Interface du disque dur

Les disques durs sont accessibles via un certain nombre de types de bus , notamment ATA parallèle (PATA, également appelé IDE ou EIDE ; décrit avant l'introduction du SATA sous le nom ATA), Serial ATA (SATA), SCSI , Serial Attached SCSI (SAS) et Fibre Channel . Des circuits de pont sont parfois utilisés pour connecter les disques durs à des bus avec lesquels ils ne peuvent pas communiquer de manière native, tels que IEEE 1394 , USB , SCSI , NVMe et Thunderbolt .

Les interfaces des disques durs ont évolué, passant d'interfaces simples nécessitant des contrôleurs complexes pour se connecter à un ordinateur à des interfaces de haut niveau qui offrent une interface cohérente à un système informatique, quelle que soit la technologie interne du disque dur. Le tableau suivant répertorie certaines interfaces courantes des disques durs par ordre chronologique :

Les premières interfaces de disque dur (HDD) étaient des interfaces de données série qui connectaient un disque dur à un contrôleur avec deux câbles, un pour le contrôle et un pour les données. Un câble supplémentaire était utilisé pour l'alimentation, au début fréquemment en courant alternatif, mais plus tard généralement connecté directement à un bloc d'alimentation en courant continu. Le contrôleur fournissait des fonctions importantes telles que la conversion série/parallèle, la séparation des données et le formatage des pistes, et nécessitait une correspondance avec le lecteur (après le formatage) afin de garantir la fiabilité. Chaque câble de contrôle pouvait desservir deux lecteurs ou plus, tandis qu'un câble de données dédié (et plus petit) desservait chaque lecteur.

Voici quelques exemples de ces premières interfaces :

• De nombreux premiers lecteurs IBM, par exemple l'IBM 2311 , disposaient d'une telle interface.
• L' interface SMD était populaire sur les mini-ordinateurs dans les années 1970.
• Le ST-506 utilise la MFM (Modified Frequency Modulation) pour la méthode de codage des données.
• ST412, une variante de ST-506 était disponible dans les variantes d'encodage MFM ou RLL (Run Length Limited).
• L'ESDI ( Enhanced Small Disk Interface ) était une interface standard de l'industrie similaire à ST412 prenant en charge des débits de données plus élevés entre le processeur et le lecteur de disque.

Dans les interfaces de données série à bits, la fréquence des données, le schéma de codage des données telles qu'elles sont écrites sur la surface du disque et la détection des erreurs ont tous influencé la conception du contrôleur de support. Les schémas de codage utilisés comprenaient la modulation de fréquence (FM), la modulation de fréquence modifiée (MFM) et le codage RLL à des fréquences allant par exemple de 0,156 MHz (FM sur 2311) à 7,5 MHz (RLL sur ST412). Ainsi, chaque fois que la technologie interne progressait, un délai était nécessaire pour que les contrôleurs soient conçus ou repensés pour s'adapter à l'avancement ; ceci, ainsi que le coût du développement des contrôleurs, a conduit à l'introduction des interfaces série Word.

L'ESDI ( Enhanced Small Disk Interface ) était une tentative de minimiser le temps de conception du contrôleur en prenant en charge plusieurs débits de données avec un schéma de codage de données standard ; cela était généralement négocié automatiquement par le lecteur de disque et le contrôleur ; la plupart du temps, cependant, les lecteurs de disque ESDI de 15 ou 20 mégabits n'étaient pas rétrocompatibles (c'est-à-dire qu'un lecteur de disque de 15 ou 20 mégabits ne fonctionnait pas sur un contrôleur de 10 mégabits). Les lecteurs de disque ESDI avaient généralement également des cavaliers pour définir le nombre de secteurs par piste et (dans certains cas) la taille du secteur.

Les interfaces série historiques connectent un disque dur à un adaptateur de bus avec un câble pour combiner les données et le contrôle. (Comme pour toutes les premières interfaces ci-dessus, chaque lecteur dispose également d'un câble d'alimentation supplémentaire, généralement directement relié au bloc d'alimentation.) Les premières versions de ces interfaces avaient généralement un transfert de données parallèle 8 bits vers/depuis le lecteur, mais les versions 16 bits sont devenues beaucoup plus courantes, et il existe des versions 32 bits. La nature du mot transfert de données rend la conception d'un adaptateur de bus hôte beaucoup plus simple que celle du contrôleur de disque dur précurseur.

• CTL-I (Controller Interface) était une interface série à 8 bits introduite par IBM pour ses disques durs mainframe à partir du 3333 en 1972. Le 3333 était la première unité d'une chaîne pouvant contenir jusqu'à huit disques durs de type 3330 ; il contenait un contrôleur CTL-I et deux disques durs de type 3330. Par la suite, le premier lecteur (contenant un contrôleur CTL-I) d'une chaîne de lecteurs a été désigné par IBM comme une unité A. Les lecteurs d'une unité A et tous les autres lecteurs d'une chaîne avaient des interfaces similaires aux premières interfaces, ci-dessus. Les unités A connectées aux directeurs IBM ou aux attachements intégrés .
• L'interface SCSI (Small Computer System Interface) , initialement nommée SASI pour Shugart Associates System Interface, est une interface standard de l'industrie (vers 1978) explicitement déployée pour minimiser les efforts d'intégration des systèmes. Les disques SCSI sont devenus la norme sur les serveurs et les stations de travail. Commodore Amiga et Apple Macintosh ont déployé des lecteurs SCSI jusqu'au milieu des années 1990, date à laquelle la plupart des modèles étaient passés aux disques de la famille ATA (et plus tard, SATA). Ce n'est qu'en 2005 que la capacité des disques SCSI est tombée derrière la technologie des disques ATA, bien que les disques les plus performants soient toujours disponibles uniquement en SCSI, SAS et Fibre Channel. Les limitations de portée du câble de données permettent d'utiliser des périphériques SCSI externes. À l'origine, les câbles de données SCSI utilisaient une transmission de données à extrémité unique (mode commun), mais le SCSI de classe serveur pouvait utiliser une transmission différentielle, soit à basse tension différentielle (LVD) soit à haute tension différentielle (HVD). (Les tensions « basse » et « haute » pour le SCSI différentiel sont relatives aux normes SCSI et ne correspondent pas à la signification de basse tension et de haute tension telles qu'utilisées dans les contextes généraux d'ingénierie électrique, comme cela s'applique par exemple aux codes électriques réglementaires ; LVD et HVD utilisent tous deux des signaux basse tension (3,3 V et 5 V respectivement) dans la terminologie générale.)

• Parallel ATA , à l'origine IDE puis normalisé sous le nom AT Attachment (ATA), avec l'alias P-ATA ou PATA ajouté rétroactivement lors de l'introduction de la nouvelle variante Serial ATA . Le nom d'origine (vers 1986) reflétait l'intégration du contrôleur avec le disque dur lui-même. (Cette intégration n'était pas nouvelle avec IDE, ayant été réalisée quelques années plus tôt avec les lecteurs SCSI.) Le déplacement du contrôleur de disque dur de la carte d'interface vers le lecteur de disque a contribué à normaliser l'interface hôte/contrôleur, à réduire la complexité de la programmation dans le pilote de périphérique hôte et à réduire le coût et la complexité du système. La connexion IDE/ATA à 40 broches transfère 16 bits de données à la fois sur le câble de données. Le câble de données était à l'origine à 40 conducteurs, mais plus tard, les exigences de vitesse plus élevées pour le transfert de données vers et depuis le disque dur ont conduit à un mode « ultra DMA », connu sous le nom d' UDMA . Les versions de plus en plus rapides de cette norme ont finalement ajouté l'exigence d'une variante à 80 conducteurs du même câble, où la moitié des conducteurs fournit la mise à la terre nécessaire pour améliorer la qualité du signal à haut débit en réduisant la diaphonie . L'interface pour 80 conducteurs ne comporte que 39 broches, la broche manquante faisant office de clé pour empêcher l'insertion incorrecte du connecteur dans une prise incompatible, une cause fréquente de dommages au disque et au contrôleur.

Les interfaces série modernes relient un disque dur à un adaptateur d'interface de bus hôte (aujourd'hui, dans un PC, généralement intégré dans le « pont sud ») avec un câble de données/contrôle. Chaque lecteur dispose également d'un câble d'alimentation supplémentaire, généralement directement relié au bloc d'alimentation.

• L'interconnexion de disque standard (SDI) de DEC était l'un des premiers exemples d' interface série binaire moderne.
• Fibre Channel (FC) est le successeur de l'interface SCSI parallèle sur le marché des entreprises. Il s'agit d'un protocole série. Dans les lecteurs de disques, la topologie de connexion Fibre Channel Arbitrated Loop (FC-AL) est généralement utilisée. FC a une utilisation beaucoup plus large que les simples interfaces de disque et constitue la pierre angulaire des réseaux de stockage (SAN). Récemment, d'autres protocoles pour ce domaine, comme iSCSI et ATA over Ethernet, ont également été développés. Il est déroutant de constater que les lecteurs utilisent généralement des câbles à paires torsadées en cuivre pour Fibre Channel, et non des fibres optiques. Ces dernières sont traditionnellement réservées aux appareils plus volumineux, tels que les serveurs ou les contrôleurs de baies de disques .

• Serial ATA (SATA). Le câble de données SATA possède une paire de données pour la transmission différentielle des données vers le périphérique et une paire pour la réception différentielle depuis le périphérique, tout comme EIA-422 . Cela nécessite que les données soient transmises en série. Unsystème de signalisation différentiel similaire est utilisé dans RS485 , LocalTalk , USB , FireWire et SCSI différentiel .
• Serial Attached SCSI (SAS). Le SAS est un protocole de communication série de nouvelle génération pour les périphériques conçus pour permettre des transferts de données à des vitesses beaucoup plus élevées et est compatible avec SATA. Le SAS utilise un connecteur de données et d'alimentation mécaniquement identique à celui des disques durs SATA1/SATA2 standard de 3,5 pouces, et de nombreux contrôleurs RAID SAS orientés serveur sont également capables de gérer les disques durs SATA. Le SAS utilise la communication série au lieu de la méthode parallèle que l'on trouve dans les périphériques SCSI traditionnels, mais utilise toujours les commandes SCSI.