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

1. Caractéristiques d'un disque dur - 2. Types de partitions Windows - 3. Norme IDE, E-IDE - 4. Modes de transfert PIO - 5. Disques UDMA-33 - ATA-33 - ATA4 - UDMA-66 ou Ultra-66 - ATA-100 et ATA-133 - 6. Résumé des modes - 7. Limitation de capacité - 8. Installation d'un disque dur IDE - 9. Serial ATA, S-ATA 2 - 10. SSD (State State disk) - 11. Block mode

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

Le disque dur intègre un contrôleur interne relié à un contrôleur de la carte mère par une nappe (ATA - 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 (ou les partitions) se dénomment C:, D:, E: , … suivi par le(s) lecteur(s)/graveur(s) CD-ROM et DVD. Windows 2000, XP, Vista, Seven, 8 et 10 permettent de modifier les lettres de chaque disque - partition par les outils d'administration.

1. Caractéristiques d'un disque dur.

Les composants d'un disque dur:

  1. plateaux superposés en aluminium. Chacun est recouvert sur la face supérieure d'une couche d'éléments magnétiques (généralement de l'oxyde de fer).

  2. un moteur pour la rotation de tous les plateaux (ils tournent donc simultanément à vitesse constante).

  3. une tête de lecture / écriture séparée pour chaque plateau: chaque tête survole son propre plateau à une distance de quelques microns. Si la tête touche le plateau, elle le griffe, le rendant inutilisable.

  4. Le deuxième moteur (généralement un seul) pour les déplacements des têtes parallèlement aux plateaux.

  5. Composants électroniques pour le transfert des données (contrôleur).

Caractéristiques:

Le temps d'accès moyen donne le temps moyen utilisé par une tête pour se déplacer d'un point à l'autre sur un plateau. En 1996, il vallait 13 ms, les modèles actuels prennent moins de 8 ms.

La Vitesse de rotation des plateaux exprimée en tours par minutes. La vitesse varient : 5400 pour certains modèles dédiés aux PC portables et 7200 tours pour la majorité. Quelques modèles en SCSI et SAS atteignent à 10.000 et même 15.000 tours, avec souvent une ventillation.

Chaque plateau est divisé en pistes de tailles variables suivant leur emplacement: plus petits vers le centre par rapport à l'extérieur. Ces pistes sont créées par le formatage de bas niveau. Chaque piste est ensuite découpée en secteurs avec des tailles fixes (512 octets généralement) au formatage par Windows. Le secteur de boot est celui utilisé pour le démarrage du système d'exploitation.

En dernier, le formatage de haut niveau (par exemple la commande Format) crée des clusters dans les secteurs. Leur taille variable en fonction du type de partition et la capacité du disque dur.

La capacité 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 (capacité détectée par le BIOS: 10,241 GB).

2. Types de partitions Windows.

Avant de stocker les informations, le disque dur doit d'abord être formaté en bas niveau à la fabrication (quelques fabricants proposent sur leur site un logiciel spécifique à leurs modèles pour effectuer cette opération, ce qui permet parfois de réparer les secteurs défectueux). La commande DOS FDISK (anciennes versions de Windows), lors de l'installation de Windows ou dans les outils d'administration  permettent de partitionner le disque dur. La dernière commande est formatage des partitions.

FAT et NTFS sont les deux types de partitions les plus courants. FAT est une table de matière qui reprend le contenu du disque dur cluster par cluster. Elle est en version 16 depuis DOS 4.0 (début des années 90) et en FAT12 pour le DOS 3.3 et inférieur.

La FAT 16 permet des partitions principale ou logiques de 2 GB maximum. La capacité de chaque cluster varie en fonction de la taille de la partition. La VFAT (pour Virtual FAT), utilisée à partir de Windows 95 accepte les noms longs en dépassant la limite des 8 caractères, tout en restant compatible avec la version précédante.

La FAT 32 est utilisée par Win95 OSR2 (Win95B) et est incompatible avec la FAT 16. Si Win95B peut lire les FAT16, DOS ne reconnaît pas celles 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. Actuellement, ce type est encore utilisé uniquement pour les clés mémoires USB.

Une partition NTFS n'est pas basée sur des clusters de tailles variables en fonction de celle de la partition mais sur une table de fichier maître qui reprend un descriptif de fichiers (emplacement, attributs, droits d'accès des utilisateurs, quota maximum d'espace par utilisateur, ...). Elle permet une meilleure protection des fichiers au niveau des accès utilisateurs. La taille des clusteurs est fixe: 4 KB pour les partions créées sous 2000 et XP (limitée à 2 TeraByte en théorie et 256 Tera-byte pour 2003).

Windows NT 4.0 utilise des partitions NTFS de 2,1 GB maximum et lit les partitions en FAT 16 (pas les FAT32). Pour les dossiers partagés en réseaux réseaux, un PC sous Windows 98 a accès aux données partagées sur un autre ordinateur qui utilise NTFS, c'est le système d'exploitation qui permet le partage qui revoie les données. Pour complément sur les types de partitions, référez-vous au cours sur les systèmes d'exploitation.

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

A partir des AT à base de 80286, l'interface utilisée est de type IDE (aussi appelés PATA pour Parallel ATA). Un contrôleur spécifique est implanté sur une carte électronique insérée dans un connecteur ISA: le taux de transferts est donc de 4,7 MB/s maximum. Un contrôleur IDE permet la connection de deux disques durs (un maître - master et un esclave – slave) en utilisant un câble de 40 fils à trois connecteurs. IDE limite la capacité à 540 MB (pas de lecteur CD-ROM qui est de 640 MB).

Cette norme a évoluée vers l'E-IDE à partir des 486DX-4 (Quelques Pentium I utilisaient IDE). La capacité maximum passe à 8,4 GB (les lecteurs et graveurs CD-ROM sont maintenant recconnus). Des disques durs de taille supérieur étaient parfois détectés par le BIOS (suivant la carte mère), mais FORMAT ET FDISK limitent la capacité.La vitesse de transfert passe à 10 MB/s maximum. Pour utiliser des capacités supérieures à 540 MB, le BIOS doit être configuré en mode LBA (logical Block Addressing). Le nombre de contrôleur passe à deux - un primaire et un secondaire - (connecté sur une carte en VLB pour les 486 et directement sur la carte mère pour les suivants), soit 4 périphériques possibles. Chaque contrôleur accepte un disque master (maître) et un slave (esclave). La configuration utilise des cavaliers à l'arrière du disque dur / lecteur/ graveur CD-DVD. Le port primaire est généralement plus rapide. Par exemple, le contrôleur UDMA 100-133 (ultra-IDE) n'est souvent intégré que sur le primaire, le secondaire est limité à 66 (voire 33).

4. Modes de transfert.

Le mode PIO est utilisé par les premiers Pentium. C'est une mise en forme des signaux de contrôle pour l'envoi / réception qui permet des débits importants (pour l'époque). Il n'utilise pas le Direct Memory Access (DMA), utilisant beaucoup plus le processeur pour les transferts que les normes suivantes. Chaque disque dur utilise un mode PIO (Programmed Input / Output) spécifique mais accepte les configurations inférieures avec des pertes de performances. La détection automatique du BIOS détecte le mode le plus élevé possible.

Version Mode PIO Vitesse maximum (MB par seconde)
ATA-0 Mode 0 3,3
ATA-1 Mode 1 5,2
ATA-1 Mode 2 8,3
ATA-2 Mode 3 11,1
ATA-3 Mode 4 16,7
ATA-4, UDMA-33 Ultra DMA 33,6

5. Les disques UDMA-33 ou ATA-33 ou ATA 4 - UDMA-66 ou Ultra ATA 66 - ATA / 100 et ATA 133- ATA6

Si les modes PIO permettent de bonnes performances, ils n'acceptent pas le DMA. C'est le processeur qui s'occupait finalement de tout le transfert des données (ralentissant l'ordinateur). Avec la norme UDMA-33 implantée utilisée à partir des Pentium II, le transfert est augmenté à 33 MB/s en mode block (en regroupant les données) et en DMA. Le transfert utilise les flancs montants et descendants de l'horloge (2 transfert par cycle) à 8 Mhz sur 16 bits.

L'UDMA-66 (1999) est identique à l'UDMA-33 mais double le taux de transfert à 66 Mo/s en utilisant une fréquence de 16 Mhz (double de l'ATA-33) sur toujours un bus de 16 bits. La nappe est modifiée et passe à 80 fils (mais toujours le même connecteur 40 pins) en ajoutant des fils neutres pour réduire les interférances entre les différents signaux.

Ces disques durs sont reconnus par un contrôleur UDMA-33 (transferts limités à 33 MB/s), les contrôleurs UDMA-66 acceptent aussi les périphériques ATA-33.

L'ATA 100 utilise toujours les deux flancs de l'horloge en augmentant la vitesse d'horloge à 25 Mhz. La norme 133 de septembre 2001, augmente la fréquence du circuit d'horloge à 33 Mhz, le taux de transfert atteint 133 MB/s.

Remarque: seul la marque MAXTOR a réellement fabriqué des disques durs en mode ATA-133. INTEL n'acceptent que le mode ATA-100 pour ses chipsets (à l'époque, cette firme développait le SATA).

6. Résumé des modes.

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

Mode Période horloge Compteur / temps (ns) horloge Taux de transfert
PIO 0 30 ns 20 / 600 (1/600 ns) X 2 octets = 3,3 MB /s
PIO 1 30 ns 13 / 383 (1/383 ns) X 2 octets= 5,2 MB /s
PIO 2 30 ns 8 / 240 (1/240 ns) X 2 octets = 8,3 MB /s
PIO 3 30 ns 6 / 180 (1/180 ns) X 2 octets = 11,1 MB /s
PIO 4 30 ns 4 / 120 (1/120 ns) X 2 octets = 16,6 MB /s
DMA Mode 0 30 ns 16 / 480 (1 / 480 ns) X 2 octets = 4,16 MB /s
DMA Mode 1 30 ns 5 / 150 (1/150 ns) X 2 octets = 13,3 MB /s
DMA Mode 2 30 ns 4 / 120 (1/120 ns) X 2 octets = 16,6 MB /s
UDMA 33 30 ns 4 / 120 (1 /120 ns) X 2 octets X 2 = 33 MB /s
UDMA 66 30 ns 2 / 60 (1 /60 ns) X 2 octets X 2 = 66 MB /s
UDMA 100 20 ns 2 / 40 (1 /40 ns) X 2 octets X 2 = 100 MB /s
UDMA 133 20 ns 2 / 30 (1 /30 ns) X 2 octets X 2 = 133 MB /s

7. Limitations de capacité.

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

BIOS antérieur à Limitation de capacité  
Août 1994 528 MB anciens disques IDE
Février 1996 2,1 GB
  • limite du BIOS
  • taille maximum des partitions NFTS de Win NT, partitions FAT16 et VFAT (y compris Windows 95 première édition)
  • chipset Intel pour Pentium I, à partir du 430FX
  3,27 GB BIOS
Janvier 1998 8,4 GB E-IDE, BIOS mais également en FAT16 et VFAT, limite des disques physiques.
Juin 1999 32 GB UDMA-33, taille
  64 GB FDISK de Win 98 (pas le formatage si la partition est crée avec Millenium mais dans ce cas, Millenium n'accepte pas de créer des partitions étendues pour ces disques
Fin 2001 120 GB, sous Windows (137 GB)
  • Limite de Bios (le flashage du BIOS permet parfois de corriger)
  • systèmes d'exploitation (à partir de Windows 2000 SP3 et XP Sp1, activer BigLba dans la base de registre). Des utilitaires à télécharger sur le site du fabricant du disque permettent aussi de les dépasser.
2011 2,2TB Remplacement des partitions MBR par des partitions GPT avec les Bios de type UEFI

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

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

Pour les anciens disques durs Western digital, en simple, le pontage doit généralement être placé dans l'autre sens en court-circuitant les broches maître et esclaves). Le contrôleur privilégie le disque dur en maître au niveau trannsferts: il est préférable de mettre le disque dur le plus rapide en premier mais les anciens systèmes d'exploitation doivent être installés aussi sur le maître.

Repérez le contrôleur IDE primaire (généralement de couleur bleu) ou secondaire (généralement en noir) sur la carte mère.

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).

Ensuite, démarrez l'ordinateur. Pour les anciens BIOS, il fallait faire une auto détection (ou entrer les paramètres manuellement pour les très anciens). Actuellement, les modes et paramètres des disques durs sont auto-détectés 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.

9. Normes Serial ATA (S-ATA)

Le serial ATA est le type de contrôleur utilisé actuellement. Les composants internes des périphériques sont identiques à ceux utilisés dans les normes parallèles, mais la méthode de transfert est modifiée, passant en mode série. Les transferts en parallèles utilisent plusieurs fils simultanément. A partir d'une certaine fréquence, les signaux sont déformés au niveau des flancs (plus tout à fait carrés) et ne sont plus tout à fait synchronisés entre les différentes lignes de connections.

Le Serial ATA date de mai 2001, même si les premiers disques durs sont arrivés seulementdurant le deuxième trimestre 2003. En 2005, le S-ATA 2 double théoriquement le taux de transfert maximum: de 150 à 300 MO/s. Les 2 normes sont compatibles entre-elles, un contrôleur SATA accepte les disques durs SATA-2 et vis versa. En 2009, pour la troisième version SATA3, le débit pratique maximum passe à 600 MB/s (nécessaire pour gérer les derniers disques durs SSD mais trop rapide pour les disques standards). Les câbles sont les mêmes et le mélange de contrôleur - disques de versions différentes est possible avec des pertes de débits.

Le câble utilise 7 fils (1 pour l'envoi et 1 pour la réception couplés à un signal différentiel et 3 fils de masses). Chaque contrôleur est dédié à un seul disque dur ou lecteur / graveur contrairement aux normes parallèles qui partagent la bande passante lors de l'utilisation simultanée de deux périphériques. Il n'y a plus de pontages à configurer. La longueur du câble est de 1 mètre maximum (45 cm pour un ATA-133).

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

On trouvait des adaptateurs permettant de connecter un un disque SATA à contrôleur ATA. Cette solution limite la vitesse à 100 - 133 MB/s (ATA-100 ou 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 disponibles, mais avec la limitation par le bus PCI à 133 Mb/s.

Comme les disques durs SCSI, le SATA intègre le contrôle des erreurs de 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 toujours reconnu par Windows lors de l'installation pour les anciennes versions (plus à partir de Windows 7), 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). Une autre solution est de vérifier la configuration des contrôleur SATA dans le BIOS et de les paramétrer en ATA: c'est une émulation hardware.

10. SSD (Solid State Drive)

Ces disques sont interfacés en SATA (2 ou 3) mais la grosse différence avec les types vus plus haut est lié à la technologie de stockage. Plus de plateaux magnétiques, ni de moteur puisque le SSD utilise 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 dur classique). Globalement, les performances sont deux fois supérieures mais bridés en pratique par la vitesse de transfert de 300 Moctets/s très théorique du SATA-2, équivalent au SATA-3. Quelques modèles sont directement reliés en PCI-Express avec un connecteur spécifique directemebt soudé sur la carte mère.

Petit problème, ces mémoires flash ont un nombre limité d'écritures suivant la technologie utilisée: 10.000 à 100.000 (ici aussi c'est théorique). En pratique, celà pose pas réellement de problèmes puisque le contrôleur interne répartit les données sur l'ensemble du disque et plus à partir du début dans les emplacement libres. Les données sont plus fragmentées mais compensé par le faible temps d'accès (défragmentater est inutile et déconseillé). Ceci est à tenir compte pour certaines applications, même si comme dans la technique SMART configrable dans le BIOS des disques standards, le contrôleur gère aussi les parties défectueuses.

Ils sont principalement utilisés dans les Netbook (pour l'autonomie) et s'intégrent progressivement dans les serveurs réseaux et PC de gamers (consommation et vitesse de transfert). Attention, ces disques sont souvent directement coudés sur la carte mère, plus de connecteur d'interface, donc irremplaçables.

11. 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 cluster 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.

Sur le sujet:

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