Fonctionnement
Disque dur magnétique
Un disque dur n’est pas constitué d’un seul disque comme nous pourrions le croire mais bien de plusieurs disques rigides en métal (généralement d’aluminium car il présente les avantages d’être léger, malléable et surtout non-magnétique), en verre ou en céramique, empilés à une faible distance des uns des autres. Ils sont couramment appelés plateaux. Ces disques tournent à une vitesse élevée (3600, 4200, 5400, 7200, 10000 ou 15000 tours par minute5 ; généralement 5400 et 7200 tours par minutes) dans le sens inverse des aiguilles d’une montre de manière constante grâce à un moteur électrique.
Vue d’ensemble des 3 pièces maîtresses du disque dur
Les disques durs fonctionnent dans un environnement complètement hermétique grâce à l’étanchéité du boitier. Si le disque dur était exposé à un environnement ouvert, un grain de poussière pourrait le faire dysfonctionner ; au même titre, si la tête de lecture touche le plateau, on appelle cela l’ « atterrissage », et rend également le disque dur inutilisable.
Disque ayant subi un « atterrissage »
Les données sont inscrites de l’extérieur du disque vers l’intérieur. Elles sont organisées en cercle concentrique (cercles et non pas spirale ayant un même centre) couramment appelé pistes. Chacune des pistes est séparée en quartiers que l’on appelle secteur contenant au minimum 512 octets de données. On appelle cylindres l’ensemble de données situées sur une même piste, mais sur des plateaux différents. Enfin, nous appelons « cluster » (ou unité d’allocation) la zone minimale que peut occuper un fichier sur le disque. En effet, le système d’exploitation exploite des blocs qui sont en fait plusieurs secteurs. Un fichier minuscule devra donc occuper plusieurs secteurs (un cluster).
Les données sont inscrites sur les secteurs d’une piste d’un plateau magnétiquement
Le disque dur magnétique fonctionne à l’aide d’une tête de lecture qui survole le disque à une hauteur de 10 micromètres6 (en moyenne – à titre de comparaison, le diamètre d’un cheveu humain varie entre 40 et 100 micromètres) au-dessus de chaque plateau et est séparé du plateau par une couche d’air créé par la rotation des disques et fonctionnent ensemble : elles sont dépendantes de leurs mouvements, car elles sont liées et qui permet de les faire pivoter en arc de cercle. L’autre moteur qui est chargé du mouvement des bras doit être capable d’adapter la vitesse de déplacement des bras pour accélérer ou décélérer très rapidement. Pour faire ce travail, un algorithme contrôle les mouvements du bras pour le faire accélérer au maximum et le faire freiner au maximum pour arriver sur le bit demander le plus rapidement.
Représentation des têtes de lecture à la surface de chaque plateau
Les têtes sont dites « inductives », car un courant parcourt un petit circuit magnétique bobiné et sont capables de générer un champ magnétique venant polariser le film magnétique apposé sur la surface du disque. Ces têtes sont composés d’une bobine de cuivre et de deux éléments magnétiques (un pôle positif et un négatif).
À l’écriture ou à la lecture, la rotation du disque à une vitesse élevée et le bras de lecture va créer un champ magnétique qui va polariser chaque bit du disque. A la surface, sont dispersé des particules de fer (avec a leurs extrémité un pôle positif et un négatif), qui vont être orienté par la présence d’un des pôles de la tête (c’est l’électrostatique). La tête de lecture/écriture se chargera de la transformation des 0 et 1 compréhensible par l’ordinateur avec un convertisseur analogique numérique (CAN).
La flèche vers le haut représente un « 1 » et vers le bas un « 0 »
Fonctionnement d’un disque dur (vidéo)
Mémoire flash
La mémoire flash est une mémoire non volatile réinscriptible à semi-conducteur7 de type EPROM8. En d’autres termes, c’est une mémoire possédant les caractéristiques de la mémoire vive9, mais dont les données ne s’effacent pas lors de la mise hors tension. Elle est massivement utilisée en raison de sa vitesse élevée, de sa durabilité, de sa faible consommation et de sa petite taille. Ajoutez à cela ce type de mémoire ne comporte pas d’éléments mécaniques: cela lui confère une grande résistance aux chocs. La mémoire flash existe sous deux différentes formes : la mémoire flash NOR et la mémoire flash NAND qui tirent leur nom des portes logiques matérialisant les opérateurs booléens.
La puce flash sur le circuit d’une clé USB
La mémoire flash NOR a un temps d’effacement et d’écriture plus long que la mémoire NAND car elle donne un accès direct à n’importe laquelle de ses cellules grâce une interface d’écriture permettant un accès aléatoire à n’importe quelle position. De plus elle a un cout de revient bien supérieur à la mémoire flash NAND.
Intel, le célèbre fabricant de processeurs a misé sur cette technologie, car la mémoire flash NOR a la possibilité d’interagir directement avec le processeur ; de ce fait, la mémoire NOR est principalement utilisée pour le stockage du système d’exploitation ou autre microprogramme de petite taille (de l’ordre des Megaoctet) pour les composants internes des appareils électroniques comme les cartes mères (les BIOS, firmware), micro-logiciels des téléphones et appareils photo, etc.
Représentation de l’accès aléatoire sur la mémoire flash NOR
La mémoire flash NAND, est moins rapide à l’effacement et à l’écriture (par rapport à la NOR), car impose un accès séquentiel (à la manière des disques durs) : pour accéder à une cellule précise, il faut passer par les précédentes et atteints 20 Mo/s en lecture et 10 Mo/s en écriture. Elle offre une plus grande capacité de stockage, une aussi bonne résistance aux chocs, ainsi qu’une durée de vie dix fois plus importante du fait qu’elle est plus dense (les cellules de la matrice sont 40 % plus petites que dans la NOR). C’est pour cela qu’elle est utilisée pour former les cartes mémoires ou les disques durs SSD (Solid State Drive).
Représentation de l’accès séquentiel de la mémoire flash NAND
La mémoire flash est constituée d’une grille de contrôle et d’une grille flottante qui est séparée des deux électrodes « source » et « drain » par de l’oxyde.
Représentation des grilles et leurs électrodes
Pour écrire un bit dans une cellule, une tension de 12V circule entre les électrodes « source » et « drain ». Pendant ce déplacement, les électrons sont attirés puis emprisonnés dans la grille flottante. Seule une faible quantité d’électrons arrive à l’électrode « drain ». À saturation, la grille devient isolante, qui équivaut à un 0 binaire.
Pour effacer, une tension négative est envoyée dans la grille de contrôle (aucune tension impulsée ni sur le « drain » ni sur la grille flottante) ; les électrons contenus dans la grille flottante vont se vider.
Pour la lecture, une tension de 5V est émise pour tester la résistance de la grille flottante. Si celle-ci est isolante, c’est un 0 binaire ; dans le cas contraire, c’est un 1.
Annexe
1 Vitesse angulaire : vitesse angulaire, 1 tour équivaut un angle de 360°
2 1 micromètre = 10-6 mètres
3 Semi-conducteur : matériau qui se porte comme un isolant mais laisse un faible nombre d’électrons afin d’alimenter avec un faible courant mais suffisamment important pour assurer le fonctionnement de la pièce électronique.
4 EPROM : Erasable Programmable Read Only Memory ; En français mémoire morte effaçable et programmable. La mémoire morte ≠ mémoire vive.
5 Mémoire vive : RAM, Random Access Memory ; En français mémoire à accès direct. Mémoire volatile, lors de la mise hors tension de la mémoire, plus aucune donnée n’est conservée.