Bilgisyarımızdaki Parçaların Çalışma Prensipleri

CPU'nun (Central Processing Unit Merkezi İşlem Birimi) bilgisayarlarımızın temel parçası olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Bir sistemdeki herhangibir parça ne işe yararsa yarasın mutlaka işlemciye (yazının daha başı ama kalan bölümde CPU yerine hepimizin kullandığı işlemci kelimesini kullanacağım) bağımlı olarak çalışır. Klavyedeki tuşlara her basışınız yaptığınız her fare hareketi bile bir şekilde işlemciye uğrar. Kullandığınız işlemci herşeyden önce sisteminizin performansını ve kullanabileceğiniz işletim sistemlerini belirler. Hatta çoğumuz bilgisayar alırken ilk önce işlemciyi belirleriz. Şimdi AMD - Intel savaşını (çok istediğinizi biliyorum ama bu yazının amacına pek uygun değil) bir yana bırakıp işlemcilerin nasıl çalıştığına bir göz atalım.



Mantık Kapıları ve Boolean Mantığı
Hangi işlemciyi kullanırsanız kullanın çalışma prensibi aynıdır: Bir işlemci elektriksel sinyalleri 0 ve 1 (ikili sistemle çalışan bilgisayarlarımız için anlamlı olan tek değerler) şeklinde alır ve verilen komuta göre bunları değiştirerek sonucu yine 0'lardan ve 1'lerden oluşan çıktılar halinde verir. Sinyal yollandığı zaman ilgili hatta bulunan voltaj o sinyalin değerini verir. Örneğin 3.3 voltla çalışan bir sistemde 3.3 voltluk bir sinyal 1 0 voltluk bir sinyal de 0 değerini üretir.
İşlemciler aldıkları sinyallere göre karar verip çıktı oluştururlar. Karar verme işlemi her biri en az bir transistörden oluşan mantık kapılarında yapılır. Transistörler girişlerine uygulanan akım kombinasyolarına göre devreyi açıp kapayabilen ve bu sayede de elektronik bir anahtar görevi gören yarıiletken devre elemanlarıdır. Modern işlemcilerde bu transistörlerden milyonlarca tanesi aynı anda çalışarak çok karmaşık mantık hesaplarını yapabilirler. Mantık kapıları karar verirken (yani akımın geçip geçmeyeceğini belirlerken) Boolean Mantığı'nı kullanırlar. Temel Boolean operatörleri AND (ve) OR (veya) ve NOT'tır (değil). Bu temel operatörlerle birlikte bunların değişik kombinasyonları kullanılır NAND (not AND) gibi.
Bir AND kapısının 1 değerini verebilmesi (yani akımı iletebilmesi için) iki girişindeki değerin de 1 olması (yani iki girişinde de akım olması) gerekir. Aksi takdirde 0 değerini verecek; yani akımı iletmeyecektir. OR kapısında ise akımın iletilmesi için girişlerin ikisinde de akım olmalı veya ikisinde de akım olmamalıdır. NOT kapısı ise girşindeki değerin terisini çıkışına verir.

OR Kapısı
A B Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1


AND Kapısı
A B Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
NOT Kapısı

A Q 0 1 1 0


NAND kapıları çok kullanışlıdır çünkü bu kapılar sadece iki transistör kullanarak üç transistörlü AND kapılarından daha fazla işlevsellik sağlarlar.

NAND Kapısı
A B Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Bunların yanında NOR (not OR) XOR (eXclusive OR) ve XNOR (eXclusive not OR) gibi değişik kapıların değişik kombinasyonlarından oluşan ve çok daha farklı aritmetik ve mantık işlemleri için kullanılan kapılar vardır.
Bu mantık kapıları dijital anahtarlarla beraber çalışırlar. Oda boyutundaki bilgisayarların zamanında bunlar bildiğimiz fiziksel anahtarlardı fakat günümüzde MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) denen bir çeşit transistör kullanılır. Bu transistörün basit ama hayati öneme sahip bir görevi vardır: Voltaj uygulandığında devreyi açarak veya kapatarak tepki verir. Genel olarak kullanılan MOSFET türü üst sınırda veya ona yakın voltaja sebep olan bir akım uygulandığında devreyi açar uygulanan voltaj 0'a yaklaşınca da devreyi kapatır. Bir programın verdiği komutlara göre milyonlarca MOSFET aynı anda çalışarak gerekli sonucu bulmak için akımı gerekli mantık kapılarına yönlendirir. Her mantık kapısı bir veya daha fazla transistör içerir ve her transistör akımı öyle kontrol eder ki sonuçta devre kapalıyken açılır açıkken kapanır veya mevcut durumunu korur.





AND ve OR kapılarının şemalarına bakarak nasıl çalıştıkları hakkında fikir sahibi olabiliriz. Bu iki kapıda iki sinyal alıp onlardan bir sinyal üretir. AND kapısından akım geçmesi için girişlerine uygulanan sinyallerinin ikisinin düşük de voltajlı (0) veya ikisinin de yüksek voltajlı (1) olması gerekir. OR kapısında ise giriş sinyallerinden birinin değerinin 1 olması yeterlidir akımın geçmesi için.
Her girişteki elektrik akışını o girişin transistörü belirler. Bu transistörler devrelerden bağımsız ayrı elemanlar değillerdir. Çok miktarda transistör yarı-iletken bir maddenin (çoğu zaman silikonun) üzerine yerleştirilip kabloLar ve dış bağlantılar olmadan birbirine bağlanır. Bu yapılara entegre devre denir ve ancak bu entegre devreler sayesinde karmaşık mikroişlemci tasarımları yapılabilir.
Güncel işlemciler mikroskobik boyuttaki transistörlerin dirençler kondansatörler ve diyotlarla bir araya getirilmesinden oluşan milyonlarca karmaşık mantık kapısından oluşur. Mantık kapıları entegre devreleri oluştururken entegre devreler de elektronik sistemleri oluşturur.

Harddisk 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 02 mm civarında bir boşluk varken modern disklerde bu boşluk 007 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

Hemen hepimizin bilgisayar almaya kalktığımızda ilk seçtğimiz parçalardan biri de ekran kartıdır ama sadece işlemci bellek ve sabit diske bakarak bilgisayar seçtiğimiz günlerin üzerinden o kadar da uzun yıllar geçmedi. Şimdi yeri geldiğinde bir bilgisayar parası verebildiğimiz ekran kartlarına biraz yakından bakalım.



Standart bir ekran kartının görünüşü.

Ekrandaki Görüntü Nasıl Oluşur?
Monitörünüze yeteri kadar yakından bakarsanız görüntünün çok küçük noktalardan oluştuğunu görürsünüz. İşte bu noktlara görüntünün en küçük birimi olan piksel diyoruz. Her pikselin kendine ait renk ve yoğunluk bilgileri vardır. Daha genel bir tanımla piksel için ekranın bağımsız olarak kontrol edilebilir en küçük parçası olduğunu söyleyebiliriz. İşte bu piksellerden binlercesi bir araya gelerek ekrandaki görüntüyü oluşturuyor.
Çözünürlük
Çözünürlüğün görüntü kalitesini belirleyen en önemli faktör olduğunu söyleyebiliriz. Çözünürlük ekrandaki görüntünün kaç pikselden oluşacağını belirler ve yatay ve dikey piksel cinsinden belirtilir (800x6001024x768 gibi). Çözünürlük arttıkça görüntü birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilen daha çok pikselden oluşur ve görüntü kalitesi de yükselir.
Windows 95 ile hayatımıza giren "scaleable screen objects" teknolojisi sayesinde çözünürlük arttıkça ekrandaki kullanılabilir alan da artar. Windows ekranında çözünürlük ne olursa ekrandaki nesneleri oluşturan piksel sayısı değişmez. Çözünürlük arttıkça pikseller de küçüleceği için nesneler daha az yer kaplar ve masaüstündeki kullanılabilir alan çözünürlükle doğru orantılı olarak artar.
Çözünürlük arttıkça yükselen görüntü kalitesinin de bir bedeli var tabi ki: Çözünürlük yüseldikçe kontrol edilmesi gereken piksel sayısı ve dolayısıyla da gerekli işlem gücü ayrıca bu piksellerin bilgilerini tutmak için gerekli bellek miktarıyla onların transferi için gereken bellek bant genişliği artar. Bu yüzden de performans düşer. Kullanmak istediğiniz çözünürlüğü hem ekran kartınız desteklemeli hem de monitörünüz fiziksel olarak gerekli sayıda pikseli ekranda oluşturabilmeli.
Renk Derinliği
Piksellerin kendilerine ait renklerinden bahsetmiştik piksellerin alabileceği renkler kırmızı yeşil ve maviden türetilir. İşte renk derinliği bu renklerin miktarını belirler. Renk derinliği ne kadar artarsa her pikselin alabileceği renk sayısı artar renkler gerçeğe daha yakın olur.
Renk derinliği bit cinsinden belirtilir işlemcilerle ilgili yazımızda bitlere kısaca değinmiştik. Her bit 1 ve 0 olarak iki değer alabilir. 8 bit kullanıldığında bu bitlerden 28 = 256 kombinasyon üretilir. Aynı şekilde 8 bit renk derinliğinde de her piksel için 256 renk kullanılabilir.
İnsan gözünü aldatıp ekrandaki görüntüyü gerçek gibi göstermek için kullanılan üç rengin de (kırmızı yeşil ve mavi) 256`şar tonu gereklidir bu da renk başına 8 bitten 24 bit yapar. Bu moda True Colour (Gerçek Renk) adı verilir. Fakat çoğu güncel ekran kartı görüntü belleğini kullanma yöntemleri yüzünden pikselleri bu modda göstermek için 32 bite ihtiyaç duyarlar. Kalan 8 bit alpha kanalı (piksellerin saydamlık bilgisini tutar) için kullanılır.
High Colour (16 bit) modunda ise yeşil için altı ve maviyle kırmızı için de beşer bit kullanılır. Yeşil için 64 maviyle kırmızı için de renk başına 32 farklı yoğunluk vardır bu modda. Renk kalitesinde 32 bite göre çok az fark olsa da piksel başına 4 yerine 2 byte (8 bit = 1 byte) hafıza gerekeceğinden 32 bite göre performans avantajı sağlar.
256 renk (8 bit) modu ilk duyuşta size renk fakiri izlenimi verebilir fakat renk paleti denen bir yöntemle bu 8 bit olabilecek en verimli şekilde kullanılarak renk kalitesi biraz arttırılır. Renk paletinin mantığı söyledir: Kullanılacak 256 renk gerçek renk modundaki 3 bytelık renklerden seçilir ve bu renklerden bir renk paleti oluşturulur. Her program ilgili paletteki 256 renkten istediğini seçip kullanabilir. Böylece örneğin kırmızı için iki mavi ve yeşil için de üçer bit kullanılarak elde edilen renklerden daha canlı renkler elde edilebilir ve elimizdeki 8 bit en verimli şekilde kullanılmış olur.
En çok kullanılan üç renk modunu tanıdık peki ekran kartımız üretemediği renklere ne yapıyor? Sistemimizin 256 renge ayarlı olduğunu fakat 16 bitlik bir resim dosyası açtığımızı varsayalım. Bu durumda hazırdaki renklerin değişik kombinasyonları kullanılarak üretilemeyen renge yakın bir renk oluşturulur ve bu renk üretilmesi gereken rengin yerine gösterilir. Buna dithering denir. Tabi ki dithering yöntemiyle elde edilmiş bir resmin kalitesi orjinal resme göre göre çok daha düşüktür.

Görüntü Arayüzleri
Önceleri ekrandaki piksellerin adreslenmesi için bir standart olmadığından üreticiler de programcılar da (dolayısıyla son kullanıcılar da) sorun yaşıyorlardı. Bu sorunu çözmek için üreticiler VESA (Video Electronics Standarts Association) adında video protokollerini standartlaştırmayı amaçlayan bir konsorsiyum oluşturdular. VGA ile beraber geriye uyumluluk da sağlanarak çözünürlük sürekli arttı. VGA öncesindekiler de dahil standartlara kısaca bir göz atalım:

• MDA (Hercules): Monochrome Display Adapter 1981 yılındaki ilk IBM PC`deki ekran kartı. Ekranda yerleri önceden belirlenmiş olan 256 özel karakteri gösterebilyordu sadece. 80 kolona 25 satırlık bir ekranda gösterebildiği yazı karakterlerinin boyutları da önceden belirlenmişti ve grafik görüntülemek mümkün değildi. IBM bu kartlara ekstra slot masrafından kurtulmak için bir de yazıcı bağlantı noktası eklemişti.
• CGA: Bu arayüzde ekran kartları RGB monitörlerle çalışıp ekranı piksel piksel kontrol edebiliyorlardı. 320x240 çözünürlüğündeki bir ekranda 16 renk üretilebiliyor fakat aynı anda bunlardan sadece 4 tanesi kullanılabiliyordu. 640x200`lük bir yüksek çözünürlük modu vardır ama bu modda sadece 2 renk gösterilebiliyordu. Görüntü kalitesi kötü olsa bile en azından grafik çizilebiliyordu. Zaman zaman piksellerin gidip gelmesi ve ekranda rastgele noktalar oluşmasına rağmen bu standart çok uzun bir süre kullanıldı.
• EGA: CGA`dan birkaç yıl sonra sırada Enhanced Graphics Adapter vardı. CGA ile VGA arasındaki bu kartlar 1984`ten IBM`in ilk PS/2 sistemlerini ürettiği 1987`ye kadar kullanıldı. EGA monitörle kullanıldığında üretilen 64 renkten aynı anda 16 tanesi kullanılabiliyordu. Yüksek çözünürlük ve monochrome modları da vardı ayrıca eski CGA ve monochrome monitörlerle de uyumluydu. Bu kartlardaki bir yenilik de bellek genişletme kartlarıydı. 64K bellekle satılan bu kartları bellek genişletme kartıyla 128K`ya upgrade etmek mümkündü. Ek olarak satılan IBM bellek kitiyle bir 128K daha eklemek de mümkündü. Sonraları bu kartlar standart olarak 256K bellekle üretilmeye başlandı.
• PGA: IBM`in 1984`te piyasaya sürdüğü Professional Graphics Array adını hitap ettiği pazardan alıyordu. 5000 dolara satılıyor ve entegre 8088 işlemcisiyle mühendislik ugulamarıyla diğer alanlardaki bilimsel çalışmalar için 640x480 çözünürlükte 256 renkte saniyede 60 kare hızla 3 boyutlu animasyonları çalıştırabiliyordu. Fiyatı yayılmasını engelledi ve fazla kullanılamadan piyasadan kalktı.
• MCGA: 1987`de piyasaya sürülen MultiColor Graphics Array standardındaki ekran kartları teknolojide büyük bir sıçrama yaparak VGA ve SVGA`ya kadar gelen bir gelişimi başlattı. IBM`in Model 25 ve Model 30 PS/2 PC`lerinde anakarta entegre halde geliyordu. Uygun bir IBM monitörle kullanıldığında bütün CGA modlarını da destekliyordu fakat TTL yerine analog sinyallerle çalıştığından daha önceki standartlarla uyumlu değildi. TTL (Transistor � to �Transistor Logic) mantığında voltaj seviyesine göre transistörler açılıp kapanır ve sadece 1 ve 0 değerleri oluşur bunu sonucunda. Analog sinyallerdeyse bu kısıtlama yoktur. Analog sinyalleşmenin de sağladığı avantajla MCGA arayüzüyle 256 renk üretilebiliyordu. Bu arayüzle beraber 9 pinlik monitör bağlantısından halen kullanılmakta olan 15 pinlik bağlantıya geçildi.
• 8514/A: IBM`in MCA veriyoluyla kullanmak için ortaya attığı bu arayüz zamanla yüksek tazeleme hızlarına çıktı. VGA ile aynı monitörü kullanmasına rağmen VGA`dan farklı çalışıyordu. Bilgisayar ekran kartına ne yapması gerektiğini söylüyordu ama ama ekran kartı onu nasıl yapacağını kendisi ayarlıyordu. Örneğin ekrana bir çember çizileceği zaman VGA`daki gibi işlemci görüntüyü piksel piksel hesaplayıp ekran kartına yollamıyordu. Bunun yerine ekran kartına çember çizileceğini söylüyordu ve ekran kartı da çemberi çizmek için piksel hesaplarını kendisi yapabiliyordu. Bu yüksek seviyeli komutlar standart VGA ile komutlarından çok farklıydı. Bu standart çıktığı zamanın daha ilerisindeydi ve VGA`dan daha kaliteli görüntü sonuyordu ama fazla destek bulamadığı için yayılma imkanı bulamadan piyasan kalktı. IBM üretimi durdurup aynı daha daha fazla renk gösterebilen XGA üzerine yoğunlaştı. XGA 1990`da piyasaya çıktıktan sınra MicroChannelplatformları için standart oldu.
• VGA: 2 Nisan 1987`de MCGA ve 8514/A ile aynı günde IBM tarafından tanıtılan Video Graphics Array aradan sıyrılarak masaüstü için standart olmayı başardı. IBM yeni bilgisayarlarında bu chipleri anakarta entegre ederken eski bilgisayarlarda da kullanılabilmeleri için 8 bitlik bir arayüzle anakarta bağlanabilen bir ayrı bir kart halinde de geliştirdi. IBM üretimi durdurduktan sonra bile değişik firmalar üretime devam ettiler. VGA ile 262144 renklik bir paletten seçilen 256 renk aynı anda kullanılabiliyordu. 640x480`lik standart çözünürlükte aynı anda 16 renk gösterilebiliyordu. Ayrıca 64 renk gri tonlama ile siyah beyaz monitörlerde renk siğmilasyonu yapabiliyordu.
• SVGA: Super VGA ilk SVGA kartlardan güncel kartlara kadar çok fazla kartı kapsayan geniş bir standart. SVGA ile birlikte ekran kartları için aygıt sürücüsü kavramı ortaya çıktı. Kartların yanında verilen sürücülerle ilşetim sistemleri kartların tüm özelliklerini kullanabiliyorlardı. SVGA ile milyonlarca renk değişik çözünürlüklerde gösterilebiliyor fakat bunun sınırları karta ve üreticiye bağlı. SVGA değişik şirketler tarafından kullanılan ortak bir kavram olduğundan başlarda eski standartlar gibi çok katı sınırları yoktu. Bunun üzerine VESA bir SVGA standardı belirledi. VESA BIOS Extension adında standart bir arayüz belirlendi ve bu sayede programcılar her kart için ayrı kod yazma zahmetinden kurtuldular. Üreticiler bu arayüzü benimsemek istemediler ve başlarda kartların yanında verilen ve her boot işleminden sonra çalıştırılan bir programla kartlarını bu BIOS uzantılarıyla uyumlu hale getirdiler fakat sonunda bunu kartların BIOS`larına entegre ettiler. SVGA ile 800x600 çözünürlüğe çıkıldı.

SVGA'dan sonra IBM XGA ile 1024x768 çözünürlüğe geçerken sonraki basamak olan 1280x1024`e de bir VESA standardı olan SXGA ile geçildi. Sonra da UXGA ile de 1600x1200 çöznürlüğe geçildi. Çözünürlükteki 4:3 oranı sadece SXGA ile bozuldu bu standartta oran 5:4`tür.

En Temel Bileşenleriyle Bir Ekran Kartı



Bir ekran kartı temel olarak 3 bileşenden oluşur: Grafik işlemcisi bellek ve RAMDAC.
Grafik İşlemcisi: Güncel kartlar için grafik işlemcisi görüntü hesaplamalarını yapmak için ekran kartının üzerine oturtulmuş bir CPU`dur dersek yanlış olmaz. Son zamanlarda grafik işlemcileri yapı ve karmaşıklık bakımından CPU`ları solladılar ve işlev bakımından da görüntü üzerine yoğunlaşmış bir CPU niteliğine kavuştular. CPU`ya neredeyse hiç yük bindirmeden üç boyutlu işlemcleri tek başlarına tamamlayabiliyorlar artık. Bu yüzden de güncel grafik işlemcileri GPU (Graphics Processing Unit - Grafik İşlemci Birimi) adıyla anılıyorlar.
Görüntü Belleği: Ekran kartının üzerinde bulunur ve görüntü hesaplamalarıyla ilgili veriler burada saklanır. Sisteminizdeki ana bellek gibi çalışır yalnız burada bu belleğin muhattabı CPU değil görüntü işlemcisidir. Önceleri ekran kartlarının ayrı bellekleri yoktu fakat görüntü işlemcileri hızlanıp geliştikçe ekran kartları sistemden yavaş yavaş bağımsızlıklarını ilan etmeye başladılar. Bellek miktarı kadar ekran kartının sıkıştırma algoritmalarıyla bu belleği ne kadar verimli kullanabildiği de önemlidir.
RAMDAC: Monitörlerdeki analog sinyallerden bahsetmiştik işte RAMDAC (RAM Dijital-to-Analog Converter) görüntü belleğindeki verileri analog RGB (Red Green Blue monitörde renklerin bu üç renkten türetildiğini yazmıştık) sinyallerine çevirerek monitör çıkışına verir. Monitörde kullanılan üç ana renk için de birer RAMDAC ünitesi vardır ve bunlar her saniye belirli bir sayıda görüntü belleğini tarayıp oradaki verileri analog sinyallere dönüştürürler. RAMDAC`in bu işlemi ne kadar hızlı yapabildiği ekran tazeleme hızını belirler. Bu hız Hz cinsinden belirtilir ve ekrandaki görüntünün saniyede kaç kere yenilendiğini gösterir. Örneğin monitörünüz 60 Hz`te çalışıyorsa gördüğünüz görüntü saniyede 60 kere yenilenir. Ekran tazeleme hızını mümkün olduğu kadar 85 Hz`in altına çekmemenizi öneririm daha düşük tazeleme hızları göz sağlığınız için zararlı olabilir. Tabi bu gözünüzün ne kadar hassas olduğuna da bağlı bazı gözler 75 ve 85 Hz arasındaki farkı hissedemezken bazıları ilk bakışta bunu anlayabilir. RAMDAC`in iç yapısı ve özellikleri hangi çözünürlükte ne kadar rengin gösterilebileceğini de belirler.

LCD ekranlar yapıları gereği dijtal olduklarından RAMDAC`ten değil de direk görüntü belleğinden görüntü bilgisini alıp kullanabilirler. Bunun için DVI (Digital Video Interface) adında özel bir bağlantı kullanırlar. Bu konuya ileride "Monitörler Nasıl Çalışır?" yazısında detaylı olarak değineceğiz.
BIOS: Ekran kartlarının da birer BIOS'ları vardır. Burada ekran kartının çalışma parametreleri temel sistem fontları kayıtlıdır. Ayrıca bu BIOS sistem açılırken ekran kartına ve onun belleğine de küçük bir test yapar.

3. Boyuta Geçiyoruz...
Bazılarımız 3B uygulamalar için ekran kartlarına tomarla para döküyoruz. 3B bir görüntü 3 temel adımda oluşturulur:
Sanal bir 3B ortam yaratılır
Ekranda bu ortamın hangi bölümünün gösterileceğine karar verilir.
Görüntüyü mümkün olduğu kadar gerçeğe yakın gösterebilmek için her pikselin nasıl görüneceği belirlenir.
Sanal bir 3B ortamı o sadece o ortamın bir resmi belirleyemez. Gerçek dünyadan küçük parçayı alarak konuyu açalım. Elimizi ve onun altında duran bir masayı düşünelim bu bizim 3B ortamımız olsun. Elimizle dokunduğumuzda masanın sert olduğunu anlayabiliriz. Masaya elimizle vurduğumuz zaman da masa kırlımaz ya da elimiz masanın içinden geçemez. Bu ortamın ne kadar çok resmine bakarsak bakalım masanın sertliğini ve elimize vereceği tepkiyi sadece o resimlerle anlayamayız. Sanal 3B ortamlar da böyledir. Bu ortamlardaki nesneler sentetiktir bütün özellikleri onlara yazılım yoluyla verilir. Programcılar sanal bir 3B dünya tasarlarken büyük bir özenle bütün bu detaylara dikkat ederler ve bu işler için özel araçlar kullanırlar.
Belirli bir zamanda oluşturulan bu 3B dünyanın ancak belirli bir bölümü ekranda gösterilir. Ekrandaki görüntü dünyanın nasıl tanımlandığına sizin nereye gitmek istediğinize ve nereye baktığınıza göre değişir. Hangi yöne hareket ederseniz edin etrafınızdaki sanal dünya o an bulunduğunuz pozisyonu ve nereye baktığınızı değerlendirerek ekranda ne görmeniz gerektiğine karar verir. Bu farklı sahneler de kendi içlerinde tutarlı olmalıdırörneğin bir nesne ona baktığınız her açıdan ve uzaklıktan aynı yükseklikteymiş hissi vermelidir. 3. adıma geçmeden önce sabit bir görüntünün nasıl oluşturulduğuna bakıp sonra da bir 3B görüntünün nasıl hareket kazandığına bakacağız.
Şekiller
3B nesneler ilk başta wireframe denen bir yapı ile oluşturulurlar. Şeklin iskeleti de diyebilceğimiz bu tel örgü en basit haliyle nesnenin şeklini belirler. Wireframe denen bu yapı için bir yüzey tanımlanması şarttır.


Bu el modeli 862 poligondan oluşuyor.


Aynı model 3444 poligonla gerçeğe çok daha yakın.

Yüzey Kaplamaları
Sanal bir 3B ortamda nesneleri elleme şansımız olmadığından onların hakkında sadece onlara bakarak fikir edinebiliriz. Bu yüzden sanal 3B ortamlarda nesnelerin dış görünüşleri çok önemlidir. Dış görünüşü şunlar belirler:
Renk: Nesnenin rengi.
Kaplama: Tel örgünün üzerine yapılan kaplamayla nesnenin yüzeyi düz çizgili veya girintili çıkıntılı görünebilir.
Yansıma: Nesneye etkiyen ışığa ve etrafındaki diğer nesnelere göre cismin üzerinde yansımalar oluşturulur.
Bir nesneyi gerçek gibi göstermek için bu üç özellik de dengeli bir biçimde nesnenin değişik yüzeylerine uygulanmalıdır. Örneğin bir 3B ortamda bir klavyeyle bir masa ışığı aynı oranda yansıtmaz. Bu üç parametreyi değiştirerek nesnelere sert veya yumuşak hissi verilebilir.


Tel örgümüz kaplanınca gerçek bir ele benzedi.

Lighting (Işıklandırma)
Karanlık bir odaya girdiğimizde ışığı açarız ve ışık kaynağından her yöne doğru yayılan ışık sayesinde odadaki bütün nesnelerin görüntüsü değişir. Bu ışığın odaya nasıl yayıldığını düşünmeyiz ama 3B grafiklerle uğraşanlar bunu düşünmek zorundalar. Tel örgüleri kaplayan kaplamalar (texturelar) bir yerden aydınlatılmalıdırlar. Ray tracing denilen bir yöntemle ışık ışınlarının alacağı yol çizilir ve bu ışınlar çarptıkları nesnelerden farklı yoğunluk ve açılarla yansır. Çoklu ışık kaynaklarını düşündüğünüzde bu hesaplamar oldukça karışık bir hal alabilir.
Işıklandırma cisme ağırlık ve katılık etkisi veririken en çok kullanılan iki efektte önemli rol oynar: Shading ve gölgeler. Shading bir nesne üzerindeki parlayan ışığın bir tarafında diğer tarafından daha güçlü olmasıdır. Ancak shading sayesinde bir top yuvarlak veya buruşmuş bir battaniye yumuşak görünebilir. Parlaklıktaki bu fark nesnelere derinlik uzunluk ve genişlik kazandırır.


Işıklandırma nesneye sadece derinlik katmakla kalmayıp onu üzerinde bulunduğu yüzeye de bağıyor.

Katı nesneler üzerlerinden ışık parladığında gölgeler yaratırlar. Gözlerimiz gerçek nesneleri görmeye alışık olduğundan ekranda gölge gördüğümüz zaman matematiksel olarak üretilmiş şekillere değil de bir pencereden gerçek bir dünyaya bakıyormuş gibi hissederiz.
Perspektif
Perspektif kulağa biraz teknik gelebilir ama günlük yaşamımızda çok sık gördüğümüz bir etkidir. Bir yolun kenarında durup ufuk çizgisine doğru baktığınızda yolun iki kenarı da birleşiyormuş gibi görünür. Yol kenarında ağaçlar varsa da bu ağaçlar birleşme noktasına yaklaştıkça da daha küçük görünür. Nesnelerin bir noktada birleşiyormuş gibi görünmesini sağlayan bu efekt perspektiftir. Değişik çeşitleri vardır fakat 3B çizimlerde genelde tek noktalı perspektif kullanılır.




Şekildeki eller ayrı duruyor fakat çoğu sahnede nesneler birbirlerinin önünde dururlar ve birbirlerini kısmen kapatırlar. Bu durumda bunların büyüklüklerinin hesaplanması dışında hangisinin önde olduğu da bilinmelidir. Bunun için Z Buffering denilen teknik kullanılır. Z buffera her poligon için bir sayı atanır ve bu sayı o poligona sahip nesnenin sahnenin ön tarafına yakınlığını belirler. Öneğin 16 bitlik bir Z bufferekrana en yakın poligon için -32768 ve en uzak poligon için de 32767 değerlerini atar.
Gerçekte bir nesnenin arkasındaki diğer nesneleri göremediğimiz için ne görüyor olmamız gerektiğini düşünmeyiz. Sanal 3B ortamlarda da bu sıkça olur ve çok düz bi mantıkla çözülür. Nesneler yaratıldıkça x ve y ekseninde aynı değere sahip olanlarının Z bufferdaki değerleri karşılaştırılır ve en düşük Z değerine sahip nesne tamamen görüntülenir. Daha yüksek Z değerindekilerinse tamamı görüntülenen nesneyle kesişen bölgeleri görüntülenmez. Nesneler tamamen oluşturulmadan önce Z değerleri belirlendiği için görünmeyecek bölgeler tamamen hesaplanmaz ve bu da performansı arttırır.
Derinlik (Depth of Field)
Yol ve ağaçlar örneğimizi hatırlayalım ve o örnekte oluşabilecek başka bir ilginç olayı düşünelim. Yakınınızdaki bir ağaca bakarsanız uzaktaki ağaçların netliklerini kaybettiklerini görürsünüz.
Filmlerde ve bilgisayar ortamında sık kullanılan bu efekt iki amaca hizmet eder. İlki sahnedeki derinlik hissini güçlendirmektir. İkincisi ise dikkatinizi bir nesneye çekmektir.




Anti-aliasing
Bu teknik de gözü aldatarak görüntünün doğal görünmesini amaçlar. Dijital görüntü sistemleri aşağıya ve yukarıya doğru düz çizgiler çizmekte son derece başarılıdırlar fakat iş eğrilere ve çapraz çizgileri çizmeye gelince basamak efekti oluşur ve çizgilerin kenarları yumuşak değil de daha çok bir merdiven gibi gözükür. İşte bu nokada devreye anti-aliasing girer ve çizginin kenarlarındaki piksellere onlara yakın gir tonlardaki renklerle shading uygulayarak kenarları biraz bulanıklaştırır. Bu sayede basamak efekti ortadan kaybolmuş gibi gözükür. Anti-aliasingde doğru pikselelleri çin doğru renkleri seçmek de başka bir karmaşık işlemdir ve sisteme oldukça yük bindirir.


Sadece düz çizgilerdeki pikseller kullanıldığında basamak efekti oluşur.


Kenarlardaki piksellerin etrafındakiler de kullanılarak basamak efekti azaltılır.