Hard Diskler, Çalışmaları, Dosya Sistemleri ve Partisyon Yapısı Hakkında

Hard Diskler, Çalışmaları, Dosya Sistemleri ve Partisyon Yapısı Hakkında
Bu yazıda bilgisayarlarımızda tüm bilgilerimizi sakladığımız hard diskleri ve onların üzerinde kullandığımız dosya sistemlerini inceleyeceğiz.. Hard disk yerine sabit disk sözcüklerini de benimseyebilirsiniz. Ben yazılarımda, terimlerin Türkçe' lerini kullanmaya çalışıyorum, ancak bu kez hard disk sözcüklerini benimsedim.

Bir bilgisayarda CD Sürücü gibi bileşenleri saymazsak, temel bileşen olarak adlandırabileceğimiz parçalar içinde sadece hard disk yapısal olarak diğerlerinden farklılık gösterir. Hard diskler, günümüz teknolojisinde, büyük boyutlardaki verilerimizi uzun vadeli saklamak için kullandığımız bileşenlerdir. Bilgisayar çalışırken işlenmekte olan veriler ve çalışmakta olan dosyalar RAM (Read Access Memory) hafızada (dinamik hafıza) saklanır ve burada işlem görür. RAM' ler sistemin çalışma hızına uyumlu olarak çalışır. RAM' ler üzerilerinde içeriği değiştirilebilen (yazılabilen) çipler bulundurur ve bu sistem tamamen elektrik akımı ile çalışır. Bilgisayarı kapattığınızda ya da bir elektrik kesintisi olduğunda RAM çiplerindeki bilgiler kaybolacaktır. Bu nedenle bilgilerin kalıcı olarak saklanabilmesi için "manyetik" bir ortam olan hard diskleri kullanıyoruz.

Bir Hard Diskin Temel Bileşenleri
Bir hard disk dört temel bileşenden oluşur. Manyetik disk tabakaları, elektrik motoru ve mili, okuma yazma kafaları ve elektronik devreler.



Manyetik disk tabakaları esnek olmayan ve metal ya da plastikten imal edilen parçalardır ve üzerleri Demir Oksit veya diğer manyetize edilebilir bir madde ile ince bir katman halinde kaplanmıştır. Bu plakalar yuvarlaktır ve ortalarından elektrik motorunun miline bağlıdır. Bir hard diskin içinde birden fazla disk plakası olabilir ve bu plakaların tümü aynı hızda döner.



Her disk plakasının iki tarafında bulunan kollar üzerinde ise okuma yazma kafaları bulunur. Bu kollar diskin merkezinden dış yüzeyine kadar hareket edebilir ve diskin dönmesi ile tüm disk yüzeyini tarayabilecek bir hareket sağlanmış olur. Resimdeki kesitte okuma yazma kafalarının disk yüzeyine göre duruşu şematize edilmiştir. Disk kesiti sarı renkte, verileri tutan manyetik kaplama yeşil renkte gösterilmiştir. Kesitin her iki yüzeyindeki kafalar ise disk yüzeyinde gezmelerini sağlayan kollara bağlı olarak görünmektedir.



Elektronik bileşenler ise bilgisayarın ürettiği komutları yerine getirerek kolların ve okuma yazma kafalarının hareketini kontrol ederek istenen disk plakasının istenen yerine verilerin yazılmasını ya da buradaki verilerin okunarak sisteme gönderilmesi işlemini yönetir.

Veriler Diskin Yüzeyine Nasıl Yazılır ve Nasıl Okunur?

Veriler disk yüzeyine ikilik düzendeki veri bitleri olarak yazılır. Her bit disk yüzeyinde manyetik bir alan olarak 1 ya da 0 karşılığı olacak şekilde (pozitif-negatif) kaydedilir.



Şekilde kabaca bu yazma işlemi sonucunda disk yüzeyini kaplayan manyetik tabakadaki moleküllerin nasıl etkilendiğini görüyorsunuz. Moleküllerin polarizasyonu (kutuplaşması) okuma yazma kafalarında farklı elektriksel sinyaller oluşmasına neden oluyor. Bu farklı iki elektriksel sinyal 1 ve 0 (var-yok) olarak algılanıyor ve bu şekilde veri bitleri yan yana eklenerek baytlar, baytlar yan yana eklenerek kilobayt ve megabayt gibi veri yumakları oluşturuluyor. Kısacası disk yüzeyinde tüm verilerimiz 1 ve 0' lar şeklinde saklanıyor.

Veri yazma işlemi, okuma yazma kafalarının disk yüzeyinde manyetik kaplamaya elektriksel bir sinyal göndererek manyetik moleküllerin polaritesini değiştirmesi ile olur. Okuma işlemi de aynı şekilde manyetik kaplamanın moleküllerinin polaritesine göre algılanan elektriksel sinyallerin yan yana dizilmesi ile oluşur. Okuma yazma kafalarının disk yüzeyindeki bir veriyi okuyup sisteme göndermesi ya da bu işlemin tersi saniyenin birkaç binde biri kadar bir sürede gerçekleşir.

Okuma yazma kafaları çalışma sırasında disk yüzeyine temas etmez, yüzeyden 200 mikron yükseklikte durur bu nedenle hard diskin çalışması sırasında bilgisayarın sarsılması istenen bir durum değildir. Herhangi güçlü bir sarsıntı okuma yazma kafalarının disk yüzeyindeki manyetik tabakaya çarparak çizilmesine neden olabilir. Bu "fiziksel" kusur disk yüzeyinde bad sector (bozuk alan) olarak adlandırdığımız ve onarımı mümkün olmayan sorunların oluşmasına yol açar. Bu alanlar scan disk gibi bir programla belirlenerek diskin bu bölüme veri yazması engellenebilir, ancak genellikle ortaya çıkan böyle bir alandaki veriler yitirilmekte ve yeniden okunması mümkün olmamaktadır. Ayrıca bozuk alan içeren bir diskin verimi hızla azalmaktadır.


100100100011111010110101111011 010110101011010110101010011111 101
010001111101000000000011111111 010011010001111111101101000000 101
011111101010111001111011111111 010101000001010101001010101111 000
111001100101010010001100111101 010101010100

Bu paragraftan bir şey anladınız mı? Ben de anlamadım. Bu veri yumağını disk yüzeyinden okuduktan sonra anlayabileceğimiz hale getirmek disk üzerindeki elektronik devrelerin, dosya sisteminin, işletim sisteminin ve yazılımların görevidir. Aynı şekilde bizim anlayabildiğimiz verileri de yukarıdaki paragrafa benzer hale getirmek yine aynı bileşenler görev yapar.

Disk Formatlama Nedir?

Sistemin disk yüzeyindeki verilere ulaşabilmesi için güçlü ve güvenilir bir adresleme gereklidir. En küçük kapasiteli hard disk bile yüzeyinde milyarlarca bit veri saklamaktadır. Örneğin, hard diskinizin 2.1 GB veri saklayabildiğini varsayalım; 2.1 GB -> 2.1 x 1024 = 2150.4 MB -> 2150.4 x 1024 = 2202009,6 KB -> 2202009,6 x 1024 = 2254857830,4 Bayt -> 2254857830,4 x 8 = 18.038.862.643,2 bit. Bu kaba hesapla 2.1 GB' lık sabit diskinizin yüzeyinde 18 milyardan biraz daha fazla veri hücresi bulunduğunu görüyorsunuz. Benim şu anda kullandığım diskimin 40 GB kapasiteli olduğunu hesaba katarsak, diskimin yüzeyinde yaklaşık 360.000.000.000 adet veri parçacığı (bit) bulunuyor. Bunu daha önce hesaplamamıştım ve şimdi ben de hayretler içindeyim!

Benim sistemim, bir talebime karşılık, 360 milyar bit içerisinde benim istediğim veriyi nasıl buluyor, hem de birkaç saniyede... (Bu arada bit sözcüğünün İngilizce Binary digIT sözcüklerinden türediğini ve 1 baytın 8 bitten oluştuğunu hatırlatalım.)

Bunu sağlamak için disk yüzeyinin tanımlanabilir (adreslenebilir) ve güvenilir bir şekilde bölümlere ayrılması yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntem disk yüzeyinde aranan bir veri bitine kolayca erişim sağlar ve bu adresleme (parselleme) işine format denir. Bu işlemin sonunda diskinizin yüzeyini haritalamaya çalışırsak, aşağıdaki gibi bir şema kullanabiliriz.




Bu işlem bizim yaptığımız işlemdir ve mantıksal formatlamadır. Formatlama işlemi iki türlü yapılmaktadır. Fiziksel formatlama ve mantıksal formatlama.

Fiziksel Formatlama

Fiziksel formatlama (low-level formatting) diskin üreticisi tarafından yapılır ve disk plakalarını temel bileşenleri olan izlere (tracks), bölümlere (sectors), silindirlere (cylinders) böler.



Bu işlem fiziksel olarak, disk plakalarında verilerin yazılacağı alanları belirler.

İzler (tracks) tıpkı bir kompakt diskteki (CD) gibi verilerin yazılabildiği çembersel izlerdir (alanlar). Bu izler alan (sectors9 denen ve sabit veri kümeleri tutan daha küçük alanlara bölünmüştür, her sektör 512 bayt veri taşır. Silindir ise, disk veri yüzeyinde, her disk plakası ve her plakanın her iki yüzeyi için de aynı uzaklıta bulunan veri kesimine verilen addır. Bilgisayarın donanım ve yazılımı sık olarak silindirleri kullanarak çalışır. Bu silindirlerin, ayrı disk plakalarında olsalar da dikey olarak birbirine bağlı olduklarını hayal edebilirsiniz.

Aynı silindir üzerine yazılmış bir veriye ulaşmak her zaman daha kolaydır. Çünkü veri ayrı disk plakalarına ve ayrı yüzeylere yazılmış olsa da, okuma yazma kafaları bir silindir üzerindeyken, verinin farklı disk plakalarında ve yüzeylerdeki parçalarını tek bir hareketle okuyabilecek ve daha hızlı bir veri erişimi sağlanmış olacaktır.

Bir sabit disk fiziksel olarak formatlandıktan sonra (low-level formatting) plakaların manyetik özellikleri azar azar yıpranarak zarar görebilir. Zamanla bu sektörlere veri yazılamaz ve okunamaz olur, bu durumda da bozuk alan (bad sector) dediğimiz olgu meydana gelir. Günümüz teknolojisi ile üretilen disklerde bu olasılık oldukça düşük hale getirilmiştir. Bilgisayar sistemleri artık kolaylıkla bu durumdaki sektörleri işaretleyerek veri yazılması ve okunması için kullanılmasına engel olmakta ve böylelikle sistemin stabil kalmasını ve verilerin güvenliğini sağlamaktadır.


Mantıksal Formatlama

Bir sabit disk, fiziksel olarak formatlandıktan sonra kullanılabilmesi için, mantıksal olarak da formatlanmak zorundadır. Mantıksal formatlama, disk üzerine bir dosya sistemi yerleştirir ve bu, diskin toplam alanının, boş ve kullanılmış alanlarının, işletim sistemi tarafından bilinmesini ve veri okunup yazılabilmesini sağlar. Bu işlem bizim yaptığımız (Örn. MS-DOS ve Windows için format c: komutu) bir işlemdir. Dosya sistemlerini aşağıda inceleyeceğiz.

Bir diski sadece bir işletim sisteminin dosya formatına göre formatlayabilirsiniz. Bu durumu sürücü harfleri ile ayrı ayrı belirtilmiş olan mantıksal sürücülere ayrı sistemler kurulabilmesi ve formatlanabilmesi ile karıştırmamanız gerekir. Diskin bu şekilde mantıksal sürücülere ayrılmasına "partitioning" denir ve diskinizi bu şekilde daha verimli kullanabilirsiniz.


Dosya Sistemleri

Bütün dosya sistemleri, verilerin saklanması ve kullanılması için gerekli bir yapı içerir. Bu sistemler tipik olarak bir boot record (sistem açılış kaydı), dizinler ve dosyaları içerir. Bir dosya sistemi üç temel işlemi gerçekleştirir; mevcut ve boş alanların yönetimi, dosya ve dizinlerin bakımı ve her dosyanın disk üzerindeki fiziksel adreslemesinin bilinmesi.

Çeşitli işletim sistemleri, değişik dosya sistemleri kullanır (File systems), en çok bilinen dosya sistemleri;

1. File Allocation Table (FAT)
2. File Allocation Table 32 (FAT32)
3. New Technology File System (NTFS)
4. High Performance File System (HPFS)
5. NetWare File System
6. Linux Ext2 ve Linux Swap dosya sistemleri

Şimdi bu dosya sistemlerini kısaca inceleyelim;


FAT

FAT dosya sistemi, Microsoft Disk Operating System (MS-DOS), Windows 3.1 ve Windows 95' in bir çok sürümü ile kullanılan bir dosya sistemidir. FAT dosya sistemi 2 GB' a kadar partisyonları destekler ancak sadece 65,525 cluster (küme) kullanımına izin verir. Cluster yapısı FAT' a özgüdür ve veri depolanabilen en küçük birimdir. FAT dosya sistemi bir kök dizin (Root directory) kullanır. Bu kök dizin tim partisyonu temsil eder ve içinde yeni dizinler ve dosyalar yaratılıp kullanılmasına izin verir.

FAT32

FAT32 dosya sistemi, Windows 95' in OEM Service Release 2 (version 4.00.950B) sürümünden sonrası, Windows 98, Windows 98 SE, Windows ME, Windows NT 5.0 işletim sistemleri için kullanılır ve FAT kullanan yukarıda adı geçen işletim sistemleri FAT32 dosya sistemini tanımlayıp kullanamaz.

FAT32 dosya sistemi FAT dosya sisteminden geliştirilmiştir ve 32bit dosya erişimini destekler. Bunun getirdiği en büyük yenilik ise büyük disk boyutlarına verebildiği destektir. FAT32, 32 Terabayt' a kadar olan diskleri destekler. FAT32 dosya sistemi daha küçük küme (cluster) boyutlarını kullanır ve böylelikle diskinizi daha verimli kullanırsınız. Örneğin, bir dosyanız 10 kümeyi kullanıyorsa ve bu kümelerden sonuncusunun sadece % 10' unu kullanıyorsa, o kümenin kalan kısmına başka veri kaydedilmez ve tamamı kullanılmış gibi kabul edilir. Bu şekilde diskte kullanılmayana ama kullanılmış gibi görünen oldukça fazla alan kaybınız olacaktır. FAT32 dosya sisteminde küme (cluster) boyutları daha küçük olduğu için, kayıp alan oranı önemli ölçüde azalmaktadır.

FAT32 kullanan bir diskte ya da partisyonda, disk boyutunu yeniden belirlemek için Drive Image, PartitionMagic, BootMagic ve ServerMagic gibi yazılımları kullanabilirsiniz