hard disk nedir nasıl çalışır?

Sabit Disk (Hard Disk) Nedir?
Sistem bellekleri (RAM) sakladıkları bilgileri PC’nizi kapattığınızda saklayamaz. Sistem belleklerinin bu özelliğinden dolayı güç kullanmadığı halde veri saklayabilecek donanımlara ihtiyacı vardır. İşte bu ihtiyacı sistemde sabit disk sürücüler karşılar. Sabit diskler bilgisayarınızı açtığınızda işletim sistemini ve diğer yazılımları sistem belleğine yükler ve kalıcı olarak saklamaya karar verdiğiniz bilgileri PC’niz kapalı bile olsa korumaya devam eder. Sabit diskler saklanması gereken verileri disk üzerinde manyetik değişim gerçekleştirerek yazarlar. Sabit diskleri incelerken mekanik kısım ve hareketli parça içermeyen elektronik kısım olarak ele almak yerinde olur. Hareketli parçalar sabit disk sürücülerinin çalışmasını engelleyen toz ve diğer etkenlerden korumak amacıyla havası izole edilmiş bir bölme içinde yer alır. Sabit disk sürücülerindeki hareketli parçalar mil, manyetik diskler, okuyucu/yazıcı kafalar, kafaların yerleştirildiği kollar ve kollara hareket veren sistemdir. Verilerin yazıldığı kısım ise disklerdir. Disklerin üzerine yazılan verinin yoğunluğu sabit disklerin veri saklama kapasitesini performansını olumlu yönde etkiler. Disklerin en önemli bölümleri diski oluşturan sert alt tabaka ve üstteki manyetik tabakadır. Bu önemli tabaka için üretici firmalar sabit disk tasarımlarında çeşitli materyaller kullanırlar.
Disk yüzeyindeki pürüzsüz düz tabaka için eski sabit disk sürücülerinde manyetik oksit kullanılırdı. Manyetik oksit şu an kullanılan ince manyetik film tabakasına göre daha kalın ve çabuk bozulan bir tabakaydı. Günümüzde ısıya dirençli ve daha ince disklerin yapılabilmesine imkan veren özellikleri açısından cam esaslı diskler alüminyum olanlara alternatif oluşturuyor. Artık manyetik tabakasının yerini filmsi ince manyetik tabakalar almış durumda. Sabit disk sürücülerinin en hassas mekanizmalarından birini kafaların diski çizmeden çok yakın biçimde okuma ve yazma yapabilmesi teşkil eder. Diskler mil üzerinde yüksek hızda dönmeye başladığında kaydırıcıların altından geçen hava akımı okutucu/yazıcı kafaların disklere sürtmeden havada asılı kalmasını sağlarlar. Disklerin üzerindeki manyetik yüzeye neredeyse değecek biçimde duran okuyucu/yazıcı kafa ile manyetik yüzey arasındaki mesafe günümüz sabit disk sürücülerinde 0.07 mm’den bile daha azdır. Kafaları disk üzerinde okunacak yada yazılacak bölgeye götüren ve çok hızlı çalışan kısım ise ‘Actuator’ adındaki kısımdır. Kafalar kaydırıcılara ve kaydırıcılar da kollara bağlı olmak üzere birlikte Actuator’a bağlıdırlar. Hoparlörlerdeki ses üreten manyetik bobine çok benzer biçimde çalışan Actuator adeta ses üreten bir bobin kadar hızlı biçimde kafaları diskler üzerinde içeri ve dışarı yönde hareket ettirir.
Hızla dönen diskler üzerinde okuyucu/yazıcı kafalar, mantık yani kontrol ünitesinden gelen sinyallere göre hareket ederler.
Mantık ünitesi yani elektronik kısım bilgisayarla sabit disk arasındaki veri alışverişini ve hareketli parçaların kontrolü görevini yürütür.

Hard diskin Çalışma Prensipleri

Verilerimizi kalıcı olarak saklamak için kullanılan bir saklama birimidir. Sabit disk döner bir mil üzerine sıralanmış, metal veya plastikten yapılma ve üzeri manyetik bir tabaka ile kaplı plakalar ve bu plakaların alt ve üst kısımlarında yerleşen okuma/yazma kafalarından oluşur. Veriler sabit diskteki bu manyetik tabakalar üzerine kaydedilir. Verilerin kaydedilmesinde mıknatıslanma mantığı kullanılır. Mıknatısın iki kutbu dijital olarak 1 ve 0 ‘ı temsil eder. Verilerimiz böylece küçük mıknatıslar halinde bu manyetik ortamlara yazılırlar. Bu manyetik tabakaların üstü dairesel çizgilerle örülüdür. Bunlara iz (track) denir. Sabit disk’te birden fazla plakalar üst üste dizilmiştir. Bu plakaların hem alt hem de üst tarafına bilgi yazılabilir. Herbir plaka üzerinde altlı-üstlü yerleşen ve herbirinin ortadaki mile uzaklığı aynı olan izlerin oluşturduğu gruba silindir ismi verilir. Sabit disk üzerinde herbir yüz bir kafa tarafından okunmaktadır. Bu nedenle kafa ve yüz aynı terime karşılık gelir. İz yapısını pasta dilimi şeklinde bölünmesiyle oluşan ve sabit disk üzerinde adreslenebilir en küçük alana denk gelen parçaya ise sektör (Sector) adı verilir ve bir sektörün barındırabileceği veri miktarı 512 byte uzunluğundadır. Bu sektör, kafa ve izler sabit diskte verinin adreslenmesi için kullanılırlar. Şuan adreslemede kullanılan iki yöntem vardır. Bunlardan ilki CHS olarak adlandırılan Cylinder-Head-Sector konumlarının verilmesi ile 3 boyutlu olarak dosyanın yerinin bulunması ikincisi ise LBA (Logical Block Adressing – mantıksal kütük adreslemesi) adı verilen tek boyutlu adresleme yöntemidir. Günümüzde kullanılan iki tip sabit disk arabirimi vardır. Bunlar IDE ve SCSI’dir.

IDE

IDE (Integrated Drive Electronics) bilgisayarın anakartındaki veri yolu ile depolama aygıtları arasında kullanılan standart bir elektronik arabirimdir. IDE IBM’in 16 bitlik ISA yol sistemi tabanlıdır ama ayrıca diğer yol standartlarını kullanan yol sistemlerinde de kullanılabilir.Günümüzde satılan birçok bilgisayar IDE’nin gelişmiş versiyonu olan EIDE’yi (Enhanced IDE) kullanır. IDE kasım,1990’da ANSI tarafından bir standart olarak benimsendi. IDE’nin ANSI ismi ATA’dir (Advanced Technology Atachment). Normal şartlar bir IDE arabirim ile iki tane sabit diskin çalıştırılması mümkündür: Ancak iki entegre denetleyicisinin birinci pozisyonda olmak istemesini engellemek gerekir. Bunu yapmak için sürücülerden biri ana sürücü (Master Drive) diğeri de bağımlı sürücü (Slave Drive)’dır. Bu disk işlemlerinde açık bir hiyerarşi oluşturur. IDE’nin deenetleyici teknolojisinin artan isteklerine cevap vermekte yetersiz kalması nedeni ile EIDE’nin ortaya çıkmıştır. IDE denetleyicisinin üç temel sorunu vardı. 528 MB'’lık depolama üst sınırı vardı. Yani 528 MB’ın üstündeki diskler IDElerle kullanılamazlar. En çok iki disk desteği vardı. Yalnızca iki disk kullanılabilmekte idi. Ve CD-ROM gibi çevre birimlerine destek vermemekte idi. EIDE ile birlikte her bir disk için 8.4 GB’lık disk desteği vardır. Günümüzde bu sınır daha da üste çekilmiştir. 128 GB’a kadar diskler desteklenebilir. 4 tane IDE diski ve CD-ROM kullanılabilir. Bunun için de IDE1 ve IDE2 olarak iki tane arabirim konnektörü kullanılır. Birincil olana Primary ikincil olana da Secondary ismi verilir. Bir konnektörde iki tane disk ve benzeri aygıt kullanılabilir. Bunlar birbirinden Master ve slave olarak biribirinden ayrılır. Böylece bilgisayara takılan disk ve benzeri birimler Primary master, Primary Slave, Secondary Master ve Secondary Slave olarak isimlendirilir. Hiyerarşik düzünde aynen bu şekildedir. EIDE’lerle birlikte Ultra DMA kavramı ile karşılaşmaktayız. Ultra DMA bilgisayarın veriyi sabit diskten bilgisayarın veri yolları ile anabelleğe göndermede kullanılan bir protokoldür. ULTRA DMA/33 protokolü verileri çoğuşma modunda ve 33.3 MBps (Megabayt/saniye) hızında transfer eder. Bu bir önceki DMA arabiriminin iki katı kadar daha hızlıdır.Ultra DMA Sabit disk üreticisi olan QUANTUM ve chipset üreticisi olan INTEL tarafından geliştirildi. Bilgisayarınızın Ultra DMA’yı desteklemesi demek bilgisayarınızın daha hızlı açılması, yeni uygulamaları daha hızlı çalıştırması anlamına gelir. Ultra DMA 40 pinlik bir IDE arabirimi kablosu kullanır. Ultra DMA/33’den sonra Ultra DMA/66 çıktı. Ultra DMA/66 verilerin 66 MBps hızında iletilmesini sağlar. Bu bir önceki Ultra DMA moduna göre iki kat hızlıdır. Ultra DMA/66 80 pinlik IDE kablosu kullanılır. Ultra DMA’nın çoğuşma modunu desteklediği söylenmişti. Çoğuşma modu verilerin normalinden daha hızlı gönderildiği bir veri gönderme kipidir. Çoğuşma kipini gerçekleştiren birçok teknik bulunmaktadır. Veri yolunda, Örneğin çoğuşma modu, bir aygıtın yolun kontrolünü ele almasını ve diğer aygıtların bunu kesmemesini sağlayarak gerçekleştirilir. RAM’de ise Çoğuşma modu bir sonraki hafıza birimi kendisine ihtiyaç duyulmadan getirilerek yapılır. Bu disk cachlerinde kullanılan tekniğin aynısıdır. Böylece veriler daha hızlı iletilirler.

Bütün çoğuşma modlarının sahip olduğu bir karakteristik geçici ve güçlendirilemeyen olmasıdır. Sınırlı zaman dilimlerinde ve özel şartlarda normalden daha hızlı veri transferi sağlarlar.

SCSI

Small computer System Interface’in kısaltılmış şeklidir. SCSI arabirimi seri ve paralel portlardan daha hızlı veri transfer oranı sağlar. (saniyede 80 Megabyte veri iletimi sağlayabilir). SCSI arabirimlere diskin dışında yazıcı, CD-ROM gibi çeşitli aygıtlar bağlanabilir. Bu yüzden SCSI basit bir arabirimden çok bir giriş/çıkış yoludur. SCSI arabirimi bir ANSI standardı olmasına rağmen çeşitli varyasyonları bulunmaktadır. Bu yüzden İki SCSI arabirimi birbiri ile uyumlu olmayabilir. Günümüzde kullanılan SCSI arabirimleri aşağıdadır.

SCSI-1 : 8 bitlik bir yol kullanır ve 4 MBps lik bir veri transfer hızını destekler.

SCSI-2 : SCSI-1 ile aynıdır, fakat 50 pinlik konnektörler kullanırlar. ve birden fazla aygıtın bağlanmasına izin verirler.

Wide SCSI : 16 bitlik veri transferini desteklemek için daha geniş bir kablo kullanırlar.

Fast SCSI : 8 bitlik yol kullanırlar, fakat 10 MBps’lik veri transferini desteklemek için saat hızını ikiye katlarlar.

Fast wide SCSI : 16 bitlik yol kullanır ve 20 Mbpslik veri transfer hızını destekler.

Ultra SCSI : 8-bitlik yol kullanır ve 20 MBps’li veri transfer hızını destekler.

SCSI-3: 16 bitlik yol kullanır ve 40 MBps’lik veri transfer hızını destekler. Ayrıca Ultra Wide SCSI de denir.

Ultra2 SCSI: 8 bitlik yol kullanır ve 40 MBps’lik veri transfer hızını destekler.

Wide Ultra2 SCSI: 16 bitlik bir yol kullanır ve 80 MBps’lik veri transfer hızını destekler.

SCSI aygıtların dürümlerine göre 15 aygıta kadar sisteme bağlayabilir. SCSI’ler IDE arabirimlerinden farklı olarak rasgele erişim yöntemini kullanırlar. IDE’ler ise sıralı erişim yöntemini kullanırlar. SCSI arabirimleri IDE’lerden daha hızlıdırlar. Ancak daha da pahalıdırlar. Dünya piyasının yaklaşık %10’unda varlar. IDE’ler ise ucuz olmaları ve artık anakart üzerinde tümleşik olarak gelmeleri sebebi ile daha fazla tercih edilmiştir. Bir sabit diskin kapasitesi şu şekilde hesaplanır.

Silindir sayısı*Sektör Sayısı*kafa sayısı*512’dir

1024 silindir, 256 kafa ve 63 sektör parametrelerine sahip bir sabit diskin kapasitesi: 1024*256*63*512=845571864 Byte’dır. Bu da yaklaşık 8.4 Gigabyte’dır. Sabit diskler ile gelen önemli bir kavram da partisyon kavramıdır. Partisyon kabaca diskin üzerinde oluşturulmuş bölümlerdir. Bir diskte sadece bir partisyon olabileceği gibi birden fazla da partisyon olabilir. Bir partisyon hangi amaç ile oluşturulmuş olursa olsun o partisyona ulaşım yapacak işletim sistemine uygun bir dosya sistemi ile biçimlendirilmelidir. Bu genellikle işletim sisteminin sorunudur ve işletim sistemi birden fazla dosya sistemini destekleyebilir. Partisyonların isimlendirilmesine gelince ilk olarak primary master konumundaki partisyon c’den itibaren isim almaya başlar. Sonra master diskinizde birden fazla partisyon var ise onlar isimlendirilmeye başlar. Örneğin Primary master’daki disk ikiye bölünmüş ise birincisi C: ikincisi ise D: ismini alır. Buradaki bölümleme işlemi mantıksaldır. Eğer, ikinci bir sabit disk var ise bu disk fiziksel olduğu için D: harfini alır. Mantıksal olarak bölümlenmiş diskin ikinci bölümü ise E: harfini alır. Dosya sistemlerinde yaygın olanlarından biraz bahsedelim

FAT

File Allocation Table – Türkçeye çevirmek gerekir ise Dosya Atama Tablosu.Bu sistemde partisyon herbiri belli miktarda sektör içeren cluster isimli parçalara ayrılır. Ve hangi dosyaların bu cluster parçalarından hangilerine yerleştiği, hangi cluster parçalarının boş, hangilerinin dolu olduğu gibi bilgiler FAT üzerine yazılır. İşletim sistemi de herhangi bir dosyaya erişim yapmak istediğinde dosyayı bulmak için FAT üzerine yazılan bu bilgilerden faydalanır. Her ihtimale karşı sabit disk üzerinde bir kopyası bulundurulur.
FAT16

DOS, Windows3.1 ve OSR2 sürümü öncesi Windows95’in kullandığı dosya sistemidir. Eski bir dosya sistemi olduğu için birtakım dezavantajları ve eksiklikleri vardır. Bunlardan bir tanesi kök dizinin (root) sınırlandırılmış olmasıdır. FAT16 sisteminde açılıştaki primary partisyona ait root dizini, FAT tablosu ve boot sektörü cluster içinde yer almazlar ve sayısı belli olan sıralı sektörlerde tutulurlar. Bu sayının belli olması kök dizinine yapılacak eklentilerin belli bir sınırı olması sonucunu doğurur. Kısacası altdizin istenildiği kadar uzatılabilmekle birlikte kök dizinde belli uzunlukta girişle sınırlandırılmıştır. İkincisi FAT16 dosya sisteminde adresleme 16 bit olduğundan adreslenebilecek maksimum cluster sayısı 65525’tir ve bu clusterların boyutu 32 KB olabilir. (aslında cluster sayısı 65536 olmalıdır. Ama bazıları özel amaçlar için tutulur.) bu da bizi FAT16’da kullanılan bir partisyonun 2 GB’dan daha büyük olmayacağı sonucuna götürür. Üçüncüsü FAT16 elindeki boş sabit diski ya da partisyon alanının bir şekilde elindeki clusterlara dağıtmak zorundadır. Bu nedenle sabit diskin boyutu büyümeye başladıkça cluster’ın boyutu da büyür. Örneğin 1 MB’lık bir dosya birçok cluster üzerine sıralanıp yerleşirken 10KB uzunluğundaki tek bir dosya bir cluster’ı kaplar. Bu durumda özellikle disk boyutu 1-2GB arasında iseFAT16 cluster boyutu 32 KB olacaktır ve cluster üzerinde 10KB’lık dosyadan arta kalan 22 KB’lık boşluk değerlendirilemeyerek boşa gidecektir. Özellikle çok miktarda ufak dosya barındıran sabit disklerde bu durum bolca olur.

FAT32

Windows95 OSR2, Windows98, Windows2000 ve Linux tarafından tanınan ve FAT16’dan daha gelişmiş bir dosya sistemidir. İlk olarak FAT32’de herhangi bir kök dizin sınırlaması yoktur. İkinci olarak FAT32, FAT16’daki 16 bitlik adresleme yerine 32 bitlik adresleme kullanır. Bu da 2 TB’a kadar olan disklerin tanınmasını sağlar. Üçüncü olarak FAT32 cluster boyutunu azaltarak boş alan israfını azaltır.