Mémoires de stockage de l’information = secondaires Édition au 3 mai. 14 ATTENTION VERSION EN TRAVAUX !!!!!!!!!!!! Note : il était facile de distinguer deux types de mémoires : internes dans l'unité centrale et externes sur des supports en dehors de l'ordinateur. La possibilité d'utiliser le disque dur comme extension de la mémoire centrale était un premier pas vers la difficulté. Les nouvelles mémoires, en particulier les mémoires flash, deviennent à la fois centrales et externes : la confusion est donc importante entre les deux types, même si la gestion peut être différente. J'ai donc préféré le terme de mémoires de stockage à celui de mémoires externes. On parle aussi de mémoires secondaires. Un certain nombre de périphériques communiquent à double sens : entrée et sortie. Cet échange peut être symétrique ou dissymétrique, une communication de commande et de contrôle dans un sens et une communication de données dans l’autre. C’est notamment le cas des mémoires de masse. Les mémoires de masse sont à l’heure actuelle d’abord magnétiques : on sait en effet enregistrer et lire depuis longtemps des signaux électriques sur support magnétique, qu’ils soient analogiques ou numériques par aimantation ou désaimantation de la partie magnétique de la bande (cassettes audio par exemple) grâce à des électroaimants. Toutefois, des mémoires de masse à lecture optique ou mixte prennent une part de plus en plus importante grâce au laser : c’est en particulier le cas avec le cédérom et le DVD. Mais les progrès de l'électronique conduisent à l'utilisation de plus en plus importante de mémoires purement électroniques à base de transistors, y compris pour remplacer (ou compléter) les disques durs. Les mémoires de masse sont caractérisées par différents paramètres, notamment : • la capacité exprimée en Ko, Mo… en fait Kio = 1024 octets ou Moi = 1024 x 1024 octets = 1 048 576 octets • le temps (durée) d’accès, temps (durée moyenne) nécessaire à la tête pour se positionner sur l’information recherchée, • le débit d’information (Ko ou Mo par seconde). Systèmes de fichiers L'organisation des fichiers sur un support suit des normes variées et souvent incompatibles entre-elles. Ce sont notamment : • FAT file allocation table • NTFS New Technology File System Problèmes d'adresses Écrire sur un disque quelconque consiste à envoyer un certain nombre d'octets vers un endroit du disque. L'ensemble des informations est découpé en unités d'allocation ou clusters, de 512, 1024 ou 65 536 octets par exemple. Chacun est affecté sur le disque au travers de son adresse conservée dans la table d'adresses du disque. Le nombre de bits de l'adresse et la taille de l'unité d'allocation vont conditionner la capacité totale adressable c'est à dire la capacité maximale possible du support : Taille max = 2^(nombre de bits de l'adresse) . taille du cluster Exemple : taille de l'unité d'allocation (octets) 512 nombre de bits de l'adresse 16 nombre d'adresses possibles 2 16 = 65 536 capacité maximale 512 x 65 536 = 33 554 432 o = 32 Mio 1024 512 16 2 32 16 = 65 536 32 9 2 = 4,3.10 = 64 Mio = 2048 Gio Un fichier de faible taille occupe dans tous les cas un cluster : de la place risque d'être perdue… La capacité est augmentée par un adressage sur un grand nombre de bits et des clusters petits. La capacité réellement disponible est égale au produit du nombre d'unités d'allocation sur le disque (volume) par le contenu de l'allocation. Elle est légèrement plus faible que la capacité totale : un certain nombre d’octets sont nécessaires à la gestion de l’ensemble, avec en particulier le catalogue. FAT = File Allocation Table (table d'allocation des fichiers) Ce système de fichiers est lié à Microsoft. Il est toujours utilisé en particulier sur les cartes des appareils photo. Windows, MacOs, et Linux peuvent lire de type de support. 1 Il existe plusieurs évolutions, notamment FAT 16 et FAT 32. • FAT 16 codé sur 16 bits permet de créer 65 536 clusters de taille fixe, chaque cluster permettant de stocker 2 ko à 64 kio ce qui détermine le maximum possible pour le volume considéré : 64 x 1024 x 65536 = 4 294 967 296 octets = 4 Gio. La taille du volume ne peut donc dépasser 4 Gio… • 28 FAT 32 codé sur 28 bits (et non 32) permet de créer 2 clusters soit 268 435 456 soit un maximum de 16 To théoriques (limité en fait à 2 To par Windows) Les limitations de ce système, comme la limite à 2 Gio d'un fichier, conduisent à la création de NTFS NTFS NTFS (New Technology File System), système propriétaire de Microsoft, est compatible avec FAT, et utilisé par les différents 64 systèmes. Le codage semble réalisé sur 2 octets. Nom des fichiers Les fichiers peuvent être nommés par des caractères mais certains, utilisés par le système, peuvent être interdits. Aujourd'hui, il semble possible d'utiliser, grâce à Unicode, tous les caractères de la langue utilisée, en particulier les accents pour le français. Une extension est souvent ajoutée qui sert, sous Windows, à repérer les logiciels pouvant ouvrir le fichier. Sous les systèmes Linux, y compris MacOS, cette information est introduite d'une autre façon qui ne nécessite pas l'extension. Stockage magnétique Les bandes magnétiques Pour les bandes, l’accès à l’information est uniquement séquentiel : la bande doit être déroulée pour atteindre une information donnée alors que sur un disque on peut l’atteindre directement par déplacement de la tête. L’utilisation des bandes est donc réservée aux grosses sauvegardes. Les caméscopes modernes utilisent la bande magnétique pour un enregistrement numérique du son et de l’image, bande qui risque d’être remplacée par des cartes mémoires flash… Toutefois, la sauvegarde des films demeure sur bande. Ce support n'est donc pas encore obsolète. Il se heurte aux changements fréquents de norme d'enregistrement pour la pérennité des données; Voir : http://www.histoireinform.com/Histoire/Technologie/Derouleur BM/Derouleurs.htm Les disquettes (ou disques souples) POUR L'HISTOIRE Les disquettes sont constituées d’un disque magnétique souple placé dans une enveloppe tissée. La concurrence des autres moyens de stockage les ont pratiquement fait disparaître aujourd'hui. Le centre est percé de façon à assurer la rotation à 300 tours par minute. Un trou permet un guidage mécanique. Sur la disquette l’information est stockée sur des cercles concentriques appelés pistes (“track”) qui sont divisées en secteurs. Les cercles n’ont pas tous la même circonférence, mais chaque secteur d’une piste donnée contient le même nombre d’octets (128, 256 ou 512). La piste n°0 (externe) contient le catalogue (répertoire ou directory) de la disquette. En règle générale, les deux faces sont inscriptibles (DF pour Double Face). Le format des dernières disquettes était de 9 cm (3,5") pour 1,44 Mo -1 avec une durée d'accès longue. Débit : 61 Ko.s . Le repérage est assuré, pour la tête de lecture/écriture, par inscription d’informations sur la disquette lors de l’opération de formatage. Cette opération dépend du système d’exploitation de la machine et elle est impérative pour que la disquette soit lue par l'ordinateur. 2 taquet de verrouillage (trou apparent : écriture impossible et inversement) trou des disquettes haute densité cache coulissant de la partie magnétique DISQUETTE 9 cm (3,5 pouces) la disquette 9 cm (3,5 pouces) disque contenant des oxydes de fer magnétiques piste secteur secteur anatomie interne d'une disquette 9 cm (3,5 pouces) structure interne du disque magnétique d’une disquette Anatomie interne d'une disquette 9 cm Les disques durs (hard disk) Les disques durs sont constitués d’un empilement de “disquettes” rigides (8,16,…), sorte de plateaux, recouverts d’un alliage de cobalt de 80 nm d’épaisseur. Les diverses têtes de lecture/écriture sont très proches du disque (0,25 µm) et la vitesse de rotation est importante (1 à 200 fois celle des disquettes soit 3600 à 7200 -1 tours.min ). L’ensemble est à l’abri de la poussière dans une enceinte close. Le disque dur est connecté au bus de l’unité centrale par l’intermédiaire d’une carte d’interface (carte contrôleur selon différents standards comme IDE, SATA, eSATA…). Les évolutions majeures de la technologie des disques durs fait qu'ils sont toujours très utilisés aujourd'hui. • capacité : 250 Mo à plusieurs téraoctets • temps d’accès : moins de 10 ms • coût : moins de 100 € • taille : 2,5 cm et plus. Problèmes de fragmentation liés aux disques Que ce soit sur disquette ou disque dur, les fichiers sont stockés avec une fragmentation en secteurs : rien n’impose qu’un fichier soit constitué de secteurs consécutifs. Il suffit que le système d’exploitation sache retrouver les différents morceaux. Il est toutefois préférable, pour que la lecture soit rapide, que le fichier soit le moins fragmenté possible, puisque la tête de lecture aura alors moins de chemin à parcourir ; des utilitaires permettent la défragmentation des fichiers. Le schéma suivant (extrait d’Apple Magazine) illustre le problème. Disque dur fragmenté : chaque fichier n'occupe pas une série continue de secteurs fichier C fichier B fichier A Disque dur non fragmenté : chaque fichier occupe une série continue de secteurs Dans un fichier fragmenté, la lecture est ralentie puisque la tête de lecture doit lire tous les morceaux du fichier de façon non continue. fragmentation des disques 3 Les disques amovibles POUR L'HISTOIRE Pendant un certain temps, des disques amovibles permettaient les échanges de gros fichiers. La technologie pouvait être magnétique ou magnétooptique, un faisceau laser permettant l'effacement. un lecteur très répandu : le ZIP (Ioméga) avec des disques amovibles métalliques de 100 à 750 Mo un lecteur de très haute capacité: le JAZ (Ioméga) avec des disques amovibles métalliques de 2 Go et à temps d'accès rapide (équivalent à un disque dur) Stockage optique : disques à lecture laser Codage de l’information des disques optiques à lecture laser Voici, représenté ci-dessous, le disque classique, cédérom (CD-ROM) ou CD-Audio : laser En coupe selon la spirale, le disque a l’aspect suivant : Sens de la lumière du laser couche de polycarbonate détail des microbosses ou microcuvettes 0,12 µm trou central les microbosses ou microcuvettes sont disposées en une spirale sur le disque. Cette spirale fait 50 000 tours … soit 5,4 km largeur 0,6 µm fine couche métallique réfléchissante couche époxy 1,6 µm 120 mm le cédérom structure du disque cédérom Lecture laser La précision du laser, fin pinceau de lumière cohérente c’est-à-dire dont tous les photons vibrent en phase, permet de discriminer deux points distants de 830 nm (cd) [400 nm (DVD) et 160 nm (disque Blue Ray")]. La densité ainsi obtenue est, 2 pour le cd, de quelques dizaines de millions de bits par cm , soit 10 à 12 000 fois plus que les supports magnétiques. Elle peut être augmentée avec des lasers de longueur d’onde plus petite (de l’infrarouge vers les lasers bleus et même ultraviolets). Le laser lit le disque sur lequel des microbosses (parfois appelées des microcuvettes) sont gravées : le faisceau du rayon laser est dispersé par la transition qui apparaît à l’entrée ou à la sortie d’une microbosse (ou microcuvette). La lumière réfléchie est détectée par deux phototransistors et l’information traduite. La longueur minimum d’une microbosse est de 0,83 µm et les pistes sont séparées de 1,6 µm. 4 Situation 1 La lumière émise par le laser rencontre une surface métallique : elle est réfléchie vers l'émetteur Diode laser Situation 2 La lumière émise par le laser rencontre une bosse : elle est dispersée et donc n'est pas réfléchie vers l'émetteur prisme-miroir photodiodes de réception dispersion de la lumière du laser lentilles convergentes cédérom action du laser sur le cédérom lecture laser du cédérom L’émission laser traverse un prisme miroir, atteint le disque et est réfléchie vers le prisme-miroir qui la renvoie vers deux photodétecteurs qui l’analysent et l’envoient à l’électronique du lecteur. L’information lue par le laser est donc : • la présence d’une microbosse • la durée entre deux microbosses. Il reste alors au système à traduire ces données selon le codage initial, c’est à dire à restituer les informations initiales quelle que soit leur nature. Photographie de l'intérieur d'un lecteur de cédérom Décodage numérique Quand l’information est numérique, nul besoin d’une numérisation … Par contre le signal analogique doit être numérisé : il est découpé en tranches de durée constante. Il est “échantillonné”. Chaque tranche possède une amplitude qui est affectée d’une valeur numérique proportionnelle. Un code numérique est ainsi obtenu qu’il faut maintenant transférer sur le disque. Les contraintes techniques de la lecture imposent un codage particulier : il ne doit pas y avoir deux 1 successifs puisque le 1 est codé par le rebord de la microbosse. Un octet (mot de 8 bits) est pour cela transformé en mot de 14 bits. De plus les différents mots sont séparés par 3 bits pour éviter deux 1 successifs entre deux mots. S’ajoutent des bits de contrôle des erreurs. Enfin, les contraintes mécaniques imposent moins de 11 bits à 0 successifs. -12 Le lecteur pourra alors lire avec un taux d’erreurs de 10 . Le taux d’erreur peut même, avec correction automatique, aller jusqu’à 10 qui correspond à 1 erreur tous les 226 000 cédéroms… -16 ce Pour limiter la place occupée par les bits de correction d’erreurs, deux modes sont possibles : le mode 1 est utilisé pour les données informatiques ne supportant pas d’erreurs, le mode 2 pour les données image ou son qu’un nombre minime d’erreurs n’affectera pas de façon visible. Au niveau du disque, l’information occupe une longueur constante : or la spirale est plus longue au bord du disque qu’à l’intérieur… La -1 -1 lecture doit donc se faire à vitesse linéaire constante (CLV ou constant linear velocity) soit 1,25 m.s (4,5 km h ): la vitesse de rotation du disque dépend donc de la position de la tête : elle est de 535 tours par minute près du centre et de 200 tours à la périphérie pour les premiers lecteurs (x 1). -1 -1 Le taux de transfert d’informations est de 150 Ko s (pour des images animées il faudrait 27 000 Ko s ) L’amélioration des performances des lecteurs a été très importante ces dernières années en multipliant la vitesse de transfert. De façon -1 classique, l’augmentation de la vitesse de rotation du lecteur jusqu’à 6000 tours par minute permet d’atteindre un débit de 1800 Ko.s (x 12). Pour aller au delà il a fallu des astuces et en particulier le recours à une vitesse angulaire constante. Ces différents progrès amènent le temps d’accès vers 100 ms. L'amélioration a porté aussi sur la densité d'informations conduisant au DVD. 5 Différents types de disques optiques Les progrès techniques, considérables et rapides expliquent en grande partie le nombre de nouveaux supports et leurs incompatibilités. Remarquons que le stockage optique a même été utilisé pour des images analogiques dans le vidéodisque. Le premier support apparu fut le CD-Audio suivi du cédérom et de ses déclinaisons. Limité pour la diffusion de vidéos, le cédérom cèdera progressivement la place au DVD. Voici les principales caractéristiques de ces différents supports. CD-Audio C’est la grande révolution de la diffusion de la musique dans les dernières années. Le disque traditionnel en vinyle a été détrôné par le CD-Audio ou disque compact en raison d’un son de grande qualité, de facilités d’emploi (une seule face avec de 55 à 74 min.), de solidité liée à l’absence de frottements (réutilisation un nombre “infini” de fois sans perte). Le nombre de morceaux différents (“pistes”) varie entre 1 à 99 et le lecteur lit au moins 4 secondes de musique. L’enregistrement du son est numérique et non analogique. Il n'est pas compressé. La diffusion de masse a imposé une norme, ISO 9660 intégrant la norme High Sierra. La qualité du son numérique dépend de la conversion réalisée sur 16 bits, et de l’échantillonnage, réalisé à 44,1 kHz soit une mesure toutes les 23 µs environ). Certains mélomanes peuvent ressentir les défauts liés à cette numérisation. Des progrès sont possibles dans le cadre de la norme actuelle (procédé SONY de conversion sur 20 bits puis retransfert sous 16 bits …). Cédérom (CD-ROM) La technique du CD-Audio a été appliquée aux données informatiques autres que le son seul. C’est le DOC ou CD-ROM (cédérom) qui représente une capacité informatique de 550 à 650 Mo. Chaque secteur contient 2352 octets et le lecteur analyse 75 secteurs par seconde), soit environ 400 disquettes de 1,2 Mo … Le Grand Robert en 9 volumes ne “pèse” dans sa version DOC que 15 grammes … et n’occupe que 200 Mo du disque ! Cette capacité extraordinaire ne doit toutefois pas faire illusion : une image numérisée dans une qualité correcte occupera 2 à 3 Mo… (voir CD Photo) … D’autre part, les temps d’accès sont relativement longs : il faut compter 300 à 500 ms contre 3 à 15 ms pour le disque dur. Il n’empêche que le cédérom permet l’accès à une masse d’informations considérable et de toute nature. La plupart des ordinateurs sont aujourd’hui vendus équipés d’un lecteur à grande vitesse (x 20 par rapport aux premiers lecteurs), lecteur permettant la lecture des disques audio. CD-R (enregistrable une fois) Ce type de disque optique numérique, appelé CD-R (R pour registrable) permet une seule écriture et une relecture multiple. Il ressemble au cédérom : la lecture utilise les mêmes principes de réflectivité du rayon laser. Le disque inclus une couche de colorant thermosensible. L’écriture est réalisée par « brûlage » du colorant à l’aide du même rayon laser émis à une puissance plus importante (10 mW contre 1 mW). Les taches noires remplacent les cuvettes. La possibilité d’écrire sans modification ultérieure va destiner ce type de disque optique numérique (DON) à l’archivage essentiellement. Le graveur étant devenu beaucoup moins coûteux et tous les ordinateurs étant équipés de lecteur de cédérom, le CD-R est devenu un standard d’archivage et d’échange. Le prix des disques vierges a, de plus, chuté. CD-RW Le CR-RW est une amélioration du CD-R ajoutant la possibilité d’effacement et de réécriture (W= write). Le disque inclus une couche particulière, cristalline, dont le chauffage à température élevée, vers 600°C, provoque un changement de phase vers l’amorphe alors qu’à 200°C la couche reste cristalline. Le refroidissement maintient la modification de phase dans les deux cas. La phase amorphe étant moins réflective, elle représente l’équivalent des cuvettes ou des taches noires des CD-R. À faible puissance, le laser pourra réaliser la lecture L’alliage utilisé pour la couche active est à base d’argent, d’indium, d’antimoine et de tellure. DVD-Vidéo (Digital video disc ou Digital versatile disc) Fin 1997 sont apparus dans le commerce les nouveaux lecteurs de disque intégrant la vidéo de façon beaucoup plus efficace en raison d’une capacité accrue à 4,7 Go en simple couche et simple face. Cette performance est obtenue par l’utilisation d’un rayon laser plus fin (longueur d’onde plus courte) et d’une mécanique de meilleure précision. La capacité est encore accrue par l’utilisation des deux faces d'une part et de deux couches d'autre part. La longueur minimum d’une microbosse passe de 0,83 µm sur le cédérom à 0,40 µm et les pistes sont séparées de 0,74 µm au lieu de 1,6 µm. Leur adoption mondiale fait des disques DVD un nouveau support de grande diffusion de vidéos mais aussi de toutes autres informations numériques. Les lecteurs de DVD peuvent lire les cédéroms actuels ce qui renforce l’intérêt de l’équipement. On retrouve pour le DVD les mêmes déclinaisons que pour le cédérom (DVD-ROM,, DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM sorte de disque dur amovible, DVD-Audio…). Le nom "officiel" est Disque numérique polyvalent. Attention, en anglais versatile signifie mobile… 6 CD DVD 0,40 µm 0,83 µm 0,74 µm 1,6 µm La même surface est représentée pour les deux types, CD et DVD Le DVR-RAM est le premier DVD réinscriptible apparu sur le marché mais ne peut être lu par les lecteurs de DVD-ROM. Il est particulièrement intéressant pour l’archivage et l’enregistrement vidéo direct. Il est manipulé comme une disquette et peut être réécrit plus de 100 000 fois (contre 1000 fois pour les DVD+RW ou –RW. Capacité 4,7 à 9,4 Go pour un prix élevé de 20 à 65 €) DVD-blue ray L'utilisation d'un laser ultraviolet (266 nm) permet d'augmenter les capacités du dvd devenant le Blue ray. La capacité atteint alors jusqu'à 50 Go. Stockage magnéto-optique POUR L'HISTOIRE La technologie magnéto-optique, mise sur la marché en 1989, utilisait une autre voie de recherche en employant le laser différemment pour créer un disque capable de remplacer les disquettes (donc effaçable et réinscriptible). Elle est aujourd'hui abandonnée. Le principe de la lecture repose sur la modulation du faisceau laser par la polarisation du support. Le codage de l’information dépend donc de la polarisation de la surface du disque. L’écriture repose sur la modification de la polarisation par un champ magnétique : le laser chauffe le support ce qui dépolarise la zone ciblée du disque (effet Curie). Un champ magnétique appliqué sur la même zone provoque une polarisation dans un sens ou un autre, selon l’information à inscrire. L’orientation des particules magnétiques est figée par le refroidissement. -1 -1 -1 • La vitesse de transfert d’information en écriture est de 200 Ko.s , et de 150 Ko.s à 600 Ko.s en lecture. • Le temps d’accès est de 35 ms (donc plus lent que les disques durs mais beaucoup plus rapide que les cédéroms). • La capacité va de 600 Mo à 1000 Mo (1 Go) au format de 13 cm. De plus, SONY a diffusé depuis novembre 1992, le MINI-DISC qui est un disque magnéto-optique pour la diffusion de son numérique : il est réinscriptible contrairement au CD-Audio et il est destiné avant tout aux baladeurs pour améliorer la qualité de l’écoute. En effet les secousses empêchent un bon suivi du rayon laser sur la piste. La réduction de la taille du disque (de 12 cm à 6,4 cm), l’adjonction d’une mémoire rapide qui stocke les informations en provenance du disque à vitesse irrégulière et les restitue à vitesse constante, expliquent l’intérêt du MiniDisc pour les baladeurs. Mais la concurrence des mémoires transistors a fait disparaître ce média. Stockage en mémoire-flash L’ensemble des moyens décrits pour stocker l’information et l’échanger est en grande partie remplacé par des mémoires flash. Ces mémoires nouvelles à base de transistors ont de grands avantages : • aucune partie mécanique donc grande fiabilité et faible consommation électrique, • capacités de stockage de plus en plus élevées (quelques centaines de Go), • indépendance de la source d'énergie pour conserver la mémoire tout en étant disponibles en lecture/écriture contrairement aux RAM classiques. Leur prix les rend très abordables pour les mémoires externes et deviennent très importantes dans les ordinateurs, en particulier portables, pour remplacer les disques durs ou les assister. Baladeurs numériques Une des premières applications a été le baladeur numérique comme l'iPod : 7 Série des baladeurs de type IPod (Apple) document wikipedia Toutefois, il n'y a guère de différence avec une clé USB : Clé USB L'invasion du marché par les clés USB a rendu ringardes les disquettes. CLÉ USB (wikipédia) Clé USB servant aussi de baladeur (1. connecteur USB, 4 : puce de mémoire flash…) Cartes photos Les appareils photos et certains caméscopes fonctionnent aujourd'hui avec des cartes que l'on retrouve aussi dans les téléphones portables… Le document ci-contre, issu de Wikipédia en montre différents types. Bien entendu, à un modèle donné peut exister plusieurs types de fonctionnement légèrement différent ! Pour un appareil photo, on ne peut pas toujours utiliser une carte d'un format donné : il faut choisir le modèle adapté. On peut évidemment mettre n'importe quel type de fichier sur les cartes. 8 Téléphones Les "smartphones" qui en sont que de petits ordinateurs, sont équipés de mémoires flash. Ils remplacent d'ailleurs de plus en plus les baladeurs numériques, ou sont eux-mêmes des baladeurs numériques… Résumé… Le schéma suivant tente de montrer les différents supports d’information et leurs capacités. Les évolutions à venir risquent d'amener des mémoires flash de très grande capacité bousculant encore ces mémoires. Figure – Comparaisons des différents supports mémoire. L'encart développe les mémoires de faible capacité. Corrélats : 9
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