Bilgisayar Mühendisliğine Giriş Yrd. Doç. Dr. Hüseyin POLAT

Bilgisayar Mühendisliğine Giriş Konular Sabit Diskler Sistem Kaynakları (System Resources)

Bilgisayar Mühendisliğine Giriş Sabit Diskler

Sabit Disk Bileşenleri Kapak Montaj Delikleri Disk Kasası Plaka Devir Merkezi Manyetik Plakalar Okuma Yazma Kafaları Kasa Montaj Delikleri Hareket Kolları Hava Filtresi Öncelikle şekil üstünde sabit disklerin bileşenlerine göz atalım. Disk kasası… Disk kasasını bilgisayar içerisine monte etmede kullanılan vida delikleri… Sabit disk kapağının montaj delikleri… Manyetik plakalar ve ve plakaların dönüşünü sağlayan devir merkezi… Kolların ve plakaların hareketini sağlayan hareket motoru… Hakaret kolları ve bunların ucunda yer alan okuma yazma kafaları… Verilerin aktarıldığı şerit kablo ve SATA arayüz bağlantısı… Motora enerji sağlayan enerji bağlantısı ve en son disk içindeki hassas hava dengesini ayarlayan hava filtresi… Şerit Kablo Hareket Motoru SATA Arayüz Bağlantısı Enerji Bağlantısı

Genel Olarak Diskin Çalışması Bütün sabit sürücüler özel bir motor tarafından kontrol edilen kolların üzerinde okuma/yazma başlıkları ve plaklardan oluşur Plakalar manyetik malzeme ile kaplı alüminyumdan yapılmıştır Kolların ucundaki kafalar bu plakalar üzerinde okuma ve yazma işlemleri gerçekleştirir Plakalar dakikada 3.500 ile 15.000 devirle dönerler (RPM) Plakalar ile kafalar arasındaki boşluk uçuş yüksekliğidir Uçuş yüksekliği bir parmak izinin kalınlığından bile daha azdır Okuma/yazma başlıkları diske ne kadar yaklaşırsa, bilgi sürücüye o kadar yoğun depolanır Bütün sabit sürücüler özel bir motor tarafından kontrol edilen kolların üzerinde yer alan okuma/yazma başlıkları ve plaklardan oluşur. Plakalar manyetik malzeme ile kaplı alüminyumdan yapılmıştır. Kolların ucundaki iki küçük okuma/yazma kafası, bu plakalar üzerinde okuma ve yazma işlemleri gerçekleştirir. Plakalar dakikada 3.500 ile 15.000 devirle dönerler ve devir hızı RPM olarak ifade edilir. Plakalar ile kafalar arasındaki boşluk uçuş yüksekliği olarak ifade edilir ve bu yükseklik, bir parmak izinin kalınlığından bile daha azdır. Okuma/yazma başlıkları diske ne kadar yaklaşırsa, bilgi sürücüye o kadar yoğun depolanır.

Geometri Geometri, bir sabit diskin bilgileri nerede depoladığını belirler Bir sabit diskte geometri üç temel bileşenden oluşur Kafalar (Heads), Silindirler (Cylinders) ve Bölgeler (Sectors) Bunlar, sabit diskin geometrisini tanımlamak için birleşir Geometri, bir sabit diskin bilgileri fiziksel olarak nerede depoladığını belirler. Geometri konusunda bilinmesi gereken üç temel bileşen vardır; başlar, silindirler ve sektörler. Eski sistemlerde disk geometri bilgisinin öncelikle CMOS ekranından bilgisayara tanıtılması gerekmekteydi. Günümüzde ise geometri bilgisi sabit disk üzerinde saklanır ve BIOS tarafından otomatik olarak algılanır.

Kafalar (Heads) Kafalar, okuma/yazma yapabilen uçlardır Plaka başına (altta ve üstte olmak üzere) iki kafa bulunur Ayrıca özel amaçlar için farklı kafalar da bulunabilir Kafaların plakalar üzerinde gezerken üstünden geçtiği veri miktarının artması ile kapasite artar Fluxların yatay yerine dikey olarak kullanılmaya başlanması ile aynı alanda daha fazla veri saklanmaktadır Kafalar, hareket kollarının ucunda bulunan ve okuma/yazma yapabilen uçlardır. Plaka başına, altta ve üstte olmak üzere iki kafa bulunur. Ancak “plaka sayısı çarpı 2” gibi formülü de yoktur. Çünkü bir HDD’de özel amaçlar için farklı kafalar da bulunabilir. Kafaların plakalar üzerinde gezerken üstünden geçtiği veri miktarı ne kadar çok ise, kapasite o kadar yüksek olacaktır. Bu mantık ile yakın zamanda geliştirilen dikey kayıt teknolojisi sayesinde aynı alana daha fazla veri saklanabilmektedir. Fluxlar disk üzerinde şekilde gördüğünüz gibi yatay değil, dikey şekilde dizilirler. Bu da veri yoğunluğunu arttırdığından hem kapasitenin artmasını, hem de performans artışı sağlamaktadır.

İz (Track) ve Silindirler (Cylinders) Tüm plakaların üzerinde, disk üzerinde tam bir tur atan; yani daire şeklinde izler vardır (track) Alt alta sıralanan plakalarda aynı çapa sahip izlerin oluşturduğu yapı, bir silindir biçimini andırır Bir diskte, plaka üzerindeki track sayısı kadar silindir vardır Bu silindirlerin yüksekliği, üst üste dizili plakaların yüksekliği kadardır Tüm plakaların üzerinde, disk üzerinde tam bir tur atan; yani daire şeklinde izler vardır. Bu izler, track olarak adlandırılır. Bu plakalar ve üzerindeki izleri normal CD/DVD diskleri gibi de düşünebilirsiniz. Bir plaka üzerinde merkezden dışa doğru binlerce track çizebilirsiniz. Şekilde de gördüğünüz gibi bir sabit diskin içinde üst üste birkaç tane plaka vardır. Her plakada aynı çapa sahip trackları bir bütün olarak düşündüğünüzde, bu track birleşimi bir silindire benzetilebilir. Dolayısıyla her sabit disk, plakalar tek başlarına düşünüldüğünde binlerce track’a, plakalar üst üste değerlendirildiğinde ise bir plakadaki track sayısı kadar silindire sahip olacaktır. Şimdi de, plakalardaki trackları silindirler halinde değerlendirmenin amacı denir, ona bakalım.

Sektörler Plaka üzerindeki 2 track arasında kalan; silindir parçasıdır Sabit disklerin atomudur Bilgiyi depolarken bölümden daha küçük bir şeye bölemezsiniz Plaka üzerindeki 2 track arasında kalan bölge; bir silindir parçasıdır ve sektör olarak adlandırılır. Soldaki şekilde, track, silindir ve sektör kavramları arasındaki ilişkiyi daha net algılayabilirsiniz. İşte bu sektörler sabit disklerin atomudur. Yani bilgiyi depolarken bölümden daha küçük bir şeye bölemezsiniz.

Sabit Disk Sınıflandırmaları Bağlantı arayüzleri (ATA ve SCSI) ATA alt bağlantı arayüz türleri (PATA, SATA, e-SATA) Depolama kapasitesi (GB - TB) Fiziksel büyüklük (3.5”, 2.5” …) Dönüş hızları (5.400 RPM, 7.200 RPM …) Ön bellek miktarları (8MB - 64MB)) İlave teknolojiler (NCQ, TCQ …) Daha önceki donanım incelemelerimizde olduğu gibi, sabit disklerin sınıflandırmalarında da temel özelliklerini esas alacağız. Sabit disklerde en temel sınıflandırma, bağlantı arayüzleridir. Bugün piyasada en aktif bulunan sabit disk arayüzleri ATA ve SCSI arayüzleridir. Kişisel bilgisayarlarda daha yaygın kullanılmasından dolayı ATA sabit diskleri daha fazla görürsünüz. SCSI’nin de kendi gelişim sürecinde alt arayüzleri vardır. Ancak biz daha çok ATA türünün değişik versiyonları olan PATA, SATA ve e-SATA ile ilgileneceğiz. Sabit disklerin günlük kullanımda en çok kapasiteleri ile anıldığını göreceksiniz. Genellikle diğer teknik özellikleri teferruat kabul edilir. Fiziksel büyüklük sınıflandırmasının ise günlük hayatta, 3.5” veya 2.5” yerine PC sabit diski veya notebook sabit diski şeklinde kullanıldığını görebilirsiniz. Sabit disklerin sınıflandırılmasında kullanılan diğer özellikler olarak ise, içindeki plakaların dönüş hızları, ön bellek miktarları ve sunduğu yeni teknolojileri sayabiliriz. Şimdi sırasıyla bu özellikleri detaylı şekilde ele alalım.

SATA ve Hız SATA aygıtlar veriyi seri olarak aktarırlar. SATA aygıttaki tek bir veri dalgası, paralel aygıtlardaki çoklu dalgalardan çok daha hızlı ilerlemektedir. SATA aygıtlarda genel kabul gören 3 sürüm bulunmaktadır. SATA I: 150 MB/s SATA II: 300 MB/s SATA III 600 MB/s SATA aygıtlar, eski nesil ATA sürücülerin aksine veriyi paralel olarak değil, seri olarak aktarırlar. Bu gelişme ile eski ATA aygıtlar PATA, yani paralel ATA olarak isimlendirilmeye başlanmıştır. Teorik olarak seri tek tel üzerinden veri aktarımının, paralel olarak birçok hattan veri aktarımından daha hızlı olmaması gerektiği düşünülebilir. Ancak tek tel üzerinden aktarımda veriler karşı tarafa sıralı ulaşmakta ve bu da hata denetimini oldukça kolaylaştırmaktadır. Dolayısıyla SATA aygıttaki tek bir veri dalgası, paralel aygıtlardaki çoklu dalgalardan çok daha hızlı ilerlemektedir. Bunun yanında paralel aktarımda olduğu gibi birden fazla tel kullanılmadığından teller arasındaki etkileşim de oldukça azalmaktadır. SATA aygıtlarda genel kabul gören 2 sürüm bulunmaktadır. SATA I 150 MB/s, SATA II ise 300 MB/s hızındadır. Yakında zamanda SATA III standardı ile hızın 600 MB/s’ye çıkması beklenmektedir.

Redundant Array of Inexpensive Disks-RAID Disk güvenliğinin ve performansının arttırmak için ortaya çıkartılmış disk organizasyon biçimleridir. Temel fikir birden fazla diski bilgisayara eklemek ve bu disklerin tek bir disk gibi davranmasını sağlamaktır. Veriler RAID disklerde paylaştırılırlar bu yüzden paralel işlem gerçekleştirmek mümkündür. Verilerin diskler üzerinde dağılımlarında farklı şemalar bulunur.

Redundant Array of Inexpensive Disks-RAID Çoklu sayıdaki diskler üzerine veri dağıtılması işi bu iş için tasarlanmış Donanım veya Yazılım ile gerçekleştirilir. RAID’in donanım uygulaması en azından özel amaçlı üretilmiş bir RAID denetim birimine ihtiyaç duyar. Bunlara ilaveten kısmen donanım kısmen de yazılım tabanına sahip çözümler olan hibrid RAID’ler de mevcuttur.

RAID-0 (Striped set without parity) Buradaki amaç, veriye erişim süresini kısaltmaktır. Sanal disk her birinde k adet sektör bulunan şeritlere (strip) bölünür. (0, k- 1) sektörleri Strip0 da, (k,2k-1)sektörleri Strip1 de,... bulunur. Veri striplere bölünerek farklı striplere yazılır. Veri aynı anda farklı disklere yazılır ve okunur. Veri okuma ve yazma hızı yüksektir. Disklerden bir tanesi arızalanırsa, veriler kaybolur. Minimum disk adedi : 2

RAID-0 (Striped set without parity)

RAID-1 (Disk mirroring) RAID 1'de aynı veri birçok diske yazılır. Disk aynalama (mirroring) olarak da bilinir. Her ne kadar birçok uygulama 2 disklik diziler oluştursa da, 3 veya daha fazla diskli diziler de kullanılabilir. Disklerden birisine bir şey olması durumunda diğerinde bulunan kopya sayesinde veri kurtulabilir. Bu yöntem hız açısından bir avantaj sağlamaz. Dizideki en az bir disk düzgün çalıştığı sürece, her türlü hata ve aksaklığa karşı koruma vardır ve dizi normal çalışmasını sürdürür. Minimum disk adedi : 2

RAID-1 (Disk mirroring)

RAID 5 (Striping with Parity) Hem hızın hem güvenliğin beraber oluşturulduğu bir yapıdır. Parity ve veri bilgisi tüm disklere parçalara ayrılarak disklere kaydedilir. Bir disk arızalandığında diğer diskler onun görevini işlevini paylaşarak çalışmaya devam eder, bu nedenle en az 3 adet disk ile oluşturulur. Bozulan tek bir diskin güvenliği esastır ve toplam kapasite bir disk eksik olarak hesaplanır.

RAID 5 (Striping with Parity)

RAID 6 Raid 6 enaz 4 disk ile yapılır. Bu yapıda Raid 5 gibi dağıtılmış pariteler kullanır. Raid 5’ten farkı ise iki ayrı parite diski kullanaması ve 2 diski tolere edebilmesindir. Okuma hızı oldukça iyidir. Ama yazma hızı çift parite tutasından dolayı Raid 5’e göre kötüdür.

RAID 6

RAID 10

RAID 50

RAID 60

Bilgisayar Mühendisliğine Giriş Sistem Kaynakları (System Resources)

Sistem Kaynakları (System Resources) Bilgisayarlarda bulunan bütün bileşenlerin işlemci (CPU) ile haberleşmeleri gerekmektedir. Sistem kaynakları CPU’nun sistem aygıtlarını tanımlayabilmesini ve onlar ile haberleşebilmesini sağlar. Sistem kaynakları iki veya daha fazla donanımın aynı zamanda haberleşmeye çalışmasını engeller. Sistem kaynakları, sistem içerisindeki donanım elemanlarının CPU ile haberleşebilmesi için paylaştırılır. Sistem kaynakları Giriş/Çıkış port adresleri (Input/0utput –I/O Port Addresses) Kesme istemi kanalları (Interrupt Request -IRQ channels) Doğrudan bellek erişim kanalları (Direct Memory Access –DMA channels) Bilgisayara yeni eklenen bileşenlerin sistem kaynakları ayarlanmalıdır. Bu ayarlama günümüzde otomatik olarak tak çalıştır (Plug&Play-PnP) işlemi sayesinde yapılmaktadır.

Giriş/Çıkış Port Adresleri (Input/0utput –I/O Port Addresses) İşlemcinin (CPU) çevre aygıtlarıyla ve devre kartları (ses kartı, ethernet kartı vs.) ile iletişim kurmak ve bu aygıtları birbirinden ayırt edebilmek için kullandığı Giriş/Çıkış (Input/Output) adresleridir. İşlemcinin dış dünya ile iletişim kurmak için kullandığı iki yol vardır. Bunlardan biri bilgisayarımızın ana belleğinin adresleri, diğeri de I/O adresleridir. I / O portları bellek adreslerine benzer şekilde onaltılı sayı sistemi ile gösterilir. Intel x86 işlemci tasarımının bir özelliği olarak, (0000)Hex – (FFFF)Hex aralığında toplam 65535 I/O port numarası bulunur.

Motherboard and Chipset-Based Device Port Addresses (0)Hex–(FF)Hex Address (Hex) Size Description 0020–0021 2 bytes Chipset – 8259 interrupt controller 1 002E–002F 2 bytes Super I/O controller configuration registers 0040–0043 4 bytes Chipset – Counter/Timer 1 0048–004B 4 bytes Chipset – Counter/Timer 2 0060 1 byte Keyboard/Mouse controller byte – reset IRQ 0061 1 byte Chipset – NMI, speaker control 0064 1 byte Keyboard/Mouse controller, CMD/STAT byte 00F0 1 byte Math Coprocessor Reset Numeric Error

Bus-Based Device Port Addresses (100)Hex–(FFFF)Hex Address (Hex) Size Description 0270–0273 4 bytes Plug and Play I/O read ports 0278–027F 8 bytes Parallel port 2 (LPT2) 02F8–02FF 8 bytes Serial port 2 (COM2) 0370–0375 6 bytes Secondary floppy controller 0378–037F 8 bytes Parallel Port 1 (LPT1) 03E8–03EF 8 bytes Serial port 3 (COM3) 03F0–03F5 6 bytes Primary floppy controller 03F8–03FF 8 bytes Serial port 1 (COM1) 0530–0537 8 bytes Windows sound system (default) 0678–067F 8 bytes LPT2 in ECP mode 0778–077F 8 bytes LPT1 in ECP mode FF80–FF9F 32 bytes Universal serial bus

Interrupt / Kesme Bileşenler ihtiyaç duyduğunda işlemciye erişmesi gerekir. Bilgisayarda kesmeler (interrups) kesme denetleyicisi tarafından kontrol edilir. Kesme denetleyicisi günümüz bilgisayarlarında anakart çipsetinde yerleşik olarak bulunmaktadır. Donanımsal kesmeler, işlemcinin yoklama döngüsü içindeki değerli zamanının dış olaylar için bekleyerek verimsiz kullanımının önlenmesi olarak belirtilebilir. İşlemci bir olayı gerçekleştirirken gelen kesme istemi ile o andaki iş askıya alınır ve işlemcinin başka bir işi gerçekleştirmesine izin verilir. İşlemci kesme hizmet programına dallanırken dönüş adresini yığın hafızada saklar ve işi bitince daha önceki işleme yine kaldığı yerden devam eder. Birçok aygıt aynı anda kesme hizmeti isteyebilir. Sistem tarafından belirlenmiş öncelik sırasına göre talepler karşılanır.

Kesme İstekleri (IRQ = Interrupt Request) Donanımların sayısal adresleridir. CPU nun kesme kaynağını anlamasını sağlarlar. Kesme önceliğini belirlerler. Bazı IRQ adresleri yaygın olarak standart kullanılır. IRQ1: Klavye , IRQ4: COM1 , IRQ12: PS/2 Fare IRQ9, IRQ kontrol biriminin kendisine aittir ve IOAPIC bağlantı noktasıdır. Tak ve Çalıştır (Plug and Play) yeni bir aygıt takıldığında gerekiyorsa IRQ ataması otomatik olarak yapılır.

16/32-Bit ISA/PCI/AGP Default Interrupt Assignments IRQ Standard Function Bus Slot Card Type Recommended Use 0 System Timer No — — 1 Keyboard Controller No — — 2 2nd IRQ Controller Cascade No — — 8 Real-Time Clock No — — 9 Available (as IRQ2 or IRQ9) Yes 8/16-bit Network Card 10 Available Yes 16-bit USB 11 Available Yes 16-bit SCSI Host Adapter 12 Mouse Port/Available Yes 16-bit Mouse Port 13 Math Coprocessor No — — 14 Primary IDE Yes 16-bit Primary IDE (hard disks) 15 Secondary IDE Yes 16-bit 2nd IDE (CD-ROM/Tape) 3 Serial 2 (COM2:) Yes 8/16-bit COM2:/Internal Modem 4 Serial 1 (COM1:) Yes 8/16-bit COM1: 5 Sound/Parallel 2 (LPT2:) Yes 8/16-bit Sound Card 6 Floppy Controller Yes 8/16-bit Floppy Controller 7 Parallel 1 (LPT1:) Yes 8/16-bit LPT1:

I/O Adres Çakışmaları Her kartın mikroişlemciyle haberleşmesi için farklı bir I/O adresi vardır. Birden fazla kartın aynı adresi kullanması durumuna “çakışma” denir. Esasen kartlar üretilirken bunlar göz önünde bulundurulan önemli kriterlerdir. Fakat bazı I/O değerleri standart değildir. Sorunlar da standart olmayan bu değerler yüzünden çıkmaktadır. Giriş/Çıkış adres bilgileri de kaynaklar sekmesinden görüntülenebilir. Fakat daha önce de belirtildiği gibi bu bilgiler bizim değiştirebileceğimiz bilgiler değildir. Buna rağmen bu bilgilerin olmasının nedeni programlama ile uğraşanlar için gerekli olabilmesindendir. Programcı özel bir program geliştirdiğinde kullanacağı donanım birimi ile ilgili özel ayarlar gerekir ise bu bilgileri kullanır.

Doğrudan Bellek Erişimi (DMA=Direct Memory Access) Modern bilgisayarlarda bulunan, merkezi işlem biriminden bağımsız olarak okuma ve/veya yazmak için, belirli donanım alt sistemleri içinde sistem belleğine erişim sağlayan bir özelliktir. Böylece belli bir performans artışı olur. DMA verileri bir çevre biriminden RAM’e veya RAM’den çevre birimine CPU’nun müdahalesine gerek kalmadan aktarabilmeyi sağlar. Çevre birimlerinin birbirlerine direk ulaşmasına imkan sağlayamaz. Sisteme DMA kullanmak üzere kaç kart takılabileceği sınırlıdır.

16-Bit Varsayılan DMA- Kanal Atamaları Standard Function Bus Slot Card Type Transfer Recommended Use Available Yes 16-bit 8-bit Sound 1 8/16-bit 2 Floppy Disk Controller Floppy Controller 3 LPT1: in ECP Mode 4 1st DMA Controller Cascade No 5 6 7