Hard Disk Nasıl Çalışır?

Artık bütün masaüstü sistemlerde en az bir hard disk bulunuyor. Hatta VCR cihazlarından camcorderlara

ve mp3 playerlara kadar pek çok elektronik alette de hard diskleri görmeye yavaş yavaş alışıyoruz. Nerede kullanılırsa kullanılsın bütün hard diskler tek bir amaç için üretilir: Sayısal bilgileri kalıcı şekilde depolamak.

Bir hard disk bilgisayarlarımızda kullandığımız ana belleğin aksine güç kesilse bile içindeki bilgileri korur ve bu özelliğiyle bilgisayarımıza "hatırlama" yeteneği kazandırır. Hard diskinize bir kez kaydettiğiniz bir dosyaya bilgisayarınızı defalarca açıp kapatsanız bile onu silmediğiniz sürece ulaşabilirsiniz.



İçeriye giriyoruz

Bütün hard diskler temelde aynı yapıdadır. Bir hard disk en basit haliyle şu parçalardan oluşur: Bilgilerin manyetik olarak depolandığı bir veya daha fazla sayıda plaka (platter), okuma yazma kafaları, plakalarla okuma yazma kafalarının hareketini sağlayan motorlar ve diskin kontrolünden sorumlu devreleri üzerinde barındıran kontrol kartı.



Şimdi bu parçaları ve bir hard diskin nasıl çalıştığını inceleyelim.

Plakalar

Bilgileri saklamak için kullanılan plakalar alümünyum, cam gibi manyetik duyarlılığı olmayan maddelerden yapılır. Plakalarda daha uygun ısı direnci özellikleri ve daha ince yapıda kullanılabildiği için temel madde olarak modern disklerde alüminyum yerine cam kullanılır ve cama kırılmasını engelleyecek kadar da seramik karıştırılır. Daha sonra bu plakaların yüzeyleri manyetik duyarlılığı olan bir filmle kaplanır.




Bir hard diskte birden fazla plaka bulunabilir.

Eskiden plakaların yüzeylerine temel maddesi demir oksit olan bir sıvı dağıtılarak sürülürdü fakat hard disklerin kapasitelerinin artmasıyla bu teknolojinin sınırlarına ulaşılması çok sürmedi. Ayrıca okuma/yazma kafasının plakaya çarpması durumunda da bu yöntemle üretilen plakalar kurtulamıyordu ve diski değiştirmekten başka çare yoktu. Günümüzdeyse electroplating denen bir yöntemle plakaların yüzeyi kobalttan oluşan bir filmle kaplanır. Son olarak da bu filmin üzerine kafa çarpmalarına karşı bir miktar koruma sağlayan bir tabaka daha çekilir.

Bilgiler plakalarda sektörler (sector) ve izler (track) halinde saklanır. Her sektör 256, 512 gibi belirli bir sayıda byte içerir ve plaka boyunca yanyana duran bütün sektörlerin oluşturduğu yapılara da iz denir. Diskin kendisi veya işletim sistemi sektörleri gruplayarak onları cluster denen yapılar halinde topluca işler. Low level formatting denen işlemle plakalar üzerinde sektörler ve izler oluşturulur, bunların başlangıç ve bitiş noktaları plakalar üzerinde belirlenir. Daha sonra da high level formatting yapılarak dosya depolama yapıları oluşturulur ve dosyaların palakarda oluşturulan sektörlere ve izlere hangi düzende yazılacağı belirlenir. Low ve high level formatting işlemleri sonrasında plakalar okuma/yazmaya hazır hale gelir. Aşağıdaki şekilde mavi renkle bir sektör, sarıyla da bir iz gösteriliyor.




Plakar üzerinde veri depolanan noktalar moleküler boyutta olduklarından hard diskin içindeki bir toz tanesi bile plakaları çizerek onlara zarar verebilir. Bunun için hard diskler tozsuz ortamda üretilir ve üretildikten sonra kapatılır. İç basınçla dış basıncın dengelenmesi için de çok iyi filtrelenmiş bir havalandırma deliği bulunur.




Plakalar ortalarından geçen bir mil üzerine belirli aralıklarla yerleştirilirler ve bu mil etrafında bir motor tarafından belirli bir hızda sürekli döndürülürler. Böylece plakanın üzerinde duran okuma/yazma kafası plakanın yaptığı bu dönme hareketi sayesinde bir iz boyunca işlem yapabilir.




Okuma/Yazma Kafaları

Bir okuma/yazma kafasının görevi adından da anlaşıldığı gibi plaka üzerinde okuma/yazma işlemlerini yapmaktır.






Aslında bir okuma/yazma kafası yaklaşık 1 mm2 çapındaki minyatür bir elektromıknatıstan başka bir şey değildir. Aşağıdaki resimde en basit haliyle bir okuma/yazma kafasını görebilirsiniz. Kafalar okuma yazma işlemi sırasında plakayla temas etmezler, dönen plakaların yarattığı hava akımı kafaları plakaların sürekli bir miktar yukarısında tutar. Eski disklerde plakayla kafa arasında 0,2 mm civarında bir boşluk varken modern disklerde bu boşluk 0,07 mm civarındadır. Disk çalışmadığı zaman da kafalar plakalar üzerinde Landing Zone denilen bölgelerde sabit olarak dururlar. Bu bölge bilgi depolamak için kullanılmaz. Güçte ani bir kesilme veya dengesizlik sonucu kafa disk yüzeyine çarpar ve Head Crash dediğimiz kafa çarpma olayı olur. Kafa landing zone yerine bir sektörün üzerine düşerse o sektör hasar görerek kullanılamaz hale gelir ve kullanılamayan bu bozuk sektöre Bad Sector denir. Diski tekrar sorunsuz kullanabilmek için Scandisk gibi bir araç kullanarak diskteki bad sectorler kullanılmamaları için işaretlenmelidir. Başka bir yöntemse diske low level format atarak sektörleri tekrar oluşturmaktır, bu esnada sektörler plakadaki bozuk kısımlar atlanarak sağlam bölgelerde tekrar oluşturulur.

Okuma/yazma işlemi aslında çok karmaşıktır; bunu sizlere en basit haliyle anlatmaya çalışacağım: Bir plakaya bilgi yazmak için kafadan plakaya akım dalgaları gönderilir ve bu akımla yüzeydeki hedef nokta polarlanır. O nokta manyetik polarizasyonuna göre 0 veya 1 değerini alır ki ikili sistemle çalışan bilgisayarlarımız için anlamı olan tek değerler bunlardır. Okuma sırasındaysa okunacak noktanın kafadaki boşlukta yarattığı manyetik alanın yönüne göre o noktanın değerine (0 veya 1) ulaşılır.






Aslında bir kafada okuma ve yazma için ayrı kısımlar bulunur ve yukarıdaki şekilde olduğundan çok daha karmaşıktır.

Kafaların disk yüzeyinde içeriye ve dışarıya doğru hareketini sağlayan ayrı bir motor vardır ve kafalar bu motora bağlı kolların ucunda dururlar. Kafayı tutan kolla kafadan oluşan yapıya Head Gimbal Assembly (HGA) denir. Bu motor sayesinde kafa, plaka üzerindeki farklı izler üzerinde işlem yapabilir. Modern disklerde voice coil adı verilen motor teknolojisi kulanılır. Çalışma prensibi hoparlörle aynıdır.



Sarımlardan akım geçtiğinde HGA denen yapı hareket eder ve sarımlardan geçen bu akımın yönüne göre kafa plaka yüzeyinde içe ve dışa doğru hareketler yapar. Bu sayede bir okuma/yazma kafası palaka üzerindeki farklı izlere gidip gelebilir.

Kontrol Kartı

Son olarak inceleyeceğimiz kısım ise kontrol kartı. Bir kontrol kartının diski “kontrol” ettiğini söyleyebiliriz. Plakalardaki sektölerin, izlerin, hatalı sektörlerin ve landing zone denen bölgenin fiziksel yerleri kontrol kartına kaydedilir ve kontrol kartı da kafaları bu bölgelere yönlendirir. Hard diskler bilgisayarlarımızla veriyollarını kullanarak haberleşirler ve veriyoluyla hard disk arasındaki bağlantıyı kurmak da kontrol kartının en önemli görevlerindendir.



Diskin tamponlama için kullandığı bellek ve veriyoluyla haberleşmesini sağlayan kontrol yongaları bu kartın üzerindedir. Hard disk arızaları kontrol kartı yüzünden de meydana gelebilir, bu durumda diskinizin kontrol kartını aynı model bir kontrol kartıyla değiştirerek diskinizi tekrar kullanılabilir hale geitrebilirsiniz. Kontrol kartı hard diskin alt kısmına vidalanır ve sadece tek bir bağantıyla diske bağlanır, bu yüzden kontrol kartını değiştirmek çok kolay bir iştir.




Bir Hard Diskin Kapasitesini ve Performansını Belirleyen Özellikler

Bir hard diskin nasıl çalıştığını öğrendikten sonra bir hard disk hakkında yorum yapabilmek için bilmemiz gerekenlere kısaca bir göz atalım.

Hard disklerde kapasiteyi plakalardaki veri yoğunluğu ve plaka sayısı belirler. Modern disklerde çift yüzlü ve 80 GB`a kadar veri depolayan plakalar kullanılır. Bir hard diskin performansı hakkında yorum yaparken kullandığımız en önemli kavramlar plakaların dönüş hızı, erişim süresi ve veri aktarım hızıdır.

- Dönüş Hızı: Plakarın dönüş hızıdır. Plakalar masaüstü sistemlerimizde kullandığımız IDE disklerde genelde 5400 veya 7200 RPM (Rotates Per Second, dakikadaji dönüş hızı) hızında dönerken SCSI disklerde bu hız 15000 RPM`ye kadar çıkabilir.

- Erişim Süresi: Okuma/yazma kafasının disk üzerindeki bir noktaya ulaşması için geçen süre. Ortalama erişim süresi modern IDE disklerde 10 ms`nin altındayken SCSI disklerde daha da düşüktür.

- Veri Aktarım Hızı: Hard diskin saniyede aktarabildiği veri miktarıdır. Kullanılan arabirime ve diskin özelliklerine göre değişir.

Arabirimler

Günümüzde hard diskler için en çok kullanılan arabirimler masaüstü sistemlerimizde görmeye alışıtığımız IDE ve sunucularla iş istasyonları pazarına hakim olan SCSI`dir.

IDE bir donanım standardı değil, işlemciyle hard disk arasındaki veri akışının kontrolüyle ilgili bir standarttır. IBM`in Advanced Technology (AT) arabiriminden geliştirilen Paralel ATA (AT Attachment) arayüzüyle arabirim için bir komut seti tanımlanarak hard disk ve bilgisayar arasındaki haberleşme için evrensel bir standart oluşturuldu. IDE arabirimin yaratılış amacı uygun fiyat ve uyumluluktur, bu yüzden de masaüstü sistemlerde kısa zamanda en yaygın arabirim haline geldi. Paralel ATA arayüzü sürekli gelişerek günümüzde Ultra ATA/133`le 133 MB/s hızına ulaştı ve bundan sonra da yerini Serial ATA`ya bırakması bekleniyor.

Serial ATA`da veri iletimi paralel değil seri olarak yapılıyor, Paralel ATA`ya göre avantajlarını kısaca aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:

#Daha az pin ve daha düşük voltaj.

#Daha ince bağlantı kablosu (Belki de biz son kullanıcıların ilgisini en çok çeken özellik, bu sayede kasa içi hava akımını düzenlemek çok daha kolay olacak).

#Daha gelişmiş hata bulma ve düzeltme olanakları.





SCSI arabirimiyse günümüzde profesyonel uygulamar için sunucularda ve iş istasyonlarında kullanılır. SCSI arabirminin maliyeti IDE`ye göre oldukça yüksektir. SCSI arabiriminin IDE arabirimine göre en büyük avantajı asenkron çalışmasıdır, yani IDE aygıtlarda olduğu gibi aynı kontrolcüye bağlı SCSI aygıtlar birbirlerinin performansından ve veri aktarımından çalmazlar. Ayrıca SCSI arabirimi için kullanılan “SCSI Host Adapter” kartlar üzerlerinde veri aktarımını düzenlemek için ayrı bir işlemci ve çoğu zaman da tampon olarak kullanmak için ek bir bellek bulundururlar ve bu yüzden SCSI aygıtlar sisteme IDE aygıtlara göre çok daha az yük bindirirler. Paralel ATA ile kanal başına sadece iki aygıt kullanılabilirken SCSI arabirimiyle her kanala 15 taneye kadar cihaz bağlanabilir. Bu sayı stanadart masaüstü sistemlerin ihtiyaçlarının çok üstünde olsa da özellikle sunucuların ihtiyaçlarını düşünürsek onlar için bir gerekliliktir.



IDE arabirimini kullanan disklerin aksine, SCSI diskler uzun yıllar boyunca sorunsuz çalışmak için üretilirler ve çalışma ömürleri IDE disklerden çok daha uzundur, sunucular için bu da bir gerekliliktir. Ayrıca sisteme bindirdiği yükün fazla olmaması ve erişim süresinin de daha az olmasından dolayı özellikle video montajı gibi sisteme çok ağır yük bindiren ve verilerin sabit bir hızda kesintiye uğramadan su gibi akması gereken uygulamalarda SCSI diskler IDE disklerden çok daha üstündür. SCSI disklerin bir avantajı da yapıları gereği çoklu erişim için uygun olmalarıdır. Bir IDE diskte bir dosyaya aynı anda iki kaynak ulaşmak isterse performans çok düşer ama SCSI disklerde bu performans düşüşü IDE disklerdeki gibi abartılı boyutlarda olmaz ki bu da sunucular için hayati öneme sahiptir. Eğer evinizde bir ağınız varsa ağdan kopyalanmakta olan bir dosyayı siz de kullanmaya çalıştığınızda bunu açıkça görebilirsiniz. SCSI hakkında detaylı bir yazımıza buradan ulaşabilirsiniz.