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

Suite N°3...

6.3.4 Les temps d'accès aux disques

La performance d'un système informatique dépend, entre autres, de celle du sous système de stockage qui peut être caractérisé par le temps d'accès et par le taux de transfert de données.
Le temps d'accès en lecture est la somme des temps des processus successifs suivants :

• la consommation d'unité centrale, exécution de la requête du système d'exploitation;
• le temps de positionnement «seek time» pour amener les têtes à la position voulue. Il est exprimé en temps de positionnement moyen sous les hypothèses d'un disque rempli aux deux tiers et d'un parcours moyen de la moitié de cette distance comptée à partir de la piste la plus extérieure;
• le temps d'immobilisation «settling time» pour immobiliser la tête de lecture qui arrive à sa position avec une certaine vitesse et asservir sa position à la piste. Ce temps d'immobilisation est parfois inclus dans le temps de positionnement;
• la latence ou temps de latence «latency time» pour que le bloc d'information demandé soit présent sous la tête. On retient un temps moyen, celui d'une demi rotation du disque. À 7200 t/min le temps de latence est 4,17 ms.

Plus le taux de transfert d'un disque est élevé, plus petit est le temps de transfert. Plus petit est le temps de transfert global, plus rapide peut être le système. C'est particulièrement vrai pour les systèmes d'exploitation mono-tâches. Les tableaux de comparaison entre taux de transfert supposent en général que les autres conditions sont réalisées : la tête est en position, un cylindre entier est lisible, etc. La taille des blocs ou nombre d'octets par secteur influence aussi le taux de transfert. Cependant, un formatage en secteurs longs n'est pas compatible avec tous les systèmes d'exploitation et n'est pas justifié pour toutes les applications. Plus la taille des fichiers fréquemment lus ou écrits sur le disque est petite, plus la taille de secteur devrait être réduite (exemple : fichiers systèmes d'Unix). Plus la taille des fichiers est importante, plus la taille de secteur devrait être grande (pour des images,des vidéos). L'utilisateur peut fractionner son disque physique de grande taille en disques logiques qu'il spécialisera pour de telles données.

Comme une mémoire tampon ou antémémoire ou cache est toujours montée dans les lecteurs, les taux de transfert relevés par les outils de test sont souvent les taux de transfert entre le cache du disque et l'adaptateur. Le taux de transfert de la surface du disque vers le cache est beaucoup plus faible.

6.3.5 Les caches de disques

Pour améliorer les performances, on a installé à des caches. Ils ressemblent fortement aux caches des processeurs. Ici, le mot ligne est remplacé par le mot segment. Un segment contient des secteurs successifs comme la ligne contient des mots successifs. Le cache masque ici les délais mécaniques.
Deux fonctionnements typiques en lecture :

• le cache lu «read-cache», si le bloc est trouvé dans le cache, il est transféré, sinon il est lu sur le disque, placé sur le cache avec son adresse puis transféré;
• le cache à anticipation «read-ahead-cache», lors de l'accès en lecture à un bloc, le contrôleur charge dans le cache le bloc demandé et plusieurs des blocs suivants.

• l'écriture directe sur le disque «write-through», sans observation;
• l'écriture différée «write-back-cache», les blocs à écrire sont enregistrés dans le cache. L'écriture sur le disque sera faite ultérieurement. La décision d'écriture est prise soit en cas de manque de place dans le cache soit à la fermeture du fichier.

NOTES complémentaires :

1. les alinéas précédents concernent les caches inclus et gérés par le contrôleur du disque; de nombreux systèmes d'exploitation (Windows NT, NetWare, Unix et OS/2 par exemple) gèrent un deuxième étage de caches en mémoire centrale;
2. les systèmes d'exploitation ou des programmes additionnels peuvent créer et gérer des disques virtuels en mémoire centrale, leurs performances sont largement plus grandes que celles des disques physiques.

1997 : Western Digital met sur le marché le «Enterprise WDE9100 Ultra SCSI» de 9.1 Go. Il a 9 cm (3,5 pouces) de large et 2,5 cm d'épaisseur. Il consomme 20% moins de courant électrique que les disques de 4,2 cm (1,6 pouce) d'épaisseur. Sa vitesse de transfert des données est de 160 Mo/s, son temps moyen d'accès aux données est de 8 ms ou moins et sa vitesse de rotation est de 7 200 t/min. Le lecteur a une mémoire tampon de 512 Ko qu'on peut augmenter à 1 Mo.

Quelques semaines plus tard, IBM reprend la tête avec le Deskstar 16GP à têtes magnétorésistives qui stocke 16,8 Go.

On trouvera plus loin la technique de mise en grappe des disques connue sous le nom de RAID.

6.3.7 Trois disques en 2003

Au début de 2003, Western Digital propose deux disques WD1200BB et WD1200JB et IBM-Hitachi propose un disque Deskstar 120GXP. Tous les trois sont comparables. Voici un tableau récapitulatif des grandes caractéristiques de ces disques :
 

Caractéristique	IBM 120GXP	WD 1200BB	WD 1200JB
Vitesse de rotation	7200 t/mn	7200 t/mn	7200 t/mn
Interface	ATA-100	ATA-100	ATA-100
Capacité théorique	120 Go	120 Go	120 Go
Nombre de plateaux	3	3	3
Capacité par plateau	40 Go	40 Go	40 Go
Taille du cache	2 Mo	2 Mo	8 Mo
Débit théorique (hors cache)	74 Mo/s	75,25 Mo/s	75,25 Mo
Temps de latence moyen	4,2 ms	4,2 ms	4,2 ms
Temps d'accès moyen	8,5 ms	8,9 ms	8,9 ms
Temps d'accès piste à piste	1,2 ms	2,0 ms	2,0 ms
Taux d'erreur	10-13	<10-14	<10-14
Nombre de cycles marche-arrêt	40 000	50 000	50 000
Choc à l'arrêt accepté	250 g, 2 ms	200 g, 2 ms	200 g, 2 ms

Les autres fabricants comme Maxtor et Seagate proposent eux aussi des disques tournant à 4200 t/mn.

6.4 LES DISQUES OPTIQUES

6.4.1 Généalogie simplifiée

6.4.2 Caractéristiques générales par rapport aux supports magnétiques

Une très grande densité d'information, couramment de 20 à 50 Mbits/cm², soit un ordre de grandeur au dessus de la densité des supports magnétiques.
Une plus grande pérennité du contenu. On l'estime supérieure à plusieurs dizaines d'années.
Une grande robustesse, par l'insensibilité à l'ambiance radio électrique, comme au fait qu'il n'y a pas de risque d'atterrissage intempestif de tête sur le support.
Une meilleure fiabilité, estimée à 10^-12 au lieu de 10^-9.
En corollaire de la densité, un coût du bit conservé plus faible.
En conséquence, ils ont d'autres marchés comme le stockage de la voix et des images fixes ou animées, dont les volumes unitaires sans compression sont des ordres suivants :

  8 Ko par seconde de parole,
130 Ko par seconde de son stéréophonique,
 60 Ko par page A4 numérisée,
700 Ko par image couleur fixe,
  4 Mo par seconde de télévision couleur.

L'annexe asi021 contient un développement sur les disques à lecture optique.

6.5 LES PÉRIPHÉRIQUES PC CARD, anciennement PCMCIA, à ne pas confondre avec les «Smartcards».

L'association «Personal computer memory card international association» groupe des fabricants d'électronique comme AMD, Intel, Motorola, AT&T, Microelectronics et des éditeurs de logiciels.

Autant il est relativement simple d'ajouter un périphérique dans un micro ordinateur de bureau qui dispose de positions d'extension sur le bus, autant le volume minimal des ordinateurs portables ne laisse pas cette possibilité. Les normes PCMCIA de 1989 à 1992, PC Card depuis 1995 régissent des périphériques de la taille d'une carte de payement enfichables sur un connecteur spécial unique.

PCMCIA Type III novembre 1992

Longueur en mm	86	86		86
Largeur en mm	54	54		54
Épaisseur en mm	3,3	5,0		10,5
Connecteurs (nombre)	68	68		68
Bus adresses	26	26		26
Bus données	8 ou 16	8 ou 16		8 ou 16
Alimentation Volts	5	3,3		5
Utilisations	mémoire	modem, réseau		disque

Les cartes des types ultérieurs sont utilisables sur les connecteurs antérieurs. Comme pour tous les périphériques, le BIOS doit contenir les tâches nécessaires à leur gestion. Les PC Cartes répertoriées par le BIOS sont gérées correctement. Si elles n'y figurent pas, un programme pilote doit être chargé. Les portables récents sont souvent livrés avec quelques dizaines de ces programmes. La question est simple pour les périphériques normalisés comme les cartes Ethernet (en général au format d'Intel), les modems compatibles Hayes, les disques, les mémoires flash et l'entrée vidéo.

On trouvera ailleurs l'évolution de la normalisation et la bibliographie.

6.6 QUELQUES PERSPECTIVES SUR LES DISQUES

Il ne s'agit que de quelques évolutions possibles. Nous avons vu plus haut des éléments de substitution technique :

• passage de la tête de lecture et écriture torique au film mince;
• passage de la lecture par induction directe à la lecture magnéto-résistive.

Le premier fait technique est la mise en service de la méthode de détection par maximum de vraisemblance sur réponse partielle PRML pour «partial response maximum likelihood» par Cirrus logic, IBM et Adaptec. Elle a été inaugurée pour la première fois dans les communications à très grande distance de la sonde interplanétaire Viking. Très succinctement, il s'agit d'améliorer la détection par seuil par la prise en compte de valeurs voisines de la valeur lue. La décision est prise au vu de la différence de valeur entre le bit examiné et ses deux voisins et non plus sur la seule comparaison de la valeur lue à un seuil prédéfini.

Exemple
Considérons deux suites de valeurs lues, tensions aux bornes du lecteur :

• 70, 65, 51, 62, 65.
• 40, 40, 28, 40, 45.

La méthode PRML considère qu'il s'agit de deux suites. Dans la première, deux positions hautes 70,65 et 62, 65 encadrent une position basse 51. Dans la seconde, deux positions hautes 40,40 et 40,45 encadrent une position basse 28. Ces deux suites seront interprêtées en ?101?.
Les valeurs du premier et du dernier bit notés ici ? seront déterminées par la connaissance des deux bits voisins.

On ajoute à la méthode PRML un filtrage du bruit par la prise en compte du brouillage réciproque des bits voisins. Une évolution par amélioration des algorithmes est nommée EPRML (extended PRML).

Le second fait technique est l'amélioration de l'alignement de la tête sur la piste par détection et asszervissement sur des cales.

Au total, le processus de conversion des bits en marques magnétiques et réciproquement peut faire intervenir quatre algorithmes hiérarchisés :

• au plus haut, le système d'exploitation compresse les données sans perte, algorithme de Lempel-Zev par exemple;
• ensuite, le contrôleur du disque fait un codage en vue de la correction des erreurs (ECC error-correcting code), par exemple celui de Reed-Solomon déjà utilisé dans les réseaux de disques;
• ensuite encore, le flot de bits résultant est transformé par un codage à courte portée, «run lenght limited»; ce codage ajoute des bits pour équilibrer le nombre de 0 et de 1. Le gain en fiabilité qu'il apporte autorise une augmentation de densité linéaire qui compense l'augmentation du nombre de bits à enregistrer;
• enfin, le codage physique représente les 0 et 1 par une orientation magnétique ou une transition.

La technique analogique :

• est simple à mettre en œuvre;
• nécessite des échantillons nets;
• ne peut pas traiter des domaines étroits ou des transitions proches.

• peut filtrer bruit et interférences;
• autorise une densité d'enregistrement plus grande;
• a besoin d'un processeur spécialisé pour le traitement du signal.