INFORMATIQUE

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Retour à l'histoire des techniques de stockage de l'information

La CARTE PERFOREE (1930)

En 1805, bien avant l'informatique, la première mémoire de masse, c'est-à-dire un support permettant le stockage permanent des données, a été inventée par le Français Joseph-Marie Jacquard : c'était la carte perforée, et elle était destinée à commander les dessins des tissus fabriqués par son métier à tisser.
En 1833, Charles Babbage construit sa “machine analytique”, ordinateur mécanique qui comportait déjà tout une série de dispositifs et concepts qu’on allait retrouver sur les ordinateurs modernes : unité d’entrée, unité arithmétique et logique, itérations, registre d’index, unité de sortie. Les unités d’entrée et de sortie utilisaient des cartes perforées inspirées de celle de Jacquard, un peu plus grandes que les cartes perforées IBM mais avec des trous ronds de près d’un centimètre de diamètre.
En 1890 Hermann Hollerith l'a réutilisée sur sa machine destinée au recensement américain. Le code des cartes perforées conçu par Hollerith était un code de 12 bits qui aurait donc pu rendre compte d’un alphabet de 2 à la puissance 12, soit 4116 caractères différents. Mais il n’avait utilisé que 12 caractères pour représenter des lettres, 10 pour représenter des chiffres et deux caractères de contrôle soit 24 caractères. Chaque caractère représentait un mot destiné à identifier la personne recensée : “m” pour “man”, “w” pour “woman”, “rk” pour roumain-catholique, “gk” pour grec-catholique, “dt” pour allemand, “sk” pour serbo-croate, “o” pour ouvrier, “An” pour illetré, “cr” pour crétin, “gs” pour divorcé. Les cartes mesuraient 6 centimètre sur 12. Les cartes comportaient 210 cases.
 
Figure 15 : perforatrice de cartes d’Hollerith

En 1930, eut lieu le boom des cartes perforées. Pour les besoins de la mécanographie, l’alphabet tout entier fut alors représenté, et on ajouta le “-”, le “*” et le “&”. Il y avait donc 39 caractères différents.
En 1935, IBM produisait plus de 3 milliards de cartes par an, il s’agissait alors encore de mécanographie.
En 1954; avec l’apparition de l’ordinateur et des besoins nés de son utilisation en gestion, des caractères comme le “%” devinrent utiles également et IBM estima que le nombre de caractères à représenter devait être de 48 au minimum. Les caractères furent donc codés sur 6 bits et ce code se retrouva sur l’IBM 705 et l’IBM 1401, ce qui le rendit populaire.
Les cartes comportent 80 colonnes dont chacune peut contenir un caractère. Chaque colonne dispose de 12 lignes numérotées de haut en bas : 12, 11, 0 à 9 sur lesquelles on peut percer un trou ; chaque combinaison de perforations sur une colonne correspond à un symbole déterminé. C'est ainsi qu'on obtient le chiffre 8 en perforant la ligne du 8 ; la lettre A s'obtient en perforant les lignes du 1 et du 11. Le perforateur peut traiter de 100 à 500 cartes par minute et le lecteur jusqu'à 1500. Il est bien évident que celui ou celle qui entre les données n’a pas à connaître le code de perforation. D’ailleurs pour faciliter la vérification de la perforation, la plupart des perforatrices impriment également, sur le haut de la carte, la ligne de texte perforée ce qui, de plus, facilite la recherche manuelle d’une carte perforée. La carte est alors dite interprétée.
Deux procédés de lecture des perforations étaient utilisés : les balais et les cellules photo-électriques. Puis les lecteurs à balais ont disparu au profit des lecteurs à cellules.
Le système 34 d'IBM utilisait d'autres cartes perforées plus petites dont les trous étaient ronds et qui existait en 1973. Remigton Rand avait en 1950, un format de carte de 90 caractères.
 

Le RUBAN PERFORE

Tout comme la carte perforée, le ruban perforé a été inventé avant l’informatique et a la même origine, le métier à tisser. C’est à Lyon, au début du 18è siècle que Basile Bouchon eut l’idée de faciliter la commande des séquences d’opérations à effectuer par une machine à tisser en utilisant des bandes perforées.
Stibitz avait, dès 1939, utilisé des bandes perforées comme mémoire du BELL LABS Computer. Empruntées aux machines comptables et surtout aux télétypes ces bandes furent utilisées pendant toute la première génération d’ordinateurs, soit entre 19xx et 19xx.
Sur une bande en papier de 3 centimètres de large environ, de petites perforations rondes ou carrées sont faites sur six ou huit pistes longitudinales. Un caractère est représenté sur la largeur de la bande par 6 ou 8 perforations selon le code utilisé.
Le principal avantage de ce type de support était son faible coût, mais sa lourdeur de manipulation en a limité la diffusion. Les principaux inconvénients étaient sa lenteur et l'impossibilité de corriger ou de trier les informations, contrairement au support carte. Elles étaient fragiles et se déchiraient facilement. D’autre part elles étaient lentes, leur vitesse de lecture était limitée, car il ne peut être question de tirer trop fort sur une bande de papier pour accélérer son déroulement.
 
Figure 16 : ruban perforé

Les BANDES MAGNETIQUES (1949)

Jusqu'ici il a été question de supports qui supposent de grandes contraintes d'ordre mécanique ; dorénavant, nous aurons affaire à des dispositifs techniques électroniques, associés à une mécanique de haute précision. Les recherches sur les bandes magnétiques débutèrent en 1949 et on utilisa alternativement les bandes métalliques et plastique jusqu’en 1957, époque où la bande magnétique métallique disparut peu à peu.
Bandes magnétiques métalliques
Avant l’apparition des ordinateurs comme nous les conçevons aujourd’hui, des bandes magnétiques avaient déjà été connectées à des calculateurs. C’est ainsi que l’UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer), premier ordinateur de gestion, utilisait déjà des bandes magnétiques, mais ces bandes étaient en acier et les enroulages et déroulages entraînaient fréquemment leur cassure. Le métal était lourd et provoquait une usure rapide de la tête. De plus, les bords extrêmement tranchants de la bande métallique posaient un sérieux problème de sécurité. Malgré ces inconvénients, les ingénieurs, constamment à la recherche d’une densité de piste accrue, s’efforçaient sans répit d’améliorer la bande métallique. L’un d’entre eux, Ted Bonn, entré chez Eckert-Mauchly vers la fin des années 1940, se concentra sur l’application d’une laque magnétique sur une bande de bronze d’un demi-pouce de large, procédé chimique qui dégageait des vapeurs nocives. A cause de ces inconvénients et les progrès des bandes souples, ce support commença à disparaître dès 1957. Quand de plus, IBM mit en service des bandes de plastique dans ses ordinateurs commerciaux, le sort de la bande métallique fut définitivement reglé.
La bande magnétique métallique de l’UNIVAC avait l’avantage sur celle en plastique du BINAC de poséder huit pistes au lieu de cinq, ce qui lui permettait de contenir environ deux fois plus de données. Une bande mémorisait plus d’un million d’octets soit la capacité d’une actuelle disquette de 3,5 pouces.
Eckert et Mauchly avaient aussi amélioré leur unité à bande par une mémoire tampon (“buffer”) consituée de lignes à retard au mercure. Cette mémoire se remplissait avec les informations de la bande sans utiliser l’unité de traitement centrale et donc sans l’interrompre. Dès que l’unité centrale avait besoin des données, elle les trouvait dans la mémoire tampon sans perdre du temps à attendre le déroulement de la bande.
Bandes magnétiques plastique
Les bandes magnétiques souples furent essayées pour la première fois sur un EDVAC en 1949. Elle fut livrée en 1950 au Ballistic Research Lab où elle devint opérationnelle à la fin de 1951.
En août 1949, peu de temps après que Ampex eut présenté à Crosby ses magnétophones (voir l’enregistrement magnétique), une entreprise créée par deux pionniers de l’informatique, J. Presper Eckert et John W. Mauchly, présenta une machine nommée BINAC (BINary Automatic Computer) : son dispositif de stockage ressemblait à un magnétophone à bande. Comme l’enregistreur audio de Ampex, le BINAC utilisait des bobines d’une étroite bande en plastique capable de stocker les données sous la forme d’un champ magnétique engendré par des signaux électriques. Le BINAC traitant les données par groupe de cinq bits, les données furent organisées sur la bande en cinq longues lignes, ou pistes, parallèles à la longueur de la bande. Cinq bits étaient enregistrés simultanément sur la largeur de la bande pour constituer un “mot”. Malheureusement le BINAC ne fut pas un succès ; apparemment au point à la sortie de l’atelier, il ne fonctionna jamais correctement une fois installé chez son premier client, la Northtrop Aircraft Company. Ses concepteurs entamèrent alors la conception de l’UNIVAC qui, lui, allait employer les bandes magnétiques métalliques et sera commercialsé en 1951.

La colonne à dépression

Contrairement aux magnétophones audio dont le déroulement de la bande était continu, il fallait pour les données informatiques enrouler la bande à grande vitesse, tout en permettant de démarrer et de stopper celle-ci sans risque de rupture. Pour résoudre ce problème, IBM avait au printemps 1949, expérimenté un dispositif appelé “griffe électrostatique”, un système décevant fondé sur l’attraction électrostatique entre la bande et la roue d’entraînement. L’équipe d’IBM découvrit que la vitesse de la rotation de la roue variait en fonction de l’humidité relative de la pièce. James Weidenhammer, un membre de l’équipe, expliqua : “Nous ouvrions le purgeur du radiateur pour que de la vapeur augmente le dégré d’humidité de la pièce avant de faire fonctionner le système”.
IBM mit alors au point un appareil à bande, appelé dévideur à pincement, qui enroulait ou déroulait la bande en la tenant serrée entre une poulie et un cabestan. Le dévideur à pincement faissait passer la bande de l’arrêt à une vitesse de 3,5 mètres par seconde en 5 millisecondes et la stoppait exactement à l’endroit voulu avec efficacité. De telles vitesses requéraient un contrôle précis des bobines d’alimentation et de réception, afin que la bande soit assez lâche pour ne pas casser net, mais assez tendue pour ne pas s’emmêler. Néanmoins l’appareil était encore perfectible et un jour, alors que ses collègues déjeunaient, Weidenhammer découvrit par hasard la solution : la colonne à dépression.
Le groupe de recherche avait déjà tenté d’utiliser des jets d’air pour souffler les lacets de bande dans un tube rectangulaire vertical, mais les boucles n’étaient pas descendues de façon appréciable parce que la pression de l’air dans chaque boucle plaquait la bande contre les parois du tube. Weidenhammer se rappelle avoir “simplement changé le raccordement de l’aspirateur”. Il raccorda le tuyeau de celui-ci à l’extrémité inférieure du tube et la succion évita à la bande de toucher les parois du tube.
Dès que fut connue l’idée géniale de Weidenhammer, le système de la colonne à dépression pour contrôler la tension des bandes se révéla l’une des inventions les plus fructueuses de l’histoire du stockage des données informatiques. Le concept d’IBM fut adopté par presque tous les constructeurs d’ordinateurs.
Les premières bandes magnétiques en plastique furent mise au point pour le RAYDAC, dont le concepteur était Louis Fem, machine construite en 1951 pour la société RAYTHEON.
En 1952, IBM mettait au point le système IBM 701, premier ordinateur scientifique équipé de bandes magnétiques. La densité d'enregistrement était alors de 40 caractères par centimètre, Les bandes IBM 726 pour cet ordinateur étaient les premières bandes à support plastique résistantes aux grandes vitesses d’enroulement ou de déroulement. Elles se déroulaient à une vitesse permettant d’alimenter l’ordinateur à 7500 caractères par seconde et contenaient l’équivalent de 15000 cartes perforées soit 1,2 MB. L’appareil fut présenté le 7 avril 1953.
Dernières versions
Dans ses dernières versions, la lecture est de 20 à 100 fois plus rapide que le lecteur de cartes et elle emmagasine l'information en un espace beaucoup plus réduit (la bande, enroulée dans une bobine de 20 cm de diamètre, peut contenir quelque 30 millions de caractères, pour lesquels 375000 cartes seraient nécessaires). Le prix du stockage du caractère est plusieurs dizaines de fois moins élevé qu'avec la carte.
Comme sur une bande perforée, les informations enregistrées sur bande magnétique le sont sur des pistes longitudinales. Il existe deux types de bande : à 7 ou 9 pistes. Chaque caractère est représenté sur la largeur de la bande par 7 ou 9 "moments" magnétiques résultant du passage du courant électrique circulant à travers les têtes d'enregistrement (une par piste). Les bandes sont disponibles en longueur de 90, 180, 365 et 730 mètres.
Deux modes d'enregistrement sont généralement employés : le NRZI et la modulation de phase (parfois appelée inversion de phase). En mode NRZI (Non Retour à Zéro Ibm), l'inversion du flux magnétique se traduit par un bit 1 et l'absence d'inversion du flux par un bit 0. En revanche, en modulation de phase, les bits 0 et 1 sont tous deux enregistrés par une inversion de flux. Cette dernière méthode a permis d'augmenter la densité des enregistrements et la vitesse de défilement des bandes. En 1973, les densités les plus courantes étaient 556, 800 et 1600 bits par pouce. Mais après, sont apparues les vitesses de 3200 et 6250 bits par pouce. Quant aux vitesses de transfert des informations entre le dérouleur et l'unité centrale, elles varient de 30000 à 640000 caractères par seconde.
Les enregistrements sont faits sur la bande par blocs de longueur fixe ou variable, séparés par des intervalles de longueur fixe qui ne comportent aucune information (gaps). Au début et à la fin de chaque bloc se trouvent des caractères permettant de l'identifier et de l'encadrer.
Bien entendu, sur une bande, la recherche, l'écriture ou la lecture ne peuvent se faire que de façon séquentielle.
 

Les CARTOUCHES MAGNETIQUES 3850 (1976)

En 1976, IBM lança le système de mémoire de masse 3850 dans lequel des cartouches pouvant contenir 50,2 Mb étaient stockées dans une structure en nid d'abeille. Un automate équipé d'un bras venait prendre la cartouche et l'insérer dans le lecteur. La longueur de la bande est de 19 mètres, sa largeur est de 3 pouces et elle est en oxyde ferrique. Les cartouches sont constituées d'un cylindre en plastique qui protège la bande contre la poussière.
 

Les CARTOUCHES MAGNETIQUES 3480

Ces cartouches sont destinées à remplacer les bandes magnétiques. Elles offrent de nombreux avantages : densité d'enregistrement 6 fois plus élevée, fiabilité, encombrement réduit à 50%.
La cartouche abrite une bobine de 10 cm de diamètre contenant 171 mètres de bande au dioxyde de chrome sur support polyester d'une largeur de 12,65 mm. La densité d'enregistrement est de 38 Kb par pouce et la capacité totale de 210 Mo environ. Le temps de lecture est de 1.5 minutes alors qu'une bande demandait 5 minutes pour une capacité totale de 165 Mo.