Disques durs: fonctionnement et techniques, cours avancé

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Disque dur

Le disque dur est un élément de stockage indispensable à chaque ordinateur. Depuis l'extérieur, la boîte étanche ainsi que l'électronique de commande se trouvant sur celle-ci sont clairement visibles. A l'intérieur de cette boîte étanche, nous trouvons plusieurs plateaux "empilés" les uns sur les autres, mais suffisamment espacés pour permettre le passage des têtes de lecture. Sur chaque face enregistrable d'un plateau, une tête de lecture y est disposée. Ces plateaux sont généralement faits d'aluminium ou de verre. Sur leur surface, il y a une mince couche de matière plastique contenant les éléments magnétisables.
Lors de la mise sous tension, ces plateaux tournent à une vitesse de plusieurs milliers de tours par minutes (5400, 7200, 10000 ou 15000 tr/min), à l'aide du moteur de rotation de plateaux. Le bruit que ce dernier génère est clairement perceptible lors de la mise sous tension. Lors de la rotation des plateaux, les têtes flottent alors sur une mince couche d'air. Elles n'entrent donc pas en contact avec les plateaux. Cette infime distance entre les plateaux et la tête est due à une compression de l'air générée par la rotation des plateaux.

Historique

Le premier disque dur a été mis au point par IBM en 1956. Il consistait en 50 plateaux superposés d'un diamètre de 61 cm chacun. Sa capacité était de 5 Mo et son taux de transfert de 8,8 Ko par seconde. Sa vitesse de rotation était de 3600 tr/min. D'une taille particulièrement imposante, son poids était d'une tonne environ. Des versions largement améliorées de ce disque dur ont été conçues et commercialisées dès 1962. Le disque dur tel que nous le connaissons aujourd'hui date de 1973. A cette époque, les disques durs conçus était bien moins volumineux, et les têtes de lecture/écriture ne touchaient pas les plateaux. Ils ont ensuite considérablement évolués: leur prix à constamment baissé et leur performances se sont beaucoup améliorées.

Composants

L'image ci-dessous montre un disque dur ouvert, laissant voir tous les éléments le composant. Nous allons donc ici énumérer ces derniers.

Disque dur ouvert

Moteur de positionnement des têtes: il s'agit d'un moteur dont les bobines sont clairement visibles, servant à positionner les têtes au dessus de l'endroit désiré sur le plateau. Il n'y a qu'un seul moteur de ce type. Lorsqu'il se met en mouvement, toutes les têtes bougent en même temps, selon le même axe. Elles ne sont donc pas indépendantes, mais utilisent toutes ce moteur commun.

Bras: les têtes sont fixées à l'extrémité des bras, le long desquels sont placés un mince fil de cuivre chargé de transmettre les données transitant vers les têtes. Les bras sont placés sur chaque face des plateaux et sont légèrement flexibles.

Aimant de maintient: ce petit aimant sert à maintenir le bras fixe lorsque le disque dur est éteint. Ainsi, lorsque celui-ci est manipulé, les têtes ne risquent pas de bouger sur les plateaux et de détériorer ceux-ci. Lors de l'enclenchement, le moteur de positionnement des têtes exerce une force suffisante pour vaincre la force exercée par l'aimant de maintient. Lorsque le disque dur n'est pas en activité, les têtes sont placées sur la piste située au centre des plateaux. C'est à cet endroit qu'elles sont maintenues, par l'aimant de maintient.

Câble mobile: ce câble est chargé de transmettre les données entre les têtes et l'électronique de commande. Parfaitement flexible, il permet le mouvement des têtes sur toute la surface des plateaux.

Connexion à l'électronique de commande: il s'agit de la connexion entre les éléments internes et l'électronique de commande placée à l'extérieur. Elle doit être hermétique et étanche.

Axe du moteur de rotation des plateaux: les plateaux tournent à une vitesse très importante. Ils sont mis en mouvement par un moteur et un axe commun.

Zone d'atterrissage: cette zone est située au centre des plateaux. Il s'agit de la seule zone dépourvue d'éléments magnétiques. Lorsque le disque dur est mis hors tension, les têtes se positionnent au dessus de cette piste. Ainsi, elles ne touchent jamais les éléments magnétiques et n'y cause donc pas de dommages. Si le disque dur est mis hors tension accidentellement, les têtes sont également automatiquement déportées sur cette piste.

Boîtier étanche: la surface des plateaux est très sensible aux impuretés et à la poussière. Une seule poussière ou empreinte digitale sur la surface peut provoquer une collision avec la tête et endommager le disque dur. Pour cette raison, le boîtier est totalement hermétique et étanche, pour le préserver de ces dangers.

L'image ci-dessous montre l'étiquette habituellement présente sur tous les disques durs. Le spécimen montré ici est un disque dur fermé datant de 2006 (donc relativement vieux) utilisant l'interface IDE.

Données d'un disque dur (partie supérieure)

Autres données (partie inférieure)

A l'arrière se trouve l'électronique de commande.

Électronique de commande

Têtes de lecture et d'écriture

Il existe plusieurs types de têtes de lecture. Les têtes inductives, MR, et GMR.

Têtes inductives: les têtes inductives classiques sont pourvues d'un seul électroaimant. Lors de la rotation des plateaux, les charges électromagnétiques sont mises en mouvement provoquant l'induction dans le bobinage. Cet effet permet la lecture. Lors de l'écriture, l'électroaimant polarise positivement ou négativement les charges. Cela permet d'y stocker des informations binaires.

Têtes MR: MR signifie Magneto Resistive. Les têtes de lecture et d'écriture sont séparées. Il y a donc deux têtes distinctes. En lecture, le principe de la tête MR repose sur le fait que la résistance est modifiée en présence d'un champ magnétique. En écriture, elle fonctionne selon le même principe que la tête inductive classique.

Têtes GMR (Giant Magneto Resistive): le principe des têtes GMR a été élaboré par Albert Fert et Peter Grünberg, respectivement français et allemand. Les travaux élaborés à ce sujet leur ont permis d'obtenir le Prix Nobel de physique 2007. Le principe élaboré reprend les caractéristiques de la tête MR. Toutefois, le dispositif utilise des éléments disposés en couches très fines destinées à augmenter la réponse. Les éléments magnétiques sur le plateaux peuvent donc être plus fines, ce qui permet d'augmenter considérablement la capacité des disques durs. Les couches sont composés des éléments NiFe séparés par une couche conductrice. Ce principe, complexe, utilise la spintronique.

Division du disque dur (pistes et secteurs)

Comme déjà dit, le disque dur est composé de 1 ou plusieurs plateaux contenant les éléments magnétiques. Ces plateaux sont exploités sur les deux faces. Ils sont divisés en pistes concentriques numérotées réparties sur toutes la surface. Ces pistes sont elles-mêmes divisées en segments. Ceux-ci sont appelés secteurs. L'image ci-dessous illustre les notions de piste et de secteur.

Piste

Secteur

L'empilement des pistes de même diamètre s'appelle un cylindre. En d'autres termes, un cylindre est la superposition des pistes. Le nombre de bits présents par pouce le long d'une piste s'appelle densité linéaire. Le nombre de pistes par pouce s'appelle densité radiale. Ces notions sont très importantes lorsqu'on veut comprendre la localisation et l'adressage des données.
Le formatage de bas niveau consiste à enregistrer chaque secteur et piste, à définir leur écart d'intersection et l'écart entre les pistes. Cette opération est effectuée par le fabricant du disque dur, et elle ne doit pas realisée par l'utilisateur, à moins que la présence de secteurs défectueux soit décelée. Le nombre de secteurs peut varier selon le disque dur et l'interface contrôleur utilisée. Les disques durs IDE (type standard) comptent de 17 à 100 secteurs par piste (aujourd'hui obsolète). La notion de formatage de bas niveau ne doit pas être confondue avec le formatage de haut niveau qui constitue à établir un système de fichiers. Nous y reviendrons ultérieurement.

Méthodes d'adressage

Les méthodes d'adressage sont utilisées pour l'accès au disque dur. Il en existe plusieurs, adaptées à différentes capacités.

Mode CHS standard (ou mode normal): CHS signifie cylinders / Head / Sector, soit Cylindre, Tête, Secteur. Pour accéder à l'emplacement désiré, la valeur de ces élément est simplement utilisée. Par exemple, le premier secteur d'un disque est désigné à l'aide des valeurs 0 / 0 / 1. Le second est désigné par 0 / 0 / 2, etc. Le mode CHS standard ne permet que d'utiliser des disques durs de faible capacité, de moins de 528 Mo, le système de fichier FAT16 ne permettant que 216 adresses. Cette méthode simple est toutefois toujours utilisée lors du démarrage d'un ordinateur, pour repérer le premier secteur qui contient le MBR (Master Boot Record), comprenant les informations nécessaire au démarrage du système d'exploitation. Notez également que le mode CHS standard est également utilisé pour les disques magnétiques.

Mode CHS étendu (ou large): Les données CHS mémorisées dans le BIOS sont également utilisées, mais converties arithmétiquement, afin de pouvoir permettre l'utilisation de plus de 1024 cylindres. Cette méthode permet d'exploiter un maximum de 7,8 Go.

Mode LBA: Ce mode d'adressage a toujours été utilisé sur les disques SCSI. Il est appliqué aux capacités dépassant 504 Mo. Chaque secteur se trouve numéroté, en commençant par 0, et le dernier est donc désigné par la valeur n-1. La capacité théorique maximale est de 2²⁸, soit 128Go. Une évolution apparue en 2002 permet d'atteindre la valeur théorique de 2⁴⁸, soit 128Po.

Mode d'accès à la mémoire RAM

Il y a deux modes d'accès à la mémoire RAM qui peuvent être mis en oeuvre pour l'utilisation des périphériques. La première s'appelle PIO et signifie "Programmed Input/Output". Le microprocesseur possède un jeu d'instructions préprogrammé qui est utilisé dans ce mode. Ainsi, si un périphérique nécessite un accès en mémoire, ces instructions du microprocesseur sont utilisées, et celui-ci est occupé durant un instant. Le tableau ci-dessous décrit les différents modes possible pour l'accès à la mémoire par PIO.

Mode PIO	Débit (Mo/s)
Mode 0	3.3
Mode 1	5.2
Mode 2	8.3
Mode 3	11.1
Mode 4	16.7

Le second mode d'accès à la mémoire s'appelle DMA et signifie "Direct Memory Access". En mode PIO, le microprocesseur est occupé à traiter les instructions d'accès à la mémoire. Le mode DMA est destiné à éviter cet inconvénient, et ainsi supprimer cette charge pour le microprocesseur.
L'accès à la mémoire est donc facilité et le microprocesseur n'y intervient pas. L'accès DMA peut être utilisé de deux façons, en single word ou multi word. En single word, un seul mot (2 octets) est transmit par session de transfert. La vitesse théorique est de 8,3 Mo par seconde. En mode multi word, il est possible d'adresser plusieurs mots en une seule session de transfert. Ainsi, le débit maximal est de 16,7 Mo par seconde.

Sans accès direct à la mémoire, le microprocesseur est mis à contribution.

Avec l'accès direct à la mémoire (DMA), le microprocesseur libéré de cette tâche.

Mode DMA	Débit (Mo/s)
0 (Single word)	2.1
1 (Single word)	4.2
2 (Single word)	8.3
0 (Multiword)	4.2
1 (Multiword)	13.3
1 (Multiword)	11.1
2 (Multiword)	16.7

Une innovation importante dans le domaine de l'accès à la mémoire est l'Ultra DMA. Contrairement aux normes précédentes, l'Ultra DMA (ou UDMA) utilise les front montants et descendants du signal d'horloge pour augmenter la vitesse de transfert. Il est en effet peu aisé d'augmenter la fréquence d'horloge car, dans les transmissions parallèles, le risque de perturbations électromagnétiques des pistes entre elles est élevé. L'UDMA intègre les vérifications de l'intégrité des données par CRC, augmentant ainsi la sécurité.
Le mode d'accès direct à la mémoire UDMA a également évolué et est décliné selon plusieurs modes, cités ici.

Mode UDMA	Débit (Mo/s)	Norme
Mode 0	16.7	ATA/ATAPI-4
Mode 1	25	ATA/ATAPI-4
Mode 2	33.3	ATA/ATAPI-4
Mode 3	44.4	ATA/ATAPI-5
Mode 4	66.7	ATA/ATAPI-5
Mode 5	100	ATA/ATAPI-6 (Ultra ATA 100)
Mode 6	133	ATA/ATAPI-6 (Ultra ATA 100)

Interface IDE

IDE signifie "Integrated Drive Electronics". IDE est également connu sous son appellation ATA, qui signifie "Advanced Technology Attachment". Il s'agit d'une interface permettant la connexion et l'utilisation d'un ou plusieurs disques durs. Une extension nommée ATAPI (ATA Packet Interface) permet également d'y ajouter un lecteur de disques optiques, tel qu'un CD/DVD-ROM. Initialement, l'interface ATA n'était prévue que pour le disque dur. Créé en 1994, ce type d'interface a connu de très nombreuses évolutions et extensions. Actuellement, l'ATA est de moins en moins utilisé, au profit de l'interface SATA (Serial ATA), plus simple à utiliser et plus rapide. Les périphériques sont connectés sur une nappe composée de 40 ou 80 fils. Celle-ci est connectée directement à la carte mère à l'aide des connecteurs prévus à cet effet.

Câble IDE (nappe)

Il est possible de connecter deux périphériques par connecteur. Une carte mère étant habituellement pourvue de deux d'entre eux, nous pouvons utiliser quatre périphériques différents. Un périphérique doit être paramétré pour être soit maître soit esclave (master/slave). Il s'agit d'une priorité qu'aura le premier périphérique sur le second. Par exemple, si l'on decide de connecter un disque dur et un graveur de DVD sur un connecteur IDE, il sera d'usage, en toute logique, de définir le disque dur comme étant le maître. Celui-ci aura la priorité sur le graveur. Si un périphérique se trouve seul sur un connecteur, il est d'usage de le définir comme maître, bien qu'un autre paramétrage n'aura pas de conséquence sur son fonctionnement. Une autre alternative est d'utiliser l'option "cable select". Dans ce cas précis, le périphérique maître sera sélectionné d'après son emplacement sur le câble. Notez que cette manière de procéder est rarement utilisée.

Cavaliers (jumpers) de réglage IDE

Comme déjà dit, la norme IDE a subit de nombreuses modifications et évolutions. Les différentes versions sont données ci-dessous.

IDE1: norme permettant de connecter 2 périphériques par nappe. Peut fonctionner en mode DMA multi word et permettre un débit théorique de 8,3 Mo par seconde.
EIDE (IDE2): Utilise l'adressage LBA. Fonctionne également en mode PIO ou DMA.
ATA3: Intègre le système S.M.A.R.T. Ce système est destiné à détecter et à prévenir les éventuelles pannes. S.M.A.R.T signifie "Self Monitoring Analysis And Reporting Technology".
ATA4: modifie l'adressage LBA
ATA5: Ultra DMA mode 3 et 4
ATA6: Ultra DMA mode 5
ATA7: Ultra DMA mode 6

L'image ci-dessous montre la structure typique d'un disque dur ATA. Nous pouvons y apercevoir les broches où prennent place les fils compris dans la nappe IDE, la cavalier de paramétrage Maître/Esclave et les quatre broches d'alimentation: +5V, +12V et les deux masses.

Interface IDE

Une carte mère était généralement dotée de deux connecteurs IDE, comme illustré. Toutefois, ils ne sont plus utilisés aujourd'hui, car ils ont été remplacés par le SATA.

Connecteurs IDE

Comme il y a deux connecteurs IDE pouvant chacun accueillir deux périphériques, il est possible d'en exploiter au maximum 4. Pour se faire une idée de la conception du bus IDE, la tableau ci-dessous décrit chaque contact utilisé.

Broche	Désignation	Description
1	/RESET	Réinitialisation
2	GND	Masse
3	DD7	Bit de données 7
4	DD8	Bit de données 8
5	DD6	Bit de données 6
6	DD9	Bit de données 9
7	DD5	Bit de données 5
8	DD10	Bit de données 10
9	DD4	Bit de données 4
10	DD11	Bit de données 11
11	DD3	Bit de données 3
12	DD12	Bit de données 12
13	DD2	Bit de données 2
14	DD13	Bit de données 13
15	DD1	Bit de données 1
16	DD14	Bit de données 14
17	DD0	Bit de données 0
18	DD15	Bit de données 15
19	GND	Masse
20	KEY	Key

Broche	Désignation	Description
21	n/c	Non utilisé
22	GND	Masse
23	/IOW	Validation d'écriture
24	GND	Masse
25	/IOR	Validation de lecture
26	GND	Masse
27	/IO_CH_RDY	I/O prêt
28	ALE	???
29	n/c	Non utilisé
30	GND	Masse
31	IRQR	Requête d'interruption
32	/IOCS16	IO Chip Select 16 bits
33	DA1	Adresse 1
34	n/c	Non utilisé
35	DA0	Adresse 0
36	DA2	Adresse 2
37	/IDE_CS0	Adresses 1F0-1F7
38	/IDE_CS1	Adresses 3F6-3F7
39	/ACTIVE	Led d'activité
40	GND	Masse

Interface SATA

L'interface IDE fonctionnant en parallèle, elle est sujette aux perturbations électromagnétiques entre les pistes, en particulier si la fréquence est élevée. Nous nous trouvons donc rapidement limité par cette contrainte. Pour contourner ce problème, il est nécessaire d'avoir recours à une interface série. La SATA (signifiant Serial ATA, apparu en 2003), fonctionne en série et permet donc d'atteindre des fréquences élevées. Il en résulte un débit théorique pouvant être augmenté.

Un connecteur SATA est plus petit et comprend moins de connexions qu'un IDE classique. En SATA, généralement 4 périphériques peuvent être utilisés. Cela n'est toutefois pas une règle stricte, certaines cartes mère pouvant en supporter davantage. Au contraire de l'IDE, il y a un connecteur par périphérique. La relation maître-esclave existant en IDE est donc inexistante en SATA. Les connecteurs présents sur la carte mère sont illustrés ci-dessous, dans leur représentation la plus typique.

Connecteur SATA

Les données sont donc transmises en série. Le signal inverse est également utilisé, afin de détecter les éventuelles erreurs de transmission. Lors de la fin d'un transfert, un accusé de réception est envoyé. Une séquence est composée d'un bit de START et d'un bit de STOP. Le tableau ci-dessous montre de quels connexions est composé un connecteur SATA.

Broche	Désignation	Description
1	GND	Masse
2	TXP	Envoi des données
3	TXN	Envoi inverse des données
4	GND	Masse
5	RXP	Réception des données
6	RXN	Réception inverse des données
7	GND	Masse

Il existe plusieurs versions du SATA. En SATA1, la vitesse théorique est de 150 Mo/s. Avec la version SATA2, elle est de 300 Mo/s.

Le câble SATA est flexible et il est plus aisé de travailler qu'avec les nappes IDE peu pratiques. Les câbles d'alimentation sont également différents. Composé de 4 contacts en IDE (+12V, +5V et les deux masses), le câble d'alimentation SATA présente la même forme que le câble reliant la carte mère au périphérique, en plus large. Il permet d'alimenter sous les tensions de 3,3V, 5V ou 12V. Il comprend donc plus de contacts. Bien entendu, les connecteurs SATA sont capables d'exploiter non seulement des disques durs, mais également d'autres types de périphériques, tels que des graveurs de disques optiques.

Système de fichiers

Le système de fichiers est directement lié au système d'exploitation. Il s'agit de l'organisation logique permettant la localisation, la manipulation, et la gestion des fichiers. Les caractéristiques d'un système de fichiers peuvent être directement observées dans l'utilisation d'un système d'exploitation. Ainsi, la taille maximale d'un fichier ou d'une partition, la longueur maximale des noms des fichiers et répertoires, les droits et restrictions sont des exemples dépendants directement du système de fichiers utilisé.
Le cluster est l'unité d'espace la plus petite qu'un système d'exploitation est capable de gérer. Sa taille est variable selon le système de fichiers utilisé ainsi que la taille du volume concerné.
Si un cluster est partiellement utilisé, il est considéré comme occupé et l'espace restant ne sera pas exploité. Il en résulte donc une petite perte d'espace disque. Par conséquent, plus la taille des clusters est importante, plus la perte d'espace disque engendrée risque d'être importante. Le tableau ci-dessous montre la taille des clusters pour le système de fichier FAT16 utilisé notamment par Windows 95. Il est encore utilisé aujourd'hui pour les médias amovibles.

Taille du volume	Type du système de fichiers	Nombre de secteurs par clusters	Taille d'un cluster
16 à 127 Mo	16 bits	4	2 Ko
128 à 255 Mo	16 bits	8	4 Ko
256 à 511 Mo	16 bits	16	8 Ko
512 à 1023 Mo	16 bits	32	16 Ko
1024 à 2048 Mo	16 bits	64	32 Ko
2048 à 4096 Mo	16 bits	128	64 Ko

Le tableau ci-dessous montre les tailles de clusters utilisés par le système de fichiers NTFS, utilisé avec les systèmes à noyau NT de Microsoft, tels que Windows 2000, XP, ou Vista.

Taille du volume	Secteurs	Taille d'un cluster
512 Mo et inférieur	1	512 octets
513 à 1024 Mo	2	1 Ko
1025 à 2048	4	2 Ko
2049 ou supérieur	8	4 Ko

La liste ci-dessous énumère les systèmes de fichiers les plus répandus.

FAT12: Le système de fichiers FAT12 est très ancien. Il a été créé en 1977 et n'est plus utilisé aujourd'hui. Il s'agissait d'un système de fichiers fonctionnant sur le même principe général que FAT16 et FAT32 (expliqué plus loin), ceux-ci étant bien plus récents. La FAT était codée sur 12 bits, ce qui permettait d'adresser au maximum 4096 clusters, pour une taille maximale de 16 Mo. Ce système a été utilisé sur les disquettes et les volumes de petite taille. Le nombre de fichiers maximal est de 4086. Un nom de fichier pouvait comporter 8 caractères au maximum.

FAT16: Le système de fichier FAT16 était utilisé avec Microsoft Windows 95 et DOS. Son principe général consiste en un tableau codé sur 16 bits contenant la référence des clusters. Son nom signifie "File Allocation Table", ou Table d'allocation des fichiers. A l'intérieur de celle-ci, un cluster peut être libre, utilisé, ou défectueux. En multipliant le nombre maximal de clusters adressables et la taille de ceux-ci, nous obtenons la taille maximale qu'un système de fichiers est capable de gérer. Dans le cas du système FAT16, cette taille est de 2 Go.

VFAT: Le système de fichiers VFAT reprend les mêmes caractéristiques que le FAT16, mais il est tout de même légèrement amelioré. VFAT signifie "Virtual FAT". Ce système est codé sur 32 bits contrairement au FAT16. Le nom des fichiers peut atteindre 255 caractères de long, ce que ne permettait pas le FAT16. Ce système de fichiers était utilisé sous Windows 95.

FAT32: Le système de fichiers FAT32 était utilisé par les systèmes d'exploitation Windows 95, 98 et ME. Son principe général est le même que le système FAT16. Toutefois, il est très amélioré par rapport à celui-ci. Le système de fichiers FAT32 est codé sur 32 bits. La taille maximale théorique d'un volume est de 2 To. Les clusters sont plus petits qu'en FAT16, et il en résulte donc une perte d'espace moindre. Par exemple, pour un volume de 1024 Mo à 2 Go, la taille d'un cluster est de 4 Ko en FAT32. En FAT16, un cluster est de 32 Ko pour la même taille du volume. La perte d'espace possible est donc bien plus grande. Pour un volume de 512 Mo à 1023 Mo, la taille d'un cluster en FAT16 est de 16 Ko. Cette taille est de 4 Ko en FAT32.

NTFS: NTFS signifie "New Technology File System". Il est utilisé sur tous les systèmes d'exploitation de Microsoft basés sur le noyau NT, c'est à dire Windows NT 4.0, 2000, XP, Vista, etc. Son principe général est différent des systèmes de fichiers FAT. Une base de données contenant les informations de chaque fichier est utilisée dans ce système. Celle-ci est nommée MFT (Master File Table). Elle contient des informations telles que le nom, le type, la taille et les attributs du fichier. Il existe une copie de cette MFT, pour rendre le système plus sécurisé et plus fiable. Cette copie est placé en miroir, ce qui signifie que toute modification dans la MFT y sera répliquée.
La vitesse d'accès aux fichiers a également été considérablement améliorée. Ainsi, ce système de fichiers utilise un arbre binaire pour effectuer cette opération plus rapidement.
Une nouveauté majeure de ce système de fichier réside dans la sécurité qu'il offre. En effet NTFS permet de définir des attributs et restrictions sur les fichiers et répertoires. La limite théorique de ce système de fichiers est de 16 Eo. Cette limite n'est jamais atteinte en pratique. Comme tous les systèmes de fichiers de Microsoft, NTFS est sujet à la fragmentation. Il est décliné en plusieurs versions.

EXT2, EXT3, EXT4: Ces systèmes de fichiers sont utilisé sous Linux. EXT2 comprend la table des inodes et les blocs allouables. Il existe une inode par fichier. Celle-ci contient les informations du fichier, telles que sa taille, son type, ses droits, sa date de création, etc. Le contenu du fichier est stocké dans les blocs allouables. Pour localiser un fichier dans le disque dur, l'inode contient des pointeurs avec lesquels il est possible de repérer les blocs désirés. Il existe également des pointeurs indirects, notamment dans le cas de grands fichiers.
EXT3 est une version améliorée d'EXT2 apparue en 1999. La différence principale réside dans le fait qu'EXT3 est journalisé. Il est compatible avec EXT2, il est donc possible de lire des données provenant d'une partition de ce type. Notez qu'une conversion de EXT2 à EXT3 n'est pas possible. Le système de fichiers EXT4 apporte encore des améliorations, puisqu'il exploite la fonction Extend qui vise à utiliser la préallocation pour éviter si possible la fragmentation du volume. Il effectue une défragmentation périodiquement en arrière plan. Il est possible de convertir une partition EXT3 en EXT4 sans avoir à formater le volume.

ReiserFS et Reiser4: Ces systèmes de fichiers ont été développés par Hans Reiser et portent son nom. Ils sont utilisés sous Linux principalement. Légèrement plus lent qu'EXT3 pour les opérations de manipulation de fichiers normales, il s'avère plus efficace lorsqu'il s'agit de fichiers de petite taille très nombreux. La conversion de EXT3 en ReiserFS n'est pas possible sans réinstallation du système d'exploitation. Reiser4 est la quatrième version de ce système de fichiers. Il inclus quelques améliorations telles qu'un système de plugins, une technique de gestion plus efficaces des fichiers de grande taille (dancing trees), ainsi que les transactions atomiques garantissant l'intégrité du système de fichiers. Il est beaucoup moins populaire et utilisé qu'EXT3.

Les systèmes de fichiers ci-dessous sont également utilisés, mais sont toutefois moins populaires que les précédents.

FFS: Système de fichiers rapide utilisé sur les systèmes Unix tels que OpenBSD FreeBSD ou NetBSD.
UFS: Unix File System (UFS) était le système de fichiers utilisé par les premiers systèmes Unix BSD.
HPFS: était utilisé par le système d'exploitation IBM OS/2 dès 1989. Le système de fichier HPFS peut accepter des partitions atteignant 8 Go et une longueur de nom de fichier de 256 caractères.
JFS: (Journaled File System) est un système de fichiers conçu par IBM pour les systèmes d'exploitation AIX et OS/2.
XFS: est le système de fichiers 64 bits utilisé par Irix. Il est actuellement sous licence GNU/GPL.
CBMFS: Système de fichiers très anciens, utilisé sur les commodores.
ZFS: Ce système de fichiers est utilisé dans les systèmes d'exploitation de Sun Microsystems Solaris et OpenSolaris. Sa particularité est sa très haute capacité de stockage. Il n'a pas été porté sous Linux.
NFS: NFS signifie "Network File System". Ce système de fichiers a été créé par Sun Microsystems et est prévu pour le partage de fichiers en réseau. Il est utilisable sous les systèmes Unix, Linux, Windows, et MacOS.
GFS: Système de fichiers pour la communication des grappes d'ordinateurs Irix et Linux.
GPFS: GPFS signifie "General Parallel File System" et a été développé par IBM. Ce système de fichiers est conçu pour fonctionner avec des volumes de très grande taille répartis sur un grand nombre de disques durs.
BFS est un système de fichiers 64 bits apparu en 1996 et utilisé avec BeOS.
MFS, HFS: MFS signifie "Macintosh File System", et HFS "Hierarchical File System". Tous deux sont des systèmes de fichiers conçus par Apple pour son système d'exploitation MacOS.

Défragmentation

Les fichiers sont écrits sur le disque dur les uns à la suite des autres. Lorsqu'un fichier est supprimé, il subsiste un espace considéré comme libre. Si un fichier dont la taille excède cet espace est écrit, la première partie sera placée à l'intérieur de celui-ci. La suite du fichier sera placé au prochain endroit libre sur le disque dur. Le fichier sera alors divisé en plusieurs parties réparties dans l'espace du disque dur. Un fichier peut être fractionné en de nombreux fragments. Il en résulte que la tête sera contrainte d'effectuer plusieurs mouvements pour lire la totalité d'un fichier fragmenté. Cette action peut ralentir considérablement l'ordinateur concerné et provoque une usure du disque dur.
Pour éviter ces désagréments, il existe des logiciels qui défragmentent et regroupent les fichiers fragmentés. Ceux-ci sont normalement fournis avec le système d'exploitation. Ils sont parfois configurés pour s'exécuter de façon automatique, durant la nuit, par exemple.
Généralement, il y a deux étapes dans la défragmentation. La première consiste uniquement à rassembler les fragments et à constituer des fichiers cohérents et défragmentés. La seconde étape est appelée "compactage". Après la défragmentation, les fichiers sont en une seule partie, défragmentés. Toutefois, ils sont répartis sur la totalité de la surface du disque. Le compactage consiste à les rassembler à un seul endroit sur le disque et ainsi éviter leur répartition. La défragmentation doit être exécutée régulièrement, par exemple une fois par mois. Cela dépend évidemment de la fréquence d'utilisation de l'ordinateur et de la gestion des fichiers qui y est effectué.
Certains fichiers ne peuvent pas être défragmentés. Il s'agit en particulier de fichiers en cours d'utilisation, notamment ceux étant utilisés par le système d'exploitation.

Formatage de haut niveau

Lorsqu'un disque dur n'a jamais été utilisé, ou lorsque la réinstallation du système d'exploitation est nécessaire, le formatage est nécessaire. Il consiste uniquement à établir un système de fichiers sur un volume. Sa durée est dépendante de la taille du volume utilisé. Après le formatage, le système de fichiers est créé et l'exploitation de l'espace peut alors commencer. Les divisions et clusters sont alors définis. Les données se trouvant sur le disque avant le formatage sont perdues.
Cette notion ne doit pas être confondue avec le formatage de bas niveau, (expliqué plus haut) effectué habituellement en usine. Le formatage de haut niveau est demandé en règle générale durant l'installation d'un système d'exploitation.

Partitions

Lorsque nous désirons installer plusieurs systèmes d'exploitation sur un seul disque dur, il est indispensable de définir des partitions distinctes. Une partition est un espace sur le disque clairement départagé. Imaginons que nous désirons installer Linux et Windows XP sur un seul disque dur. Nous devrons définir une partition pour Windows XP, et une autre partition pour Linux. Il s'agira donc de définir deux parties du disque strictement indépendantes l'une de l'autre. C'est sur cela que repose la notion de partition. En définissant des partitions, nous pouvons utiliser plusieurs systèmes de fichiers sur un seul disque dur, les partitions étant totalement indépendante les unes des autres. Toutefois, une partition peut être lue ou écrite depuis un système d'exploitation étant installé sur une autre partition. Cela dépend directement du système dont il est question.
A titre d'exemple, imaginons que Linux et Windows XP soient installés sur une même machine. Ils utilisent deux systèmes de fichiers différents. Imaginons que l'utilisateur démarre et utilise la partition Linux. Linux étant capable de lire et d'écrire sur la partition étant formatée en NTFS, les données disponibles sur l'autre partition seront directement accessible. Imaginons à présent que l'utilisateur démarre Windows XP. Celui-ci n'étant pas prévu pour lire et écrire des données sur la partition EXT3 de Linux, les données se trouvant sur celle-ci seront totalement invisibles. Retenez bien que les partitions constituent le seul moyen d'exploiter plusieurs systèmes de fichiers différents sur un même disque dur.
Le concept des partitions est abondamment exploité sous Linux, où il est d'usage de définir au moins trois partitions: l'une pour les données de l'utilisateur (appelée /HOME), l'une pour le système d'exploitation (appelée "parition parincipale /"), et la troisième pour le fichier d'échage (swap). Cette configuration n'est pas obligatoire, car il est possible d'en définir moins, ou au contraire davantage. Toutefois, la configuration décrite ici est probablement la plus fréquente. Dans Windows, il est également possible de définir plusieurs partitions. Par exemple, nous pouvons définir une partition prévue pour les données du système d'exploitation, et une seconde pour les données de l'utilisateur. Les deux partitions seront visibles à ce dernier.
Il existe plusieurs types de partitions: les partitions principales et étendues. Quatre partitions principales au maximum peuvent être définies. Au démarrage, l'ordinateur utilisera celle qui est active. En effet, l'une de ces partitions doit obligatoirement être activée.
Pour en définir plus, il est nécessaire de recourir à une partition étendue. Celle-ci contient un ou plusieurs lecteur logique. Un lecteur logique est simplement une partition définie à l'intérieur de la partition étendue. Il peut théoriquement exister un nombre infini de lecteurs logiques. L'image ci-dessous montre une configuration possible des partitions.

Exemple de partitionnement

Partitions sous Linux

Comme déjà dit, Linux utilise très abondamment le concept de partitions. Toutefois, l'utilisateur peut décider à sa guise le nombre de partitions qu'il désire utiliser. Les partitions qu'il est possible de définir sont listées ci-dessous.

Partition principale [/]: La partition racine (/) est impérative à l'installation de Linux. Il s'agit de la partition principale du système, et tous les répertoires d'une importance capitale s'y trouvent. Toutes les données dont vous ne spécifiez pas le chemin d'accès y sont enregistrées. Comme déjà dit, il est impossible de se passer de cette partition.

Partition "home" [/home]: C'est dans la partition "home" que vous devrez créer vos répertoires et stocker vos données. En effet, il s'agit de la partition qui est affectée à l'utilisateur. Lors de la réinstallation de Linux, les données contenues sur cette partition ne sont pas perdues.

Partition "root" [/root]: La partition "root" est semblable à la partition "home", sauf qu'il s'agit de la partition de l'administrateur (root).

Partition "boot" [/boot]: Généralement de très petite taille, la partition "boot" contient les données utiles au démarrage de l'ordinateur. Son système de fichier peut, dans certains cas, différer de celui des autres partitions.

Partition "usr" [/usr]: La partition "usr" est destinée à recevoir tous les programmes installés. Comme certains programmes peuvent occuper une place très importante sur le disque dur, il est impératif que cette partition soit de grande taille.

Partition "var" [/var]: La partition "var" est destinée à recevoir les données variables, ou, autrement dit, les données qui changent continuellement. Ces données sont écrites à tout moment par le système d'exploitation.

Partition "swap" [/swap]: La partition "swap" est une zone dite de fichier d'échange. Elle sert à recevoir des données si la mémoire RAM est pleine. En d'autres termes, lorsque la mémoire RAM est pleine et que des données doivent quand même y être emmagasinées, on fait appel à la partition "swap" pour contenir ces données temporaires. Comme les mémoires RAM actuelles ont des capacités très grandes, cette partition peut être de petite taille.

Définition et dimensionnement des partitions

En règle générale, une partition est créée et dimensionnée lors de l'installation d'un système d'exploitation. Un programme de gestion des partitions est presque toujours inclus à l'installation d'un système. Les gestionnaires de démarrage de ceux-ci détectent de façon automatique la présence d'un autre système d'exploitation. Ainsi, en installant plusieurs systèmes, le gestionnaire de démarrage de l'un deux détectera la présence des autres systèmes, même si ceux-ci occupent d'autres partitions. De cette façon, un menu de démarrage peut vous être proposé au démarrage de l'ordinateur.
Il est également possible de redimensionner des partitions déjà définies ou d'en créer de nouvelles sans réinstallation des systèmes d'exploitation. Des logiciels tels que Power Quest PartitionMagic ont été créés à cet effet. Bien que fiable, il est formellement recommandé de sauvegarder les données importantes avant l'utilisation d'un tel logiciel. Une attention particulière est nécessaire, cette opération pouvant s'avérer sensible. Ne modifiez jamais vos partitions ou vos systèmes de fichiers sans avoir effectué une sauvegarde préalable.

Questions posées frequemment

Un choc excessif peut-il endommager ou détruire un disque dur?
Oui. Le disque dur est bien plus vulnérable lorsqu'il est en activité. Un choc à ce moment là pourra l'endommager ou le détruire. Il fait partie des éléments fragile de l'ordinateur car il s'agit d'un élément électro-mécanique.

Les disques durs des ordinateurs portables sont ils plus petits?
Oui. Leur taille physique est effectivement réduite. Leur capacité et le nombre de tours par seconde sont généralement plus bas, sauf lorsqu'il s'agit d'ordinateurs portables haut de gamme.

Qu'est-ce que le fichier d'échange?
Il s'agit de la zone du disque dur où sont emmagasinées les données temporaires lorsque la mémoire RAM est pleine. Les mémoires RAM étant aujourd'hui très grandes, le fichier d'échange est peu utilisé. Dans Linux, cette zone est la partition /Swap.

Existe-t'il des disques durs externes?
Oui. Ils peuvent être branchés sur le port USB, ou parallèle pour les plus anciens. Leur fonctionnement ne diffère pas fondamentalement d'un disque dur interne. Ils ont besoin d'un pilote pour fonctionner correctement et sont très souvent utilisés dans le cadre de sauvegardes régulières.

Est-ce que les disques durs pour serveurs sont de conception différente des disques durs classiques ?
Non. Il n'y a pas de différence de conception fondamentale entre les disques durs de serveurs et les disques durs classiques. Toutefois, les disques durs prévus pour les serveurs utilisent généralement l'interface SCSI et présentent donc un débit des données plus élevé. Ils sont spécialement choisis pour offrir de très hautes performances. Leur nombre de tours par seconde est très souvent de 10'000 ou même 15'000 dans certains cas, et le temps d'accès global est très réduit.

A quoi faut-t'il faire attention lors de l'achat d'un disque dur?
Cela dépend en grande partie de vos besoin. Choisissez un disque dur dont la capacité est adaptée à l'usage auquel vous le destinez. Une capacité excessive vous fera certainement perdre de l'argent, car le coût est en partie en fonction de celle-ci. Soyez attentif à la vitesse d'accès globale, donnée en ms. Plus elle est réduite, plus votre disque dur sera rapide. Soyez également attentif à l'interface utilisée.

Que faire en cas de secteurs défectueux ?
Dans ce cas, une partie du disque dur n'est plus exploitable. Il convient, à ce moment là de sauvegarder les données qui y sont présentes et de remplacer le disque dur très rapidement. Ce phénomène apparaît parfois après quelques années d'utilisation.

Lorsque le disque est en activité, quelle est la distance entre les plateaux et les têtes?
Environ 15 microns, soit 0,015mm ou 0,000015 m. Cela dépend naturellement de la génération du disque dur.