En Anglais H.D.D (pour Hard Disk Drive).

Un disque dur est l'unité de stockage de données la plus utilisée actuellement dans les ordinateurs, de part sa très grande capacité pour un coût relativement modéré. Il se connecte à la carte mère par un câble IDE, SCSI (peu utilisé de nos jours sauf pour les professionels) ou S-ATA (de plus en plus utilisé). L'alimentation se fait grâce à un connecteur Molex 4 points ou un connecteur S-ATA, de plus en plus présent sur les alimentations de nos chères machines.

 L'Histoire

Les disques dur sont une évolution du système de stockage par tambours utilisé dans les toutes premières machines à mériter le nom d'ordinateur. [br]En 1953, un tout jeune ingénieur d'IBM a l'idée de superposer des plateaux le long d'un axe et de mettre une tête de lecture/écriture mobile, glissant le long d'un axe parallèle à celui qui tient les plateaux. C'est un peu le même principe qui est utilisé aujourd'hui sauf que cette tête devait se déplacer d'un plateau à l'autre. L'idée était plutôt bonne mais lorsque le premier prototype fut construit, tournant à 1000 tr/min, un problème se présenta : la tête de lecture/écriture ne tenait pas au dessus des plateaux. Notre ingénieur eut alors l'idée de faire passer de l'air sous pression dans la tête afin de grader une distance de 20 µm entre celle-ci et les plateaux. Ce n'est qu'en 1957 que cette méthode fut jugée suffisament fiable et rentable pour être produite en masse et commercialisée, au prix de 10000 $/Mo.

Il se vendit plus de 1000 "RAMAC 305" (pour Random Access Method of Accounting and Control) jusqu'en 1961. Celui-ci était constitué de 50 disques, de 24 pouces de diamètre chacun et de deux têtes de lecture/écriture pouvant changer de plateau en moins d'une seconde, et ce pour une capacité de 5 millions de caractères (environ 5 Mo).

C'est en 1954 que les disques durs se rapprocheront des monstres de capacité que l'on trouve dans nos PC's d' aujourd'hui grâce à la "petite touche" de design de J. J. Hagopian, lui aussi ingénieur chez IBM, qui proposa une modification de la forme des têtes de manière à ce qu'elles "volent" au dessus des plateaux, sur coussins d'air. En 1961, le "IBM 1301 Disk Storage" remplacera le RAMAC et le disque dur tel qu'on le connait aujourd'hui sortira des chaines de production d'IBM.

1. Généralités

1.1 Intro

Un disque dur est l'unité de stockage de données la plus utilisée actuellement dans les ordinateurs, de part sa très grande capacité pour un coût relativement modéré. Il se connecte à la carte mère par un câble IDE, SCSI (peu utilisé de nos jours sauf pour les professionels) ou S-ATA (de plus en plus utilisé). L'alimentation se fait grâce à un connecteur Molex 4 points ou un connecteur S-ATA, de plus en plus présent sur les alimentations de nos chères machines.

1.2 Historique

Ø       1er Disque Dur (1956)

L’IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) Il a une capacité d'environ 5 Mo, stockés sur 50 disques de 61 cm de diamètre. Les plateaux tournent à une vitesse de 1200T/m, il possède un taux de transfert de 8.8Ko/s pour un temps d’accès pour un temps d’accès de 1 seconde.           

Ø       1ere  Tête E/S "flottante" (1962)

L’IBM modèle 1301 avec une capacité de 28 Mo sur 2 fois moins de plateaux que le RAMAC.

Ø       1er disque amovible (1965)

L’IBM modèle 2310, premier disque dur comportant un axe de plateaux amovible devenant très courant dans les années 70’.

Ø       1ere  Tête E/S en Ferrite (1966)

 L’IBM modèle 2314, premier disque dur à utiliser des têtes comportant de la ferrite (matériau céramique ferromagnétique d’une perméabilité magnétique élevée et d’une grande résistivité).
 

Ø       1er Disque dur au design moderne (1973)

L’IBM 3040 dit "winchester" successeur du 3030 par sa taille, ce modèle d’une capacité de 60 Mo, est considéré comme l’un des ancêtres de nos disques actuels.

Ø       1ere Tête TFI

L’IBM modèle 3370, première tête Thin Film Inductive qui fut un standard industriel pendant de nombreuses années.

Ø       1er disque dur au format 8" standard (1979)

L’IBM modèle 62PC "Piccolo", premier disque équipé de plateaux de 8" succédant ainsi au format 14", qui fut le standard des années 70’, il est équipé de 6 plateaux pour un total de 64.5 Mo.

Ø       1er disque dur format  5"1/4 standard (1980)

Seagate ST506, premier disque dur au format 5"1/4(2(1) utilisé dans les premiers PC produit par IBM. II est équipé de 4 plateaux pour un total de 5 Mo.

Ø      1er disque dur format 3"1/2 (1983)

 En 1983, la société écossaise Rodime annonce le tout premier disque dur au format 3"1/2 standard (un des succès européens dans l'industrie informatique). Le format du 80352 devient un standard. II est équipé de 2 plateaux pour un total de 10 Mo. Par ailleurs Rodime attaque Seagate et Quantum quelques années plus tard pour violation de brevet...

Ø      1er disque dur sur carte d’extension (1985)

Quantum annonces le HardCard, un disque dur 3"1/2 (1 plateau) de 10,5 Mo monté sur une carte ISA destinée aux PC dépourvus de contrôleur de disque dur. Grâce à ce produit, Quantum obtient sa place parmi les grands et développe ensuite d'autres produits à l'échelle mondiale.

Ø      1er disque 3"1/2 à bobines électromagnétiques et doté d'un Hector Servo System (1986)

 Conner Peripherals (fondé par Finis Conner après avoir quitté Seagate la même année) lance le CP340, premier disque de 40 Mo équipé de bobines électromagnétiques ou Voice CoilActuator (chargées du déplacement des bras soutenant les têtes E/S) permettant un déplacement d'une précisionjamais atteinte par les moteurs pas à pas. Ce disque équipé de 2 plateaux de 20 Mo est également lepremier" gros " disque 31/2, ce qui lui a valu le surnom de Fat 40. C'est aussi le premier disque à être doté d'un cerveau de secteur. La position du secteur (par rapport au centre du disque) est inscrite devant l'Io (identifiant) de chaque secteur. Cette information permet de connaître la position relative de la tête de lecture à tout moment et ainsi ne pas écrire des données par erreur à un autre endroit.

Ø      1er disque dur format 3"1/2 low profile (1988)

CP3022 de Conner Peripherals, premier disque de 1" de hauteur, format actuel des disques durs. II est équipé d'un plateau de 21 Mo.

 
Ø      1er disque dur format 2"1/2 (1988)

Prairie Tek 220, fabriqué par la société Prairie Tek. C'est le premier disque de 2"1/2, format qui devient, plus tard, le format standard des disques durs pour ordinateurs portables. II est équipé de 2 plateaux pour un total de 20 Mo.

Ø      1er  disque dur utilisant le codage PRML (1990)

IBM 0681 Redwing, premier disque à utiliser le codage PRML (Partial Response Maximum Likelihood). II est équipé de 12 plateaux de 5"1/2 pour un total de 857 Mo.

Ø      1er disque dur équipé de têtes magnétorésistives (1991)

 IBM0663 "Corsair", premier disque dur équipé de têtes magnéto-résistives. II comporte 8 plateaux de 3"1/2 pour un total de 1 004 Mo.

Ø      1er 'disque dur 7 200 RPM (1993)

C'est Seagate Technology qui introduit surle marché le premier disque à 7 200 RPM (rotations par minute ou tours par minute). Le Barracuda ST12550 est un disque de 2139 Mo répartis sur 10 plateaux de 3"1/2.

Ø      1er  disque dur 10 000 RPM (1997)

Le ST19101 " Cheetah 9 " issu des usines de Seagate Technology, est le premier disque dont les plateaux tournent à 10 000 tours par minutes ! II comporte 8 plateaux pour un total de 9,1 Go.

Ø      1" disque dur 1" (1999)

Microdrive d'IBM, premier disk d'1" avec 1 plateau de 340 Mo.

Ø      1er disque dur 15 000 RPM (2000)

ST318451 Cheetah X15, sorti des usines de Seagate Technology, premier disque dur qui atteint la vitesse de 15 000 RPM. II comporte 3 plateaux de 2,5" pour une capacité de 18,3 Go.

Ø      1er disque dur SerialATA (2002)

C'est encore Seagate Technology qui gagne la course vers le SATA en introduisant sur le marché le premier disque dur équipé d'une interface SATA. Le ST380023AS est équipé de 2 plateaux pour une capacité total de 80 Go.

Ø      1er disque dur Serial ATA 10 000 RPM (2003)

Par contre, c'est Western Digital avec son RaptorWD360 qui introduit sur le marché le premier disque SATA à 10 000 RPM.

1.3 La Structure

Un disque dur est constitué non pas d'un seul disque, mais de plusieurs disques rigides (en anglais hard disk signifie disque dur) en métal, en verre ou en céramique, empilés à une très faible distance les uns des autres et appelés plateaux (en anglais platters).

Les disques tournent très rapidement autour d'un axe (à plusieurs milliers de tours par minute actuellement) dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Un ordinateur fonctionne de manière binaire, c'est-à-dire que les données sont stockées sous forme de 0 et de 1 (appelé bits). 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.

Cependant, les têtes sont liées entre elles et seulement une seule tête 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 disques.

L'ensemble de cette mécanique de précision est contenu dans un boîtier totalement hermétique, car la moindre particule peut détériorer la surface du disque. Vous pouvez donc voir sur un disque des opercules permettant l'étanchéité, et la mention "Warranty void if removed" qui signifie littéralement "la garantie expire si retiré" car seuls les constructeurs de disques durs peuvent les ouvrir (dans des salles blanches, exemptes de particules).

1.4 Caractéristiques

Capacité : volume de données pouvant être stockées sur le disque.

Taux de transfert (ou débit) : quantité de données pouvant être lues ou écrites sur le disque par unité de temps. Il s'exprime en bits par seconde.

Vitesse de rotation : vitesse à laquelle les plateaux tournent, exprimée en tours par minutes (notés rpm pour rotations par minute). La vitesse des disques durs est de l'ordre de 7200 à 15000 rpm. Plus la vitesse de rotation d'un disque est élevée meilleur est le débit du disque. En revanche, un disque possédant une vitesse de rotation élevé est généralement plus bruyant et chauffe plus facilement.

Temps de latence (aussi appelé délai rotationnel) : temps écoulé entre le moment où le disque trouve la piste et le moment où il trouve les données.

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. Il doit ainsi être le plus court possible.

Densité radiale : nombre de pistes par pouce (tpi: Track per Inch).

Densité linéaire : nombre de bits par pouce sur une piste donnée (bpi: Bit per Inch).

Densité surfacique : rapport de la densité linéaire sur la densité radiale (s'exprime en bits par pouce carré).

Mémoire cache (ou 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.

Interface : il s'agit de la connectique du disque dur. Les principales interfaces pour disques durs sont les suivantes :

-    IDE / ATA

-    SATA

-    SCSI

Il existe par ailleurs des boîtiers externes permettant de connecter des disques durs en USB et en FireWire.

1.5 Le Principe de fonctionnement

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 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).

On appelle cylindre l'ensemble des données situées sur une même piste sur des plateaux différents (c'est-à-dire à la verticale les unes des autres) car cela forme dans l'espace un "cylindre" de données.

On appelle enfin 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).

Sur les anciens disques durs, l'adressage se faisait ainsi de manière physique en définissant la position de la donnée par les coordonnées cylindre / tête / secteur (en anglais CHS pour Cylinder / Head / Sector).

2. Interfaces

2.1 Partition

Le partitionnement d'un disque dur se fait après le formatage physique de celui-ci et avant le formatage logique. Il consiste à créer des zones sur le disque dont les données ne seront pas mélangées. Cela sert par exemple à installer des systèmes d'exploitation différents n'utilisant pas le même système de fichiers. Il y aura donc au minimum autant de partitions que de systèmes d'exploitation utilisant des systèmes de fichiers différents. Dans le cas d'un utilisateur d'un système d'exploitation unique, une seule partition de la taille du disque peut suffire, sauf si l'utilisateur désire en créer plusieurs pour faire par exemple plusieurs lecteurs dont les données sont séparées.

Il y a trois sortes de partitions: la partition principale, la partition étendue et les lecteurs logiques. Un disque peut contenir jusqu'à quatre partitions principales (dont une seule peut être active), ou trois partitions principales et une partition étendue. Dans la partition étendue l'utilisateur peut créer des lecteurs logiques (c'est-à-dire "simuler" plusieurs disques durs de taille moindre).

Pour les systèmes DOS (DOS, Windows 9x), seulement la partition principale est bootable, c'est donc la seule sur laquelle on peut démarrer le système d'exploitation.

On appelle partitionnement le processus qui consiste à écrire les secteurs qui constitueront la table de partition (qui contient les informations sur la partition: taille de celle-ci en terme de nombre de secteurs, position par rapport à la partition principale, types de partitions présentes, systèmes d'exploitation installés,...). Lorsque la partition est créée, on lui donne un nom de volume qui va permettre de l'identifier facilement.

2.1.1 Master Boot Record

Le secteur de démarrage (appelé Master Boot Record ou MBR en anglais) est le premier secteur d'un disque dur (cylindre 0, tête 0 et secteur 1), il contient la table de partition principale (en anglais partition table) et le code, appelé boot loader, qui, une fois chargé en mémoire, va permettre d'amorcer (booter) le système.

Ce programme, une fois en mémoire, va déterminer sur quelle partition le système va s'amorcer, et il va démarrer le programme (appelé bootstrap) qui va amorcer le système d'exploitation présent sur cette partition.

D'autre part, c'est ce secteur du disque qui contient toutes les informations relatives au disque dur (fabricant, numéro de série, nombre d'octets par secteur, nombre de secteurs par cluster, nombre de secteurs,...). Ce secteur est donc le secteur le plus important du disque dur, il sert au setup du BIOS à reconnaître le disque dur. Ainsi, sans celui-ci votre disque dur est inutilisable, c'est donc une cible de prédilection pour les virus.