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10. Disque dur IDE, S-ATA et contrôleurs.

10.1. Introduction - 10.2. Caractéristiques d'un disque dur - 10.3. Types de partitions Windows - 10.4. Norme IDE, E-IDE - 10.5. Modes de transfert PIO - 10.6. Disques UDMA-33 - ATA-33 - ATA4 - 10.7. UDMA-66 ou Ultra-66 - 10.8. ATA-100 et ATA-133 - 10.9. Résumé des modes - 10.10. Limitation de capacité - 10.11. Installation d'un disque dur IDE - 10.12. Serial ATA, S-ATA 2 - 10.13. SSD (State State disk) - 10.14.  Commande DOS Fdisk - 10.15. Block mode

Le disque dur (en anglais, Hard Disk ou HD en abrégé) est le composant principal de sauvegarde d'un ordinateur. Au cours hardware de première année, nous ne voyons que les disques durs de type IDE et SATA. Les disques durs et contrôleurs SCSI seront vus en deuxième année. Les types MFM et RLL utilisables uniquement avec les 8088 sont eux-aussi passés, obsolètes.

 Les disques durs IDE sont utilisés depuis les ordinateurs à base de processeur 80286, même si la norme a depuis été améliorée plusieurs fois.

Le disque dur intègre un contrôleur interne relié à un contrôleur de la carte mère par une nappe (PATA) ou un câble de 8 broches (SATA), ils doivent être de même type avec des compatibilités ascendantes. Par contrôleur IDE, on peut installer 2 disques appelés maître (master) et esclave (slave) via la nappe. La configuration maître / esclave se fait par des pontages sur chaque disque (ou lecteur / graveur CD et DVD). Pour les Sérial ATA, un seul disque dur par contrôleur et pas de pontage.

Les disques durs (partitions) se dénomment C:, D:, E: , … suivi par le(s) lecteur(s)/graveur(s) CD-ROM et DVD. Windows 2000, Windows XP, Vista et Seven permettent de modifier les lettres de chaque disque - partition..

10.2. Caractéristiques d'un disque dur.

Les composants d'un disque dur:

1. plateaux en aluminium superposés sur les quels une couche d'élément magnétique est déposée (généralement sous forme d'oxyde de fer).

2. un moteur de rotation pour tous les plateaux.

3. un tête de lecture / écriture par plateau: lecture et écriture des données, elle survolent à quelques microns les plateaux. Si une tête touche un plateau, il devient inutilisable.

4. Le moteur (généralement unique) pour les déplacements des têtes sur les plateaux

5. Composants électroniques de contrôle pour le transfert des données, IDE, SATA, ...

Caractéristiques:

Le Temps d'accès moyen fait référence au temps moyen pour que la tête se déplace d'un point à l'autre sur un même plateau. Si les disques durs de 1996 tournaient aux alentours de 13 ms, les standards actuels arrivent à moins de 8 ms.

La Vitesse de rotation plateaux en tour par minutes. La vitesse actuelle sont de 5400 (généralement pour PC portables) et 7200 tours selon les modèles. Des modèles pour serveurs en SCSI tournent à 10.000 ou même 15.000 tours. C'est disques sont le plus souvent ventilés.

Chaque plateau est divisé en pistes de taille variable suivant son emplacement sur le disque, plus petits vers le centre par le formatage de bas niveau à la fabrication. Chaque piste est ensuite découpée en secteurs de taille fixe (512 octets généralement).

Et enfin, le formatage de haut niveau (par exemple la la commande Format) crée des clusters dans les secteurs de taille variable suivant le type de partition et la capacité du disque dur.  Le secteur de boot est celui utilisé pour le démarrage du système d'exploitation.

La capacité taille) d'un disque dur se calcule par la formule:

Capacité nette = capacité des secteurs (normalement 512 Bytes) * nb. secteurs * nb. cylindres * nb. Têtes.

Par exemple, un Seagate 10232 possède 1245 cylindres, 63 secteurs et 255 têtes (plateaux), ce qui donne comme taille: 512*63*1245*255= 10322727645. En divisant par 1000 * 1000 * 1000 (1000 est le Kilo utilisé en hardware au lieu de 1024 utilisé en software), on obtient 10,322 GB (taille détectée par le BIOS: 10,241 GB).

10.3 Types de partitions Windows.

Avant de stocker des informations, un disque dur doit être préparé. Ils sont d'abord formater de bas niveau à la fabrication (un programme est téléchargeable sur les sites des différents fabricants (spécifique pour chaque) et permet dans certains cas de réparer des secteurs défectueux). La commande DOS FDISK permet de partitionner le disque dur, cette commande est directement intégrée dans le programme d'installation sous 2000 XP, Vista, .... Vient ensuite le formatage.

La Fat est un des type de partition avec NTFS. Elle reprend une table de matière qui reprend cluster par cluster le contenu. Elle est en version 16 depuis DOS 4.0 (début des années 90) et en FAT12 pour DOS 3.3 et inférieur.

La FAT 16 utilisée sous DOS permet des partitions de 2 GB maximum (principale et logique). La capacité de chaque secteur varie en fonction de la taille de la partition. La version VFAT (pour Virtual FAT), utilisée à partir de Windows 95 donc pas sous DOS accepte les noms longs et dépasse la limite des 8 caractères, en restant compatible avec la FAT16 standard.

La FAT 32 est utilisée à partir de Win95 OSR2 (Win95B) et n'est pas compatible avec la FAT 16. Si Win95B peut lire les FAT16, DOS ne reconnaît pas les partitions en FAT32. La taille maximum théorique est de 2 Tétra Bytes (2000 GB). En pratique, Windows 98 accepte de créer via FDIK des partitions jusque 40 GB, 60 pour Millenium. 2000, XP, ... n'autorisent de créer une partition supérieure à 32 GB.

Une partition NTFS n'est plus basée sur des clusters en fonction de la taille de la partition mais sur une table de fichier maître qui se base sur un descriptif de fichiers (emplacement, attributs, droits d'accès utilisateurs, quota d'espace pour les utilisateurs, ...)  et permet de meilleures protections des fichiers au niveau accès utilisateurs. La taille des secteurs est également fixe: 4 KB pour les partions 2000 et XP (limitée à 2 TeraByte en théorie et 256 Tera-byte pour 2003).

Windows NT 4.0 utilise des partitions NTFS limitées à 2,1 GB et lit les partitions en FAT 16 (pas les FAT32). Windows 2000, XP, Vista, ... lisent les partitions en Fat 16 et 32 et les créent avec des limitations de capacités.

En dossiers partagés réseaux, un Windows 98 a accès aux données d'un dossier partagé sur un Vista en NTFS (par exemple), c'est le serveur qui renvoie les données. Pour complément sur les types de partitions, référez-vous au cours sur les systèmes d'exploitation.

10.4. La norme IDE, E-IDE ou Ultra-IDE.

Depuis les ordinateurs AT à base de 80286, les disques durs sont de type IDE (on dit aussi PATA pour Parallel ATA). Ces PC utilisaient un contrôleur séparé inséré dans un connecteur ISA avec un taux de transfert de 4,7 MB/s maximum.

La norme IDE permet de connecter 2 disques durs (un maître - master et un esclave – slave) sur le même contrôleur via un câble de 40 fils à trois connecteurs. La capacité maximum est limitée à 540 MB (donc pas de lecteur CD-ROM).

La norme E-IDE est utilisée depuis les 486DX-4 (Quelque Pentium I étaient encore avec la précédente norme). Elle dépasse la limite des 540 MB de la norme IDE pour passer à une capacité maximum de 8.4 GB. Des disques durs supérieurs sont parfois détectés par le BIOS (suivant la carte mère), mais le formatage (ou la commande FDISK) limitent la capacité. Les évolutions suivantes vont supprimer cette limitation. Les lecteurs et graveurs CD-ROM sont acceptés

Ces disques permettent une vitesse de transfert de 10 MB/s maximum. Les capacités supérieures à 540 MB ne sont utilisables qu'en paramétrant le disque dans le BIOS en mode LBA (logical Block Addressing).

Avec l'E-IDE et normes suivantes, quatre périphériques sont acceptés via deux contrôleurs: un principal, primaire (primary) et un secondaire (secondary). Chacun accepte un disque master (maître) et un slave (esclave). Le paramétrage des disques en masters ou en slaves utilise des cavaliers à l'arrière du disque dur / lecteur/ graveur CD-DVD. Par contre, le port primaire est généralement plus rapide. Par exemple, le contrôleur UDMA 100-133 n'est généralement accessible que sur le primaire, le secondaire est limité à 66 (voire 33). Certains disques durs de nouvelle génération ne sont connectable que sur le primaire.

10.5. Modes de transfert.

Le mode PIO date des premier Pentium. C'est une mise en forme des signaux de contrôle pour l'envoi / réception des données. Permettant des débits importants (pour l'époque), il n'utilise pas le mode DMA, mobilisant beaucoup plus le processeur que les normes suivantes. Chaque disque accepte un mode PIO (Programmed Input / Output) spécifique, compatible avec les versions inférieures mais avec perte de performances. Le plus simple est d'utiliser la détection automatique du BIOS qui détecte le mode le plus élevé possible.

10.6. Les disques UDMA-33 ou ATA-33 ou ATA 4

Si les modes PIO permettent de bonnes performances, ils n'utilisent pas le DMA (Direct Memory Access), c'est le processeur qui fait finalement tout le travail de transfert des données. Apparue avec les Pentium II, la norme UDMA-33 peut charger les informations à la vitesse de 33 MB/s en mode block (en regroupant les données) sans utiliser le processeur. Il utilise les flancs montants et descendants de l'horloge à 8 Mhz sur 16 bits.

10.7. L'UDMA-66 ou Ultra ATA 66

La norme suivante date de 1999 et est identique à l'UDMA-33 mais double le taux de transfert à 66 MB/s (UDMA-66) en utilisant une fréquence de 16 Mhz (le double de l'ATA-33) sur toujours une largeur de 16 bits. Cette norme utilise une nouvelle nappe à 80 fils (mais toujours le même connecteur) en ajoutant des fils neutres pour bloquer les interférances entre les différents signaux.

Ces disques durs sont reconnus par les contrôleurs UDMA-33 avec une vitesse réduite de 33 MB/s. Un contrôleur UDMA-66 accepte aussi les périphériques UDMA-33.

10.8. ATA / 100 et ATA 133- ATA6

L'ATA 100 utilise aussi les deux flancs de l'horloge mais avec une vitesse d'horloge de 25 Mhz. La norme 133 (septembre 2001) utilise un circuit d'horloge à 33 Mhz avec un taux de transfert de 133 MB/s.

Une remarque, seuls les disques durs de marque MAXTOR acceptent généralement le mode ATA-133. De plus, les chipsets INTEL n'acceptent que le mode ATA-100.

10.9. Résumé des modes.

L'IDE utilise un bus de données sur 16 bits, 2 bytes (octets) sont transférés chaque fois.

10.10. Limitations de capacité.

Peut-on mettre n'importe quel disque dur IDE dans un PC? Pas tout à fait. Le bios limite le type de contrôleurs et selon sa date, limite la taille maximum des disques durs utilisables. Le tableau reprend les différentes limitations en fonction des dates approximatives et les causes.

A partir de juin 2001, la norme ATA / ATAPI-6 (aussi appelée Big Drive - BigLba) accepte les disques durs jusqu'à 144.000.000 GB.

10.11. Installer un disque dur IDE (ou CD-ROM)

Le paramétrage d'un disque dur en maître - esclave se fait par un pontage (jumper) à l'arrière. Le choix est souvent:

• Single ou maître: un seul disque dur ou CD/DVD en maître ou un disque en maître avec un autre en esclave

• Slave (esclave), avec un autre périphérique en master

• Cable Select, déterminer automatiquement pas le Bios, généralement utiliser avec un disque en maître.

Pour les anciens disques durs Western digital, en single, le pontage doit souvent être mis dans l'autre sens en court-circuitant les broches maître et esclaves ). Il est préférable d'utiliser le nouveau en maître pour des questions de performances mais vous devez réinstaller Windows ou à utiliser un programme de clonage tel que Ghost de Symantec.

Repérez le connecteur IDE primaire (généralement en bleu) ou secondaire (généralement en noir) sur la carte mère. Chaque contrôleur accepte 2 disques durs (ou DVD /CD-ROM, graveur, …). Sur chaque contrôleur, un disque peut être seul (master ou single), en maître (avec un deuxième disque en esclave) ou en esclave. Le disque dur principal (où est installé le système d'exploitation) doit être connecté en Master sur le contrôleur primaire pour les anciens OS.

 Branchez le câble IDE sur le contrôleur et sur le disque dur en repérant la ligne de couleur sur un côté du câble. Normalement, un détrompeur sur le connecteur empêche l'inversion (mais pas toujours). La broche 1 du contrôleur doit être raccordée sur la broche 1 du disque. Par habitude, le coté en couleur de la nappe est utilisée pour la broche 1 (notée sur la carte mère, coté du connecteur d'alimentation pour les périphériques).

Démarrez l'ordinateur. Pour les anciens BIOS, il fallait faire une auto détection (ou même plus anciens rentrer les paramètres manuellement). Actuellement, les paramètres des disques durs sont auto-détectés directement au démarrage.

En cas de problèmes de détection ou si l'ordinateur ne démarre pas avec la nouvelle configuration, vérifiez la connexion du câble IDE (correctement enfoncé, sens), notamment si le PC ne démarre pas avec la led en face avant du boîtier correspondant au disque dur qui reste allumée. Vérifiez également les pontages de chaque périphérique master – slaves, deux masters sur le même contrôleur bloquent le démarrage

10.12 Disque dur Serial ATA (S-ATA)

Le type Serial ATA date de mai 2001, mais les premiers périphériques ne sont sur le marché que depuis le deuxième trimestre 2003. Evolution du SATA en 2005, le S-ATA 2 double en théorie le taux de transfert maximum: de 150 à 300 MB/s. Les 2 versions sont compatibles entre-elles, un contrôleur SATA accepte les disques durs SATA-2 et vis versa.

Le serial ATA est un nouveau type de contrôleur. La conception interne du disque est identique à celle des PATA précédents, seule la méthode de transfert des données est modifiée, passant en mode série. les connexions parallèles ne permettent pas des vitesses très élevées, ceci est lié à la synchronisation de tous les bits de données, mais aussi à des problèmes de forme de signaux lorsque la vitesse augmente, il n'est plus parfaitement carré. Quelques lecteurs / graveurs DVD utilisent ce type de connexion, même si le taux de transfert est d'abord limité par la vitesse de lecture / écriture sur le CD.

L'interface n'est plus une nappe mais un câble de 7 fils (1 signal d'envoi et 1 signal de réception couplés à un signal différentiel et 3 masses). Chaque contrôleur est dédié à un seul disque, alors que dans l'ancienne norme, deux périphériques se partage le connecteur, réduisant les performances lors de l'utilisation simultanée des deux. Il n'y a plus de pontages à configurer comme maître / esclave puisque le disque est seul. La longueur du câble est limitée à 1 mètre (45 cm pour un ATA-133).

Les disques serial ATA sont maintenant hot plug et peuvent être connectés (ou déconnectés) avec le PC allumé à partir de Windows 2000.

On trouve dans le commerce des adaptateurs permettant de passer d'un contrôleur ATA à un disque dur S-ATA. Cette solution limite néanmoins la vitesse à 133 MB/s (ATA-133). Inversement, des adaptateurs permettent de connecter des disques durs parallèles sur des contrôleur Série. Des contrôleurs S-ATA sur des cartes PCI sont également utilisés pour connecter des SATA dans un ordinateur sans contrôleur de ce type, mais de nouveau, limitation par le bus PCI à 133 Mb/s.

Comme les disques durs SCSI, le SATA inclus le contrôle des erreurs lors des transferts en utilisant le signal différentiel (inversé). Ceci est identique dans les connexions réseaux RJ-45 sur cuivre Par contre, la norme SCSI la plus rapide permet des vitesses jusqu'à 320 MB/s mais directement entre les périphériques connectés sur le câble en mode DMA.

Deux ou quatre contrôleurs S-ATA sont accessibles sur les cartes mères, en plus d'un contrôleur ATA (deux pour les anciennes cartes mères). Généralement, le chipset accepte les modes RAID 0 et 1.

Le SATA n'est pas nativement reconnu par l'installation Windows dans la majorité des cas, principalement pour les anciens contrôleurs. Une disquette doit être crée au préalable en utilisant le CD d'installation de la carte mère. Au début de l'installation, vous devez appuyer sur la touche F6 pour installer le pilote supplémentaire, insérer la disquette lorsque le programme le demande et sélectionner votre système d'exploitation (2000, XP, 2003, Vista).

10.13 SSD

Ces disques sont interfacés en SATA (2) mais la grosse différence entre les types vus plus haut est lié à la technologie de stockage.  Plus de plateau magnétiques, ni de moteur puisque le SSD conserve les information en utilisant de la mémoire Flash (comme les mémoires des appareils photo numériques). Ceci a des avantages liés à la consommation, à la résistance aux chocs, ... mais aussi des temps d'accès nettement inférieur (entre 0,4 et 0,7 ms soit 20 fois moins qu'un disque classique) malgré des vitesses de transfert supérieures aux disques durs classiques. Les performances sont de l'ordre de deux fois supérieures en général mais largement bridés par la vitesse de transfert de 300 MByte par seconde très théorique.

Ils sont principalement utilisés dans les Netbook (pour l'autonomie) mais commencent à s'intégrer dans les serveurs (consommation et vitesse de transfert) réseaux. Leurs prix actuels ne permet pas de les utiliser dans les ordinateurs standards et notebook, même si les prix baissent.

Petits problèmes tout de même, ces mémoires flash ont un nombre limités d'écritures suivant la technologie employée: 10.000 à 100.000 (là aussi c'est théorique) et en pratique ne semble pas trop poser de problèmes, mais à tenir compte pour certaines applications, même si comme dans la technique SMART des disques standards, le contrôleur gère aussi les parties défectueuses.

10.14. La commande DOS FDISK

Cette commande est reprise sous DOS pour les systèmes d'exploitation Win95/98 et Millenium. Dans le cas de XP, 2000 et NT, elle est accessible uniquement durant l'installation avec une interface différente ou dans les outils d'administration pour des disques supplémentaires. Elle permet de créer les partitions et prépare les clusters avant la commande FORMAT et efface complètement le disque dur! L'utilisation de la commande DOS FDISK

Les partitions sont des découpages software des disques durs qui créent plusieurs disques logiques: C: pour le premier, ensuite D:, ... Les lecteurs CD prennent les lettres suivantes (sauf Win2000, XP et Vista où vous pouvez modifier les lettres de chaque périphérique ensuite via les outils d'administration du panneau de configuration).

10.15. Le block mode.

Le Block mode permet de transférer des blocs de données d'un seul coup. Dans la norme IDE, les données sont transférées 1 secteur à la fois (512 bytes). Chaque transfert nécessite une interruption. En block Mode, les données sont transférées par clusters. En Fat32, un clusters peut aller jusque 32 KB, une seule interruption est utilisée contre 64 dans le cas d'un IDE standard. Par contre, ce système peut poser quelques problèmes de stabilité du système d'exploitation pour les anciens modèles.

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