Comment ça marche un disque dur ?

Introduction

Vous en avez tous un ou plusieurs dans votre ordinateur, mais
savez-vous comment fonctionne un disque dur ? Et savez-vous vraiment à
quoi il sert ?

Un disque dur, en anglais Hard Drive (HD) ou Hard Disk Drive (HDD), est une mémoire de grande capacité, qu'on appelle "mémoire de masse", qui fonctionne de manière magnétique.

Le disque dur permet de conserver des données, de manière permanente.
C'est la raison pour laquelle on parle de mémoire dite "non volatile".

Dans cet article, nous allons en apprendre un peu plus sur les éléments qui le composent et sur son fonctionnement.

Un peu de mécanique

Voici à quoi ressemble l'intérieur d'un disque dur :

Les plateaux :

Un dique dur est constitué non pas d'un seul disque, mais de
plusieurs disques rigides en métal, en céramique, ou, le plus souvent en
verre, qui sont empilés à une très faible distance les uns des autres,
appellés "plateaux".

Ils sont traités par diverses couches, dont une ayant des propriétés magnétiques, recouvertes d'une couche protectrice.

Ils sont solidaires d'un axe, monté sur roulement à billes ou à
huile, qui tourne à une vitesse constante comprise entre 3600 et 25000
tours par minute.

La tête de lecture :

Appellées "head" en anglais, elles sont fixées à l'extrémité d'un bras et situées de part et d'autre de chacun des plateaux.

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Ces têtes sont en réalité des électro-aimants qui se baissent et se soulèvent pour pouvoir lire les données ou les écrire.

Elles ne sont qu'à quelques microns de la surface, séparées par une
couche d'air provoquée par la rotation des plateaux qui créent un vent
d'environ 250 km/h !

Elles sont mobiles latéralement afin de pouvoir balayer l'ensemble de la surface du disque.

Cependant, toutes les têtes sont reliées entre elles et une tête
seulement peut lire ou écrire à un moment donné : on parle donc de cylindre pour désigner l'ensemble des données stockées verticalement sur la totalité des plateaux.

Vous allez mieux comprendre avec un petit croquis :

Les têtes de lecture (en vert), déterminent un cylindre sur l'ensemble des plateaux.
On pourrait parler plus justement d'une "part" plutôt que d'un "cylindre" à mon avis, mais bon...

Le moteur qui entraîne les têtes de lecture doit être capable de
fournir des accélérations et des décélérations très importantes. Un
programme, stocké dans la carte-contrôleur du disque
(voir plus loin) est spécialement dédié à la gestion des mouvements du
bras, comme par exemple accélérer au maximum, puis freiner au maximum,
afin que la tête se positionne le plus rapidement possible sur le bon
cylindre.

A l'arrêt, les têtes doivent être parquées, soit sur une zone spécifique (la plus proche du centre car il n'y a pas de données à cet endroit), soit en dehors des plateaux. Ceci pour écarter tout risque de démagnétisation accidentelle des données enregistrées.

Tête de lecture à l'arrêt, au centre du plateau

C'est
une des raisons pour lesquelles éteindre un PC à la sauvage n'est pas
recommandé car la tête stationne alors sur une zone remplie de
données...

Toute cette mécanique de précision est enfermée dans un boîtier
totalement hermétique, car la moindre particule peut détériorer la
surface du disque.

Ces derniers sont d'ailleurs assemblés en salle blanche, exempte de
toute particule, et les constructeurs apposent en général une étiquette "Warranty void if removed" (la garantie expire si retiré) sur les opercules permettant l'étanchéité des boîtiers.

Un peu d'électronique

L'électronique des disques durs est composée de trois parties :

• une partie dédiée à l'asservissement des moteurs;
• une partie dédiée à l'exploitation des informations et aux activités électro-magnétiques;
• une partie visant à faire l'interface.

Le contrôleur de disque :

On appelle contrôleur de disque l'ensemble électronique qui est directement connecté à la mécanique du disque dur.

Cet ensemble sert à piloter les moteurs en rotation et le déplacement des têtes de lecture/enregistrement.

Il gère également l'écriture ou la lecture en interprétant les signaux électriques en provenance des têtes.

L'interface :

C'est elle qui assure la liaison entre le disque dur et la carte mère du PC.

Il en existe beaucoup, et elles continuent d'évoluer pour devenir de
plus en plus fiables et pour offrir une vitesse de connexion sans cesse
plus grande.

Parmi les plus courantes, on trouve :

- L'interface IDE (appelée aussi PATA ou ATA)
: la plus courante dans les machines personnelles jusqu'en 2005. On la
reconnaît grâce au câble caractéristique qu'il faut utiliser, appelé
aussi "nappe" :

- L'interface SCSI (Small Computer System Interface)
: plus chère que l'IDE, mais offrant des performances supérieures, elle
est toujours utilisée et propose maintenant les évolutions SCSI-1, 2 et
3;

Le câble de connexion d'un disque possédant une interface SCSI
ressemble un peu à une nappe IDE, à la différence près qu'il est souvent
composé de fils bicolores :

- L'interface ATA (ou S-ATA pour Serial ATA) est une interface série, peu coûteuse et plus rapide que l'IDE. C'est aujourd'hui la plus courante.

Son câble de connexion offre de plus un avantage : beaucoup moins
large que ceux utilisés pour les interfaces IDE ou SCSI, il est
également plus discret, plus facile à manipuler et à cacher. Il est le
plus souvent de couleur rouge :

- L'interface GF-AL (Fibre-Channel)
est un successeur du SCSI. Il est principalement utilisé sur les
serveurs. Il s'agit d'une liaison série qui peut utiliser des câbles
composés de fibre optique ou de cuivre :

L'alimentation électrique :

Elle s'effectue en général par un connecteur Molex, pour les disques durs à interface IDE ou SCSI

Pour les disques durs à interface S-ATA, l'alimentation se fait par
une prise longue et plate, caractéristique de cette norme de transfert :

Connecteur pour disque S-ATA

Si le boîtier d'alimentation du PC ne dispose que de connecteurs
Molex, il est possible de les convertirs en connecteurs S-ATA au moyen
d'un simple adaptateur, vendu quelques euros dans les magasins
spécialisés :

Adaptateur Molex>S-ATA

Les adapateurs S-ATA>Molex existent également. PS : Si vous avez une ptite photo de ce type d'adapateur, je suis preneur !

Les jumpers

Le jumper (ou cavalier) est une petite broche permettant de définir les options du disque dur :

Le cavalier permet de choisir entre ces différentes options :

• Master (maître)
• Slave (esclave)
• CS ou Cable Select (Choix automatique : dans ce cas, mettre les deux périphérique en CS)

En effet, si deux périphériques sont présents sur une seule et même
nappe, il faut impérativement que l'un soit configuré en maître ou
l'autre en esclave, ou que les deux soient configurés en mode CS.

Un schéma est généralement indiqué sur une étiquette collée sur le
disque dur afin de montrer la position du cavalier en fonction de
l'option souhaitée :

Selon les modèles, il est également possible, en plaçant le jumper
sur une position indiquée, de limiter la capacité du disque dur ou de
contourner une incompatibilité du périphérique esclave présent sur la
même nappe (par exemple un lecteur de CD-ROM ou un autre disque dur).

Le fonctionnement d'un disque dur

Bien. Maintenant que nous avons vu l'intérieur de la bête, nous allons nous intéresser à son fonctionnement.

Nous l'avons vu tout à l'heure, les têtes sont capables de générer un champ magnétique.

Lorsqu'une tête doit inscrire des données sur un plateau, elle créé
des champs magnétiques induisant un courant dans la tête de lecture, qui
sera ensuite transformé par un convertisseur analogique (CAN) en suite
de 0 et de 1 compréhensibles par l'ordinateur.

Hé oui, je vous rappelle qu'un ordinateur fonctionne entièrement de manière binaire !

Les têtes commencent à inscrire des données à la périphérique du
disque (piste A), puis avancent au fur et à mesure vers le centre.

Les données sont organisées en cercles appellés "pistes", créées lors d'un formatage de bas niveau.

Les pistes sont séparées en quartiers que l'on appelle secteurs, et qui contiennent les données.

Enfin, on appelle "cluster" (ou "unité d'allocation"), la zone minimale que peut occuper un fichier sur le disque.

Sur els anciens disques durs, l'adressage se faisait de manière
physique, en définissant la position de la donnée à aller lire par les
coordonnées cylindre/tête/secteur.

Les caractéristiques techniques des disques durs

Lorsque vous achetez un disque dur, il faut prêter attention à certaines données techniques selon l'usage que vous lui réservez.

Trop souvent, on ne s'attarde que sur la capacité du disque, et on
oublie les autres caractéristiques, qui pourtant, sont déterminantes !

Mais avant d'y prêter attention, il faut d'abord savoir ce qu'elles veulent dire :

	La capacité C'est le volume de données pouvant être stockées sur le disque dur. Elle est exprimée en Go (Giga Octets) ou en To (Tera Octets, soit 1000 Go)
	Le taux de transfert (ou débit) C'est la quantité de données pouvant être lues ou écrites sur le  disque dur par unité de temps. Il s'exprime en bits par secondes
	La  vitesse de rotation C'est la vitesse à laquelle les plateaux tournent, exprimée en nombres de tours par minutes. Plus la vitesse de rotation est élevée, meilleur sera le débit du disque.En revanche, un disque possédant une vitesse de rotation élevée est plus bruyant et chauffe plus rapidement qu'un autre disque ayant une vitesse de rotation moindre.
	Le temps de latence C'est ce qu'on appelle également le délai rotationnel. C'est le temps qui s'est écoulé entre le moment où le  disque trouve la piste et le moment où il trouve les données.
	Le temps d'accès moyen Temps moyen que met la tête pour se positionner sur la bonne piste et accéder à la donnée. Il représente donc le temps moyen que met le disque entre le moment où il a reçu l'ordre de fournir des données et le moment où il les fournit réellement. Là aussi, il doit être le plus petit possible.
	La densité radiale C'est le nombre de pistes par pouce (1 pouce = 2.54 cm)
	La densité linéaire C'est le nombre de bits par pouce sur  une piste donnée (bpi : Bit per Inch)
	La densité surfacique Rapport de la densité linéaire divisé par la densité radiale, exprimée en bits par pouce carré (1 pc² = 6,452 cm²)
	Mémoire cache (ou mémoire tampon) C'est la 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 globale.
	L'interface Nous l'avons vu tout à l'heure, il s'agit de  la connectique du disque dur (IDE, SATA, S-ATA, SCSI