Manyetik disk

Manyetik disk, manyetik olmayan bir dairesel plakanın manyetikleştirilebilir malzeme ile kaplanmasından oluşur. Manyetik olmayan alt plaka ya direkt olarak alüminyumdur ya da alüminyum alaşımı bir maddeden yapılmıştır. Son zamanlarda cam malzemeden üretilen plakalar da kullanılmaktadır. Camsı malzeme, diskin daha güvenilir olması için manyetik film yüzeyin daha düzgün olmasını ve okuma-yazma hatalarını azaltmak için bütün yüzeydeki hataların ciddi biçimde azalmasını sağlar. Daha sert olduğu için titreşimleri önler ayrıca şoklara ve hasara karşı daha dayanıklıdır.

Verilerin disk üzerine yazımı ya da disk üzerinden okunması "kafa" adı verilen iletken bir bobin ile sağlanır ve çoğu sistemde okuma ve yazma kafası olarak adlandırılabilecek iki adet kafa vardır. Okuma-yazma işlemi sırasında, kafa sabitken altındaki disk dönmektedir.

Yazma işlemi bir bobin içinden geçen elektrik akımın bir manyetik alan oluşturduğu gerçeğine göre yapılır. Farklı pozitif ve negatif akımlar şeklinde yollanan elektriksel darbeler, kafadaki bobinden geçerek farklı manyetik alanlar oluştururlar ve bu manyetik alan şekilleri plakaya kaydedilir. Yazma kafası kolay manyetize edilebilen, bir tarafında iki ucu arasında boşluk bulunan, diğer tarafında ise birkaç sarımlık iletken tel olan dikdörtgensel bir yapıdır. Bu tel üzerine verilen akım diğer taraftaki boşluk üzerinde bir manyetik alan oluşturur ve bu da kayıt alanı üzerindeki ufak bir bölgeyi manyetize eder. Ters akım verildiğinde kayıt alanı üzerindeki manyetizasyon yönü de değişir.

Okuma işlemi ise yazma işleminin tersidir. Buna göre bir bobin etrafında hareket eden manyetik alan bir akım oluşturur, disk yüzeyi dönme sırasında kafanın altından geçerken kayıt alanındaki manyetik alan ile aynı polarizasyona sahip bir akım oluşturur ve bu sayede okuma işlemi gerçekleşmiş olur. Yazma için kullanılan kafa ile okuma için kullanılan kafa aynı yapıdadır. Bu nedenle bir kafa bu iki işi yapmak için yeterlidir ve bu şekilde de kullanılmaktadır. Örnek olarak ise disketler verilebilir. Daha çağdaş disk sistemleri ise daha farklı bir okuma tekniği kullanırlar. Bu mekanizmada ayrı bir okuma kafası kullanılır. Bu kafa parçalı şekilde kaplı bir magnetorezistanslı (MR) sensörden oluşur. Bu MR malzeme, altında hareket eden diskin manyetizasyon yönüne bağlı değişen bir elektriksel dirence sahiptir. MR sensörünün içinden geçen akımla oluşan direnç değişiklikleri voltaj sinyalleri olarak saptanır. MR sensörü yüksek frekanslarda da çalışabildiği için yüksek depolama yoğunluklarına ve yüksek işlem hızlarına olanak tanır.

Manyetik kafanın daha önce belirtilen yapısal özellikleri sayesinde verinin bu plaka üzerindeki organizasyonu kolaylıkla sağlanır. Bu veri organizasyonu ise "iz" (track) adı verilen halka setleri ile yapılır. Plaka üzerinde binlerce eşit genişlikte iz vardır. Her halka seti arasında belli büyüklükte boşluklar bulunur. Bu boşluklar sayesinde kafanın yanlış hizalanması ya da manyetik alanların girişim yaparak hatalara neden olması önlenir. Veriler diske yazılırken ya da diskten okunurken sektörler halinde transfer edilir. Her iz üzerinde aynı ya da farklı uzunlukta yüzlerce sektör bulunur. Son teknoloji sistemlerin çoğunda evrensel olarak 512 bayt uzunlukta sektörler kullanılır. Sektörler ise iz-içi (inter-track) boşluklar vasıtasıyla birbirinden ayrılırlar.

Dönen diskin merkezine yakın olan bir bit sabit bir noktadan merkeze uzak bir bite göre daha yavaş geçer. Okuma kafası bitleri okurken bu hız farkı nedeniyle oluşabilecek hataları ve yavaşlamayı önlemek için bütün bitler aynı hızla okunmalıdır. Bu ise diskin segmentlerine kaydedilen bitlerin arasındaki boşlukların artırılması ile sağlanabilir. Bu sayede veriler sabit bir hızla dönen bir diskte sabit bir oranla taranabilmektedir. Bu hıza "sabit açısal hız" denir. Bu yöntemde disk, tartı andıran bir şekilde sektörlere ayrılmıştır. Sabit açısal hız yönteminin avantajı ayrık veri bloklarının iz veya sektörler aracılığı ile adreslenebilmesidir. Bu sayede kafanın bulunduğu adresten istenen adrese gelmesi ve orada da istenen sektörün kafa altına gelmesi çok kısa bir süre zarfında olur. Dezavantajı ise içteki kısa izlere kaydedilebilecek veri kadar dıştaki uzun izlere de kayıt yapılabilmesidir, bu da verimi düşürür.

Her doğrusal uzunluğa kaydedilebilen bit sayısı olarak tanımlanan "yoğunluk", en dış izden en iç ize doğru artacağı için sabit açısal hızlı bir sistemdeki diskin depolama kapasitesi en iç ize kaydedilebilecek bit sayısı yani en iç izdeki yoğunlukla sınırlıdır. Yoğunluğu artırmak için modern sabit disk sistemlerinde çok bölgeli kayıt tekniği kullanılır. Bu teknikte kayıt yapılacak yüzey belli sayıda bölgeye bölünür. Bir bölgedeki her izdeki bit sayısı sabittir. Merkezden daha uzaktaki bölgeler daha fazla sektör dolayısıyla daha fazla bit taşırlar. Bu sayede de mimarinin kompleksleşmesine rağmen daha yüksek kapasitede veri saklanmasını sağlar. Kafa bir bölgeden diğerine hareket ederken bir izdeki ayrık bitlerin uzunluğu değişir ve bu değişim okuma ve yazmada zaman değişikliklerine neden olur.

Bir ize, sektör pozisyonlarını yerleştirmek için bazı şeylere ihtiyaç vardır. Örneğin izin bir başlangıç noktası ve her sektörün başı ve sonunu belirten bir işaret olmalıdır. Bu gereksinimler diskte kayıtlı olan kontrol verileri ile karşılanır. Bu kontrol verileri ise disk sürücüsü tarafından diske kaydedilmektedir.

Diskin hareket şekline göre kafalar ikiye ayrılır. Sabit kafalı sistemde, her izin üstüne bir tane gelecek şekilde bir kolla sabitlenmiş çok sayıda kafa bulunur. Hareketli kafa yapısında ise tek bir kafa bulunur ve bu kafa istenilen yere bağlı olduğu kol ile ulaştırılır.

Bir kişisel bilgisayarda kullanılan bir sabit disk içerisindeki diskler; kol yapısı, diski döndüren motor ve diske binary veri giriş-çıkışını sağlayan devrelerden oluşan disk sürücüsünde bulunur ve bu diskler taşınamazlar. Taşınabilir diskler ise adı üstünde taşınabilir ve bir başka diskle değiştirilebilirler. Bu sayede taşınabilir bir diskle birçok bilgisayara aynı veriler kaydedilebilir; örneğin bir disketle birçok bilgisayara aynı program kaydedilebilir.

Bazı eski disk sistemlerinde diske kayıt yapılmasını sağlayan manyetik kaplama diskin sadece bir tarafına yapılmaktaydı. Bu tür disklere tek taraflı (one-sided) diskler denir. Yeni disk sistemlerinde ise diskin iki tarafı da manyetize edilebilen kaplamayla kaplandığı için bunlar çift-taraflı (double-sided) disk olarak adlandırılırlar.

Bazı disk sistemlerinde birçok plaka üst üste yığıt şeklinde dizilir ve bunların aralarındaki kollar da her yüzeye bir oku-yaz kafası düşecek şekilde hareketli kafalara sahiptirler. Bütün kafalar mekanik olarak sabitlendiği için hepsi disk merkezine eşit aynı uzaklıktadır ve birlikte hareket ederler. Bu nedenle her zaman bütün kafalar izlerin üzerinde diskin merkezine eşit uzaklıkta olacak şekilde bulunurlar. Bütün plakalardaki aynı hizada bulunan izler birer silindir oluşturur.

Kafa mekanizması diskleri üç tipe ayırmıştır. Geleneksel olarak oku-yaz kafası, plaka ile sabit bir hava boşluğu oluşturulacak şekilde yerleştirilmiştir. Bir diğer mekanizmada ise oku-yaz kafası diskle direkt temas halindedir. Buna örnek olarak floppy diskler verilebilir. Üçüncü tipin çalışma şeklini anlamak için ise veri yoğunluğu ve hava boşluğu arasındaki ilişki üzerinde durulmalıdır.

Düzgün bir okuma-yazma işlemi için kafa ya yeterli bir elektromanyetik alan üretmeli ya da bu alanı algılamalıdır. Kafa ne kadar dar alanlıysa, plaka yüzeyine o kadar yakın olmalıdır. Daha dar bir kafa, daha dar bir iz demektir. Bu da daha yoğun veri saklama demektir. Fakat kafa diske yaklaştıkça hatalı okuma-yazma işlemi yapma riski artar. Bu handikaptan kurtulmak için Winchester diski geliştirilmiştir. Ayrıca bu disklerde kullanılmak üzere Winchester kafaları geliştirilmiştir. Bu kafalar sayesinde diskle bilinen kafalara nazaran çok daha yakın mesafeden oku-yaz işlemi yapılabilmektedir. Bu sayede de çok daha yoğun veri kaydı yapılabilmektedir. Winchester kafası, disk hareketsizken plaka yüzeyine hafifçe dayanan aerodinamik bir engelden ibarettir. Disk dönmeye başladığında oluşan hava basıncı bu engelin yüzeyden yeteri kadar yükselmesini sağlar. Bu sayede elde edilen temassız sistem, daha dar kafaların plaka yüzeyine daha yakın bir şekilde işlem yapabilmesine olanak sağlayacak şekilde tasarlanabilir.