSD
Le principal défaut des disques dur est la relative lenteur d'accès aux données stockées. Cette relative lenteur est lié principalement à la technologie qui repose sur des éléments mécaniques (déplacement de la tête de lecture, rotation des disques). Voilà pourquoi a été inventé un autre type de disque : le SSD.
On a tendance à les appeler « disques SSD ». Pourtant ils n’ont absolument rien en commun avec un disque : ils ne sont pas en rotation, ils ne possèdent pas de plateaux… Ils ne sont même pas ronds ! C’est donc un abus de langage. Bref ce ne sont pas des disques durs.
Un disque SSD est donc un système composé de mémoires de type « flash », ce qui signifie que les données sont inscrites dans de petites cellules de mémoire au sein d’une puce. Il n’y a donc aucun élément mécanique. Chaque cellule de mémoire peut être lue ou écrite avec le même délai, peu importe son positionnement sur la puce. Avec un disque dur classique, il fallait attendre que la tête de lecture se déplace à la surface des plateaux pour aller chercher les données.

Alors on jette les disques durs pour les remplacer par des SSD ?

Du pour, du contre…
Les SSD ont d'indéniables avantages par rapport aux disques durs classiques, au premier chef desquels leur formidable rapidité. L’absence de toute partie mécanique permet de décupler les temps d’accès aux données bien au-delà de ce que pourrait proposer un disque dur. Les SSD sont également bien plus résistants aux chocs (toujours grâce à l’absence de partie mécanique). Ils consomment moins, ce qui permet non seulement d’alléger la facture d’électricité, mais également de s’affranchir de la chaleur et du bruit produits par un disque dur classique. À première vue, il n’y a donc pas de doute : les SSD sont à préférer !
Oui mais …
L’inconvénient majeur des SSD reste leur prix beaucoup plus élevé qu'un disque durs traditionnel. Deuxième inconvénient important : la durée de vie des SSD est plus faible que celle des disques durs classiques. Cela est dû au nombre de cycles de lecture/effacement/écriture que peuvent subir les cellules, usées un peu plus à chaque fois qu’une tension leur est appliquée.

La solution :
Les SSD sont tout à fait adaptés pour jouer le rôle de disque système. Un SSD de 60 ou 128 Go est généralement suffisant pour l’OS (Operating System) et les logiciels. En parallèle, vous devrez disposer d’un disque dur classique de bonne capacité pour stocker toutes vos données : documents, photos, musiques, vidéos, etc. Le couple SSD/disque dur est ainsi une très bonne façon d’obtenir un système très réactif, tout en conservant une bonne capacité de stockage.
Mais est-ce judicieux de placer son système sur un disque qui peut mourir à tout moment ?
Premièrement, il est préférable de perdre son système que ses données (on peut réinstaller Windows ou sa distribution GNU/Linux préférée, mais on ne peut pas retrouver ses photos et documents perdus). Cela dit, le but n’est pas de mettre une épée de Damoclès au-dessus de la tête de votre système !

Remarque : ne jamais défragmenter un SSD. Si cela pouvait être utile pour un disque dur, le grand nombre d’écritures réalisées au cours de cette opération est nocif pour un SSD.

Visionnons la vidéo suivante: Quelle est la différence entre un SSD et un disque dur .mp4