Conservatoire national des arts et métiers
Architectures des systèmes informatiques
CHAPITRE 6
Mémoires de masse
Année 2002-2003

6.0 PRÉSENTATION ET CONTENU

Allant de l'intérieur vers l'extérieur de l'ordinateur, après les caches et la mémoire centrale câblée sont les mémoires externes dites aussi mémoires de masse dont une contient la mémoire virtuelle éventuelle.
Les mémoires de masse, très différentes les unes des autres, sont habituellement réparties en trois classes.

Les mémoires de masse primaires sont attachées à l'ordinateur. L'accès aux données est de type bloc à accès direct (random access). Ce sont les disques magnétiques. Les disques dits virtuels en mémoire centrale dont l'utilisation a fortement décru, font partie de ce groupe.

Les mémoires de masse secondaires sont amovibles. L'accès aux données est le même que celui des précédentes. Ce sont les disques amovibles magnétiques et optiques et les disquettes.

Le mémoires de masse de sauvegarde sont amovibles. L'accès aux données est séquentiel. Les bandes magnétiques sont l'exemple le plus connu.

Nous examinons dans la suite les seules mémoires de masse primaires.

Ce chapitre contient :

• un panorama des techniques de stockage;
• un développement sur la technique des disques magnétiques et la gestion des fichiers sur ces supports;
• les techniques d'accès, bus de disques;
• quelques mots sur les disques optiques;
• quelques mots sur les PcCard, anciennement PCMCIA;
• une conclusion;
• un développement relatif aux réseaux de disques RAID;
• les extensions aux systèmes de stockage.

6.1 PANORAMA DES TECHNIQUES DE STOCKAGE en 1997

Donnons d'abord quelques exemples de quantités de données :
..œuvres complètes de Victor Hugo,          60 millions d'octets;
..annuaire téléphonique de Paris,           55 millions d'octets;
..annuaire téléphonique national,          600 millions d'octets;
..un volume de la collection de la pléiade,  3 millions d'octets;
..une grande encyclopédie, hors figures et photographies environ 500 millions d'octets, le texte complet de l'Encyclopædia Universalis tient sur un CD-ROM.Les indications ci-dessous ne sont que des ordres de grandeur qui devraient être et ne sont pas actualisées fréquemment.

Technique	Capacité		Prix en F. du lecteur		Fournisseurs			Observations
Magnétique
Disquette	1,44 Mo		200-300		Teac, Mitsumi, etc.			Insuffisant
Disquette haute densité	100-250 Mo		1000		Ioméga, Imation, Sony, Fujitsu			Pas de standard
Disque fixe	10-300 Go		1000-5000		Seagate, Quantum, Western digital
Disque amovible	135 Mo-8 Go		1500-3000		Syquest, Ioméga			cartouche normalisée
Bande en cartouche	jusqu'à 50 Go		jusqu'à 400000 F		IBM Philips			pas de standard
Optique 12 cm
CD-Rom	650 Mo		1000		asiatiques			normalisé lecture seule
CD-R	650 Mo		2500		Philips, asiatiques			inscriptible 1 fois
CD-RW	650 Mo		4000		Philips, Sony, Ricoh			effaçable
DVD-Rom	4,7 Go		2500		Philips, asiatiques			normalisé, images seules
DVD-R	3,5 Go		N.D.		Pioneer
DVD-Ram	2,7 Go		N.D.		Toshiba, Matsushita
DVD-RW	3 Go		N.D.		Philips, Sony
Optique autres tailles
2,5 pouces	230-650 Mo		2500-3500		Philips, Yamaha, Olympus, Fujitsu			magnéto-optique
5,25 pouces	2,6 Go		10000		Hitachi, Maxoptic			magnéto-optique
12 pouces	>15 Go		200 000		Philips ATG			inscriptible une fois

DVD (CD-ROM à laser orange) : 4,5 Go, 9 Go en double face.
Bande d'«optical paper» : 2 To.
Disque magnéto-optique à venir : 60 Go et plus.

6.2 LES DISQUES MAGNÉTIQUES

En 1956, IBM a produit le premier disque nommé IBM 305 ou RAMAC pour «random access method of accounting and control» déjà cité, cette dénomination est toujours utilisée pour des systèmes de disques par le même constructeur. Le disque magnétique a été nommé DASD pour «direct access storage device», dans ses débuts. L'expression disque dur est arrivée plus tard pour les distinguer des disques souples ou disquettes, «floppy disks».

Le tableau ci-dessous donne l'évolution des différentes densités chez un même constructeur de 1957 à 1981. La densité de surface a été multipliée par 6000 en 24 ans. Elle atteint aujourd'hui 8 Gbits/cm².

Densités de stockage de quelques disques anciens d'IBM

Année	Nom	Densité de surface Mbit/cm²	Densité linéaire bits/cm	Densité des pistes piste/cm
1957	IBM 350	0,013	253	51
1961	IBM 140	0,058	557	102
1962	IBM 1301	0,017	1316	126
1963	IBM 1311	0,033	2593	126
1966	IBM 2314	1,41	5566	523
1971	IBM 3330	4,99	10220	486
1973	IBM 3340	10,8	14260	760
1976	IBM 3350	19,6	16255	1210
1979	IBM 3370	49,9	30700	1606
1981	IBM 3380	76,8	37950	2026

On estime que dans les années à venir comme dans les années passées, les disques magnétiques gagneront 15% par an en performances temporelles alors que les processeurs progresseront de 50%.

Les consommations électriques courantes ont évolué comme suit :

Année	Consommation	Tension
1980	25 W	12 V
1984	20 W	12 V
1987	15 W	12 V
1989	10 W	12 V et 5 V
1991	02 W	5 V
1994	01,3 W	3,3 V

L'évolution de la consommation inclut les économies réalisées par les mises en veille.

Évolution des prix de quelques disques Winchester

6.2.1 Principe de fonctionnement et organisation physique des disques dits Winchester

Le boitier contient :.les plateaux, médium rigide, couramment jusqu'à une dizaine, solidaires par un axe commun;
.le moteur d'entraînement;
.le chariot porte têtes et les têtes de lecture et d'écriture;
.la carte de commande qui régule la rotation, commande le chariot et code et décode les données, à distinguer de la «carte contrôleur» attachée au bus qui gère le bus d'accès au(x) disque(s).

Un plateau, disque longtemps fait d'un alliage d'aluminium et de magnésium ou en verre simple ou composite, couvert de couches métalliques. Les plateaux sont montés sur un même axe, couramment 3 (IBM Deskstar) à 10 (Seagate Barracuda).
Le plateau est d'abord recouvert d'une couche de nickel de 15 µm d'épaisseur, puis d'une couche de phosphore-cobalt ou de phosphore-nickel-cobalt magnétique de moins de 0,1 µm d'épaisseur. Le dépôt est fait par électrlyse ou par phase vapeur.La planéité exigée est de moins de 0,012 µm. Le dépôt de particules d'oxyde de fer avec un liant est abandonné.

Le moteur entraîne les plateaux par leur axe commun. Sa vitesse de rotation est constante. Elle fut longtemps de 3600 t/min, entre 3560 à 3590 t/min. On observe 5400, 6400, 7200 et 10000 t/min. Le disque Cheetah X15 UltraScsi, 18 Go, de Seagate tournait à 15000 t/min en 2000.

Les têtes de lecture et écriture à raison d'une par face de plateau, sont portées chacune par un bras souple dont la géométrie est étudiée pour réduire les effets de roulis et de tangage de la tête. Les bras sont entraînés par un chariot porte têtes commun. La tête est profilée pour voler à la surface du plateau sur un coussin d'air à une distance de 0,25 µm environ. Ce coussin, produit par l'effet d'entraînement du plateau tournant dans une atmosphère raréfiée et épurée est l'essentiel de la technique dite Winchester apparue en 1971.

La partie utile de la tête est un film mince sur substrat de verre. Du permalloy, matériau magnétique, y est déposé en spires formant bobine. Le dépôt est fait par masquage selon une technique analogue à celle de la fabrication des circuits intégrés. Cette tête peut distinguer 800 pistes par cm et 8000 transitions magnétiques par cm linéaire de piste. La technique du tore de ferrite enrobé dans un matériau composite à base de céramique est abandonnée.

L'écriture est faite en appliquant un courant à la bobine. La variation de courant crée un champ magnétique qui impose une orientation aux domaines du matériau magnétique. C'est une application directe de la loi de Lenz.

La lecture est faite selon deux procédés, inductif ou magnéto-résistif auxquels correspondent deux organes de lecture.

• La lecture inductive utilise le phénomène inverse de celui de l'écriture. La variation du champ magnétique émis par le matériau crée une tension dans la bobine et donc un courant qui est détecté (forme réciproque de la loi de Lenz).
• La lecture magnéto-résistive a été présentée par IBM en 1991 sous le nom de MER (magneto-resistive) puis en 1997 MGR (giant magneto-resistive). Elle est faite avec un matériau dont la conductivité électrique varie avec le champ magnétique dans lequel est le matériau. Un courant électrique est injecté en permanence dans la tête. Un changement d'orientation du domaine magnétique modifie sa conductivité et donc sa résistance. La tension aux bornes du matériau (V=RI) est détectée. On attend des densités d'enregistrement de 7 Gbits/cm² en 2004.

Mais où est la bonne piste ? Le pistes ont un numéro d'ordre induit par le parcours des têtes lors du formatage initial. Cet ordre a trois réalisations.

L'ordre vertical : les enregistrement sont faits sur les pistes successives d'un même cylindre de tête en tête, puis sur le cylindre suivant, plus intérieur d'une unité que le précédent.

L'allure des courbes de débit et de temps d'accès moyen est :

L'ordre horizontal : toutes les pistes d'une même face d'un plateau sont parcourues avant de passer à la face suivante puis au plateau suivant.

L'allure des courbes de débit et de temps d'accès moyen est :

Les autres ordres : combinent le vertical et l'horizontal, par exemple :

Les courbes de temps d'accès et de débit n'ont pas d'allure générale typique.

Le placement sur la piste

Un moteur pas-à-pas déplaçait les têtes sur un rayon de la pile de plateaux. Aujourd'hui, le bras est en rotation autour d'un axe parallèle à celui des plateaux. Une bobine commandée en courant et maintenue immergée dans un aimant permanent (dit «voice coil») commande cette rotation. Le placement des têtes sur un cylindre est fait par asservissement comme suit : une ou la tête lit un enregistrement particulier nommé cale, la différence entre la meilleure position de la ou des têtes et la position en cours est calculée et l'angle du chariot porte têtes est modufié. Les cales sont logées :

• toutes sur un même plateau réservé à cet usage, c'est une tête particulière qui lit les cales; ses pistes sont enregistrées pendant le formatage, la tête de ce plateau suit ces pistes et fixe ainsi la position des autres têtes;
• entre les secteurs successifs de chaque piste; la tête courante lit les cales.

CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES PRINCIPALES D'UN DISQUE :

Nombre de plateaux;
Nombre de têtes ou de faces;
Nombre de tours par minute;
Nombre de pistes par face;
Nombre de secteurs par piste;
Temps d'accès moyen, parcours de la moitié des deux tiers du disque;
Temps d'accès de piste à piste;
Nombre de secteurs d'une piste lus en une rotation;
Densité linéaire de bits sur une piste;
Taille du cache.

L'adressage des secteurs était depuis l'origine organisé par cylindre/tête/secteur, CHS pour «cylinder/head/sector». Un mode nouveau pour les PC est l'adressage logique par bloc, LBA pour «logical block addressing». Il utilise un nombre unique pour repérer les secteurs de façon consécutive. Ce mode a été introduit pour l'accès de type IDE au format ATA-2. Il est commun dans la norme SCSI. Un numéro composite CHS et un numéro LBA se transforment réciproquement par :LBA= (N° de secteur-1) + (N° de tête * Nbre secteurs) + (N° de cylindre * (Nbre de têtes+1)* Nbre total de secteurs).et
N° de secteur   = ((reste de LBA/nombre total de secteurs) +1)
Cylindre-tête   = (dividende de LBA/nombre total de secteurs)
N° de cylindre  = (dividende de cylindre-tête/(Nbre total de têtes + 1))
N° de tête      = (reste de cylindre-tête/(Nbre total de têtes + 1))