Beep, beep…

+ Hello?

-Design Twitter!

+ But how… click

Yes, but how?

Let’s look at Twitter. (It’s X now, but I prefer to call it Twitter.)

When we open it from the application, lots of posts show up on our homepage. This is our timeline. When we scroll down the page, new posts are recommended to us. Some of them are from profiles followed by millions of people. They have thousands, sometimes millions, of likes and comments below them.

And we have a + button. When we click it, an empty, text-editable box appears on the page, along with our famous POST button. We can write something and post it from this section. We can also attach media such as photos and videos.

Okay, so we have recommended posts from different profiles, text posts that we can create, media files that can be included in our posts, and like counts and comments for each post.

You are designing these mechanisms in our system. Let’s just forget about signing in and other Twitter mechanisms like AI, blocking, or following profiles. Consider that we are part of a team, and we have been assigned these parts.

Go on. Design the System of Twitter.

Oh, sorry. I forgot that you don’t have any information about System Design.

Don’t worry. I’m here to design it with you.

Follow me!

What a System Is? How Can We Design One??

The average internet user spends around 6 hours every day interacting with networked systems — more than 100 days per year. And more than half of that time is spent through a device sitting in our pockets. So when a company asks you to design a system, remember: you have already been a user of thousands of them. You just need to learn how to see what happens behind the screen.

But what exactly do we mean by “system”?

Every time you send a message, scroll through your feed, watch a video, order something online, or check your bank account, you are interacting with a system.

When you click the “POST” button on Twitter, a few things happen. You hear some clicks, something starts moving in the background, and moments later, your post is shared.

Is this simply the universal power of a button, or is there something more happening behind it? With a single click, you trigger an API request that travels through your internet connection.

“I request this. I want this…”

Suppose we are a hungry guy in a restaurant, and we order some food from the waiter. Our order needs to have a specific structure for the waiter — or the restaurant — to understand what we want. Once they understand what they need to serve, they can start the processes required to make it happen.

We, the hungry guys, are actually the clients, and the restaurant is the server. The specific format our order follows is actually a protocol.

HTTP Structure

In the world of the Internet, requests follow protocols as well. We are going to use the most common and appropriate one: HTTP, the Hypertext Transfer Protocol.

An HTTP request is actually structured data. It contains different pieces of information in its headers and body.

Yes, it has parts.

Let’s take a look at them:

If you already know these terms, good for you. But if you are seeing them for the first time, don’t be scared. We are just going to scratch the surface of them.

As the data structured with HTTP travels through Wi-Fi waves and cables, something is there to catch it. This is the server I mentioned before.

The server looks at the request and sees from its headers that a client at a specific IP address is sending this request. So, it processes the request and sends a response back to that client.

All the routers along the way help carry this request and response to the right addresses, much like postmen delivering a letter. But they are not really our concern here.

Our goal is to understand what data should be inside the requests and responses, what the server should do when it receives a request, and what happens when the server decides not to serve it and returns an error instead.

This request-and-response process can happen within milliseconds. An HTTP request may contain only a small amount of data. But when a server receives millions of these requests, each one triggers software and hardware processes that require computational power.

So, how does a server handle millions of requests on its own?

Think about your phone. When you open an application, software and hardware processes start running to make it work. When you open more applications, your phone has more processes to handle, and it may start to slow down.

A server is not so different. It has RAM, storage, a processor. The difference is that instead of serving one person using a few applications, a server may have to handle millions of requests from users at the same time.

And this is exactly what we are here to do: design the system so that it can handle this workload without crashing and process requests as efficiently as possible.

That is a part of system design.

But for now we are looking protocol itself. If you have a knowledge, you can pass to the Needs part.

If we look at the image again, there is a section in the header called METHOD. Every request is divided according to its method. Each method asks the server to do something different. So, let’s take a look at what some of these methods do:

As you see in the picture, each method sent by the client (blue) has a different impact on the server (red). These methods are the actual skeleton of our architecture. Let’s go deeper and look at the structure of the requests then.

GET /car HTTP/1.1
Host: api.fundamantals-system-design.com
Accept: application/json
User-Agent: Blue-Robot-Client/1.0

POST /plane HTTP/1.1
Host: api.fundemantals-system-design.com
Content-Type: application/json
Content-Length: 65

{
  "name": "Lego Plane",
  "color": "colorful",
  "propeller": true
}

If you look closer, in the POST method, we have a body part inside curly brackets. Thus, we can say that different methods may have different structures.

If the information or the structure of the request is incorrect, the server definitely must not accept it.

We have a decision-making mechanism on servers, as they are computers on a network. They must decide what response should be sent back to the client. There are many different possible responses:

• 200 OK: The request was successful. Everything is fine.
• 301 Moved Permanently: A redirection. The page has been permanently moved to another address.
• 400 Bad Request: The client sent an invalid request.
• 404 Not Found: The requested page or resource could not be found.
• 500 Internal Server Error: Something went wrong on the server side.

System design is about implementing the technologies and strategies needed to handle every problem a server may encounter, while making sure that its responses do not break the rest of the system.

Secure HTTP

How does the client know that it has successfully connected to the server? And how does it know that the communication is still working?

For this, we have a process called a handshake. Before the blue robot sends the famous GET /car request to the red robot, it first needs to establish a connection with it. This is done through a TCP process called the 3-Way Handshake.

SYN: “Hello, are you available?

SYN-ACK: “Yes, I’m here. Are you ready?”

ACK: “Great, let’s start!”

Now the connection is established.

If you want to dive deeper into this process, I recommend you to research Two Generals’ Problem to see where 3-Way Handshake comes from.

But there is a problem. Let’s imagine that there is a malicious Pirate Robot somewhere between the blue robot and the red robot. Since they are using plain HTTP, the Pirate Robot can intercept their communication. It can read the GET /car message, and even worse, if the blue robot sends credit card information or a secret Lego password in a POST request, the Pirate Robot can see and steal that data. It can even modify the message and send something completely different to the red robot.

How do we prevent this?

We use HTTPS (S is coming from Secure). After the basic TCP handshake, but before the GET /car request is sent, another handshake takes place. This time, it is the TLS Handshake.

Client Hello: “Hello, let’s talk securely.”

Server Hello & Certificate: “Here is my identity.” The Red Robot chooses an encryption method and sends a digital certificate proving its identity.

Authentication: “Are you really the Red Robot?” The Blue Robot checks the certificate to make sure that the server it is talking to is actually the Red Robot and not the Pirate Robot.

Key Exchange: “Let’s create a secret.” The Blue and Red Robots perform a key exchange to establish the secret key that will be used to encrypt their communication.

Secure Connection Established. Now both sides have what they need to communicate securely.

Now, even if the Pirate Robot intercepts the packet, instead of seeing: GET /car HTTP/1.1 it sees only encrypted data that looks like meaningless characters, such as: x9$kP2@!q

System Design includes network security layers as we see.

So, what happens when we put all of these pieces together?

A system is not simply a server waiting for requests. It is a carefully designed structure of machines, protocols, and processes, all working together to handle communication between clients and servers.

Every request has to reach the right place, every response has to make its way back, and the system has to keep working even when millions of requests arrive, something goes wrong, or someone tries to interfere with the communication.

System design is about strategically putting all of these pieces together, choosing the right technologies and strategies, and building a system that can handle real-world problems while serving its users as efficiently, reliably, and securely as possible.

In the next episode, we will go through the needs of our system. See you soon!

İlk aşama olarak bir ikon/maskot tasarımına giriştim. Bu her tasarımda şart olan bir özellik olmasa da fikir-bilgi paylaşımının bir figür tarafından yapılıyor olması, akılda kalıcılığı arttıran ve tasarımı destekleyen bir detaydır.

Hemen ardından bir stil belirlenmelidir. Tasarım açısından kolay, okunabilirliği yüksek bir stil belirlemek önemlidir. Aşağıda verilen realistik stil, okunabilirliği çoğu zaman düşürür:

Çok fazla renk ve detay içerdiğinden dolayı bu stili sunumlarda, yazılarda arka plan olarak kullanmak hatalıdır. Bunun yerine aşağıda verilen arka plan tercih edilebilir:

Görselin çizim tarzı daha az renk geçişi içerdiğinden ve düz çizgilerden oluştuğundan üzerine eklenecek yazılar, resimler daha okunaklı olacaktır. Görselin çok renkli olmaması tasarımı biraz sıkıcı gösterse de önüne ekleyeceğimiz yazılar ve resimler bu sorunu çözecektir.

Peki bu görsel nasıl oluşturulur? Yazıda bu arka plana yer verilmesinin nedeni bilgisayarın içinde olduğumuz izlenimini vermesiydi. Nasıl bir hissiyat oluşturması gerektiğini ve uygulanacak stili belirledikten sonra üç yolumuz var:

1. Kendimiz tasarlayabiliriz
2. Detaylı internet taraması yaparak (genellikle telifsiz görseller) uygun görseli bulmaya çalışabiliriz
3. Yapay zekayla çalışıp gerekirse sürekli revizyon vererek kafamızdaki görseli oluşturmayı deneyebiliriz.

İlk yol için Canva, Office PowerPoint, Paint gibi ücretsiz araçlar; Adobe Photoshop gibi ücretli uygulamalar kullanılabilir. Bu genel olarak zor bir yoldur çünkü bir çizim yapmak veya bir görsel tasarlamak karmaşık ve uğraş gerektiren bir iştir.

İkinci yol vakit alabilir ve stilimize uygun bir görsel bulsak da tasarımımıza uyduramayabiliriz. Bunlarla birlikte telifli görsellerle ilgili sorunlar yaşayabiliriz.

Üçüncü yol ise büyük bir sabır gerektirir :) Yapay zekayla çalışarak onun doğru ilerleyen bir süreci bir anda yanlış anlayarak bozduğunu görmek ve kendimizi anlatamamak bazen Alt+F4 ile sonuçlanabilir. Aşağıda bu resmin oluşturulması sırasındaki denemelere yer verdim:

Ancak ona stili kendim tanıtınca şöyle bir sonuç aldım:

Tabii ki de yanlış analiz ederek sadece rengi uyarladı. Bunun üzerine bu resimde nelerin hatalı olduğunu anlattığımda…

İstediğime benzer bir resim çıkarmış oldu.

Peki, sunduğum yolların hepsinin sorunlu olduğu yanlar varsa nasıl ilerlemeliyiz? Hepsini kullanarak!

Gemini tarafından üretilen bu resmi PowerPoint ekranına taşıyarak yazacağım yazılara uygun olacak şekilde kırparak ters çevirdim ve rengini de soluklaştırıp koyulaştırdım. Ve sonuç olarak görselimiz hazır.

Devam ederek karakterimizi görselin uygun yerine oturttum. Yazıların yukarıda olması dikkati daha çok çeker o yüzden karakterimizi aşağıya koyacağız. Zaten konuşma balonu kullanacağımız için konuşma balonunu aşağıya eklemek her durumda iyi görünmeyebilir.

Karakterimize ait pozu, kıyafetleri yapay zekayla oluşturduktan sonra resme ekledim. Karakterimiz renkli ancak çok farklı tonlar içermiyor, böylece arka planla çok uyumsuz değil. Bu arada önemli bir detay olarak karakterimizin stiliyle arka planın stili aynı olmalıdır. Yoksa böyle tuhaf bir sonuç görebiliriz:

Ya da böyle:

O yüzden kendi uyumlu stilimize geri dönelim. Tasarım uyumlu gibi görünse de halen bir eksiklik var gibi. Karakter arka plandan çok ayrı duruyor. Arka plan sıcak sayılabilecek bir renkteyken karakter soğuk (mavi) bir renkte. Bununla birlikte bu görselde çok sırıtmasa da perspektifle ilgili sorunlar yaşayabiliriz. Son olarak yazımızda sadece arka planlar değil, şekildeki gibi bir pattern de kullanabiliriz:

O halde karakterimizin her arka planla uyumlu olabilmesi gerek. Bunu ben şu şekilde çözdüm:

Karakterimiz madem ayrı kalıyor arka plandan, tam ayrı kalsın. Hem böylece orada bi anda belirdiği hissini verebiliriz.

Şimdi sırada görsel araması ile konuşma balonu eklemek var. Bir süre araştırdıktan sonra yazıya uygun konuşma balonunu bulup ekledim.

Konuşma balonunu uygun yere ve konuşma sırasına göre koymalıyız. Şimdi konuşacağı karakteri de ekleyelim ve resme boyutunu ayarlayarak sığdıralım:

İki yolumuz var: yazılara göre konuşma balonunu değiştirmek-esnetmek-genişletmek, yazıyı konuşma balonuna göre ayarlamak. İkisini de yaparak yazıları da ekledim:

Yazı fontları aynı boyutta olmalı. Bu şekilde yapınca konuşma balonlarının çizgilerinin kalınlığı uyuşmuyor. Bu daha uygun bir görsel bularak hem yazıya hem de çizgi kalınlıklarına uygun iki adet konuşma balonu bulmamız gerek. Ancak bu uzun bir süreç. Bunun yerine yapay zekaya bu resmi atarak konuşma balonlarının çizgi kalınlıklarını eşitlemesini rica edebiliriz.

Ben bunla da uğraşmadım çünkü bu resim tüm tasarıma yedirildiğinde küçük bir yerde kalıyor ve çok göze çarpmıyor.

Bu arada sarı kısmı da mavinin zıt rengine yakın olduğu için ve genel tasarımda güzel bir renk çeşitliliği katacağını düşündüğüm için ekledim. Mavi renkte olsaydı fazla sırıtırdı, bunun dışında kırmızı gibi sıcak bir renk tasarımdan çok bağımsız dururdu. Bunun yerine sol tarafta yer alan griddeki küçük tabelaların rengine yakın bir renk kullandım.

Font seçimi yaparken dikkat etmemiz gereken bazı detaylar vardır. Stilize bir font seçiyorsak tüm tasarımda o stile uygun fontlar kullanmalıyız.

Son olarak hemen hemen hepsini PowerPoint üzerinden tasarladığım (Otto ve arka plan hariç) bir görselle anlatılmak istenen şeyin belirli bir bölgeye nasıl sığdırılabileceği konusunda bir örnek sunmak isterim.

Çizgi roman stilinde yer alan şu yapı…

…bir karede art arda bir şeyler (hikaye, anlatım) sıralanırken çok düz bir yapıdan bir tık sıyrılarak görsel açıdan enerjiklik katıyor. Stilimize bu tasarım tarzını uyarlayarak aşağıdaki tarzda tasarımlar oluşturdum:

Yazıların eğik arka planla uyumlu olması adına görsellerin yeri ile, yazının sıkışıklığına (condense) ve hatta direkt yazıya ait kelimelerle oynayarak taşmaların kaymaların önüne geçmeye çalıştım.

En alt gridde yer alan aşamaları birbirinden ayırmak adına cesur ayrımlar çizgiler kullanmaktan çekinmedim (Bunu yaparken renk skalasına dikkat etmek önemli).

Otto ile Bilgisayarın İçine Yolculuk yazısına ait görsellerden biri ile bu yazıyı noktalıyorum. Bu örnekte fazla rengin de minimalist bir yöntem izlendikçe ve stile uyduruldukça kötü görünmeyebileceği de görülüyor.

Merhaba, ben Otto Lidenbrock. Bana kısaca Otto diyebilirsin. Büyüyüp küçülürüm, hıphızlıyım. Seni eşsiz ve bilgilendirici bir yolculuğa çıkarmak için buradayım. Bilgisayarın içerisine doğru çıktığımız yolculuk kaldığı yerden devam ediyor. Şu an ana karttayız ve sıradaki durağımız, “işlemci”.

Bölüm 1 için tıkla!

Kısa sürede işlemciye varıyoruz. Peki, işlemci nedir? İşlemciyi beynimiz gibi düşünebiliriz. Bir çiçek gördüğümüzde, çiçeğe ait bilgiler gözümüzden içeri girer ve beynimize doğru yol alır. Beynimiz bu bilgileri yorumlayarak bunun bir çiçek olduğunu söyler ve onun tüm özelliklerini algılamamızı sağlar.

İşlemci de kendisine iletilen elektrik sinyallerini, adının hakkını verircesine, işlemden geçirir ve biz kullanıcılara bir sonuç, yani çıktı sunar. Elektrik sinyallerinin nasıl yorumlandığını merak ediyor olmalısın. Hadi, daha yakından bakalım ve işlemcinin yapısını birlikte inceleyelim!

İşlemcinin içine mikroskopla bakabilseydik, milyarlarca transistör görürdük. Bu transistörler rastgele dizilmemiştir; belirli gruplar halinde “Mantık Üniteleri”ni oluştururlar. Şanslıyız ki daha yakından bakabiliriz.

Bu ve benzeri üniteler, bir işlemci çipi üzerinde yer alarak mantıksal ve aritmetik işlemlerin gerçekleşmesini sağlar. Evet, toplama ve çarpma gibi işlemler de bu ünitelerin birbirleriyle farklı şekillerde bağlanması sayesinde yapılır. Bilgisayarlarda her şey “1” ve “0”lardan oluştuğu için, girdi olarak verilen sayılar bu devrelerden geçen elektrik akımlarına dönüştürülmüş olur.

İşlemcinin içinde yer alan bu mekanizmalara göz attığımıza göre, şimdi nasıl çalıştığını ve mimarisini inceleme sırası geldi. İşlemciyi üç ana bölgeye ayıracağız: Aritmetik Birim, Kontrol Birimi ve Bellek. Her birim, farklı bir görevi yerine getirmek üzere tasarlanmıştır. Bu birimler arasında ise “otobüs hatları” bulunur; hem birimler arasında hem de diğer bilgisayar parçalarıyla veri akışını sağlarlar.

İşlemciye kuşbakışı baktığımızda, onu bir şehrin bölgeleri ve bu bölgeleri birbirine bağlayan yollar gibi düşünebiliriz. Hazırsan, daha detaylı incelemek için biraz uzaktan bakalım:

Birazdan bolca detayla karşılaşacağız sevgili okuyucu, her bir parçanın yapısında ne olduğunu, ne işe yaradığını ve nasıl çalıştığını inceleyeceğiz. Sıkı tutun, dalışa geçiyoruz.

Aritmetik Birim, kendisine gelen sayılarla yapılabilecek — incelediğimiz toplama işlemi gibi — tüm işlemleri aynı anda hesaplar ve sonuçları hazırda bekletir. Yukarıda bahsettiğim çoklayıcı ise bir kapı görevlisi gibi çalışarak, işlemcinin o an talep ettiği sonucun (örneğin yalnızca toplama işleminin) geçmesine izin verirken diğer sonuçları engeller.

Ne kadar ilginç, değil mi? Elektriksel sinyallerle matematiksel işlemler yapabiliyoruz.

Kod çözücü devre elemanları, çözme işlemi sırasında gelen 1 ve 0 kombinasyonlarını ayırt ederek her birini farklı bir çıkışa yönlendirir. Bu yapı, bahsettiğim kod sözlüğü gibi çalışır; gelen kodun işlevine karşılık gelen işlemci bölümünü harekete geçirecek devreye yönlendirme yapar.

Kontrol biriminde aynı anda birden fazla işlem yürütülebilir. Getir–Çöz–Yürüt adımlarından oluşan döngü çalışırken, diğer işlemlere ait döngüler sıraya alınır. Milisaniyeler içinde gerçekleşen bu döngüler birbiriyle iç içe geçtiğinde, işlemler sanki aynı anda yapılıyormuş gibi algılanır.

İşlemcilerde bulunan bu flip-flop mekanizması, usb bellekte yer alan ve depolama gibi çalışan transistörlerin aksine işlemcinin hızına daha iyi ayak uydurabildikleri için tercih edilir.

Belleğin görevleri şunlardır:

— Geçici Kaydetme: Toplama işlemi yaparken örneğin “3” ve “5” sayılarını, Aritmetik Birimʼ e girmeden hemen önce saniyenin milyarda biri kadar bir süre kaydederler.

— Adres Kaydetme: “Sırada hangi komutu çalıştıracağım?” bilgisini kaydederler.

Sevgili okuyucu, işte işlemcilerin nasıl çalıştığına dair bazı temel bilgiler. İkili sistemin ve elektroniğin kullanımıyla ilgili ortaya çıkan fikirler; fizikçiler, mühendisler ve bilgisayar bilimcilerinin yıllar boyunca yaptığı çalışmalarla gelişmiş ve bugün kullandığımız güçlü bilgisayarların kalbinde yer alan işlemciler hâline gelmiştir.

Bu fikirler başka nerelerde kullanıldı merak ediyor musun? Hadi ana kart üzerinden diğer bilgisayar bölümlerine seyahat ederek merakımızı yenelim! Kemerini bağla, otobüs kalkıyor!

İşlemcinin sürekli iletişim halinde olduğu bilgisayar parçalarından birine doğru ilerliyoruz. Kablolardan son hızda giderken aklında burayla ilgili bir tahminin var mı? Merakını gidermek adına sıradaki parçamızın ne olduğunu söylüyorum: RAM.

RAM, işlemcinin o anda çalıştırdığı işletim sistemi kodlarını, programları ve geçici verileri tuttuğu; düşük gecikmeli ve yüksek hızlı bir bellektir. Yani işlemci doğrudan depolamadan değil, RAM üzerinden çalışır.

RAM olmayan bir bilgisayarın sistemi açılmaz, çünkü işlemcinin komutları yükleyip işleyebileceği bir çalışma alanı bulunmaz.

RAM yetersizse, yani kapasitesi düşükse, ciddi performans düşüşü, donma ve uygulama çökmesi yaşanır. Kısacası RAM, sistemin aktif çalışma alanıdır ve RAM olmadan modern bir bilgisayar pratik olarak çalışamaz.

Şu ana kadar anlattığımız konularda sürekli bir birimden söz ettik: depolama. Peki depolama nedir? Önceki bölümde, USB belleklerde bulunan ve veri saklama görevini üstlenen hafıza çipinden bahsetmiştim. O bölüme tekrar göz atabilirsin sevgili okuyucu; çünkü günümüzde bilgisayarlarımızda kullandığımız depolama birimleri de temelde benzer şekilde çalışan sürücülere sahiptir.

Depomuzda verileri nasıl sakladığımızı biliyoruz. Peki işlemcimiz ihtiyaç duyduğu bu verilere nasıl erişir?

Bu süreci bir karakola benzetebiliriz. İşlemci içindeki adresleme sistemi, verilen adrese gidip kontrol yapan memurlar gibi çalışır. Hangi veri gerekiyorsa, o adrese gidilir ve ilgili bilgi bulunur.

Bu kadar bilgisayar parçasını dolanırken yorulmuş olmalısın. O hâlde kısa bir mola verelim, ne dersin Bilgisayarlar ne kadar sistematik çalışıyor, öyle değil mi? Eskiden de bu kadar akıllılar mıydı sence Sahi, depolamadan bahsetmişken zamanında o kadar veriyi nasıl depoluyorlardı acaba? Aklıma harika bir fikir geldi, okuyucu: Otobüsümüzü kenara çekmişken depolamanın geçmişten günümüze nasıl değiştiğine bir göz atalım!

Düt, düüt! Ekrana çıkma zamanımız geldi! Peki nasıl olacak bu? Biz şu an 1 ve 0 lardan oluşan elektrik sinyallerinden ibaretiz, nasıl görsel bir içeriğe dönüşeceğiz?

Ekran kartı (GPU), en basit tabirle bilgisayarının gördüğün her şeyi (yazılar, resimler, videolar ve oyunlar) hesaplayıp monitörüne çizen bir bilgisayar bileşenidir. Bir oyunda karakterini hareket ettirdiğinde veya bir videoyu oynattığında şu adımlar saniyenin binde biri gibi bir sürede gerçekleşir:

1. Talimat ve Karar (İşlemciden gelir): İşlemci ne olması gerektiğini hesaplar ve ekran kartına “Bana bir orman manzarası ve ortada hareket eden bir karakter çiz” der.
2. Piksellere Dönüştürme (GPU devreye girer): Ekran kartı bu talimatı alır. Ekranındaki küçücük noktalardan (piksellerden) birkaçıyla ilgilenir. Işığın nereden vuracağını, gölgeleri ve renkleri aynı anda hesaplayıp çizerler.
3. Ekrana Yansıtma (Monitör): Hazırlanan bu görüntü kablo aracılığıyla monitörüne gönderilir ve sen görüntüyü görürsün.

Bu üç adım o kadar hızlı gerçekleşir ki, ekran kartı saniyede 60, 144 veya bazen 300'den fazla resim çizer. Bu fotoğraflar arka arkaya çok hızlı gösterildiği için biz onları akıcı bir “hareket” veya “video” olarak algılarız.

Ekranda beni görmek için sabırsızlanıyor olmalısın. Benim görünüşüme ait birkaç MBʼlık veri, ekranda uygun konumda işlenmek üzere kablo üzerinden hızlıca monitöre iletiliyor. Peki monitör bu verileri ne yapacak?

Ben henüz bir çocukken bilgisayarı sadece monitörden ibaret sanıyordum. Oysaki monitör sadece ana karttan çıkan bir kabloya bağlı bilgisayar parçalarından biri, tıpkı fare veya klavye gibi. Monitörün görevi kablodan gelen verilerin ışığa dönüşerek görsel oluşturmasını sağlamak. Hadi gel, süratle monitöre doğru ilerlerken bunun nasıl olduğunu anlatayım.

Sana ekran kartını anlatırken “piksel” diye bir kelime kullandım. Elektrik sinyallerinden oluşan veriler görüntüye ait pikselleri, pikseller de bir araya gelerek görüntünün tamamını ekranda oluşturur. Ekranı ve pikselin ne olduğunu daha detaylı incelemeye ne dersin?

Yolculuğun sonuna geldiğimizi hissediyorum sevgili okuyucu. Saklandığımız USB bellekten çıkıp işlemcide, RAMʼde, depolamada, ekran kartında dolaştık. Bilgisayarın her yerini inceledik. Ve işte, monitördeyiz!

Bilgisayarın İçine Yolculuk Bölüm: 1

Merhaba, sıra dışı bir yolculuğa hazır mısın? Ben Otto Lidenbrock. Bana kısaca Otto diyebilirsin. Büyüyüp küçülürüm, hıphızlıyım. Seni eşsiz ve bilgilendirici bir yolculuğa çıkarmak için buradayım. Bugün bilgisayar kasasının içine doğru bir yolculuğa çıkacağız.

Bilgisayarların dosyaları nasıl depoladığını ve nasıl okuduğunu öğreneceğiz. Ekranda gördüğün bir yazının veya görselin anakarttan monitördeki piksellere doğru yolculuğunu bir elektrik sinyalinin gözünden göreceğiz. Bunlar daha buz dağının görünen kısmı! Hazırsan kemerini bağla. Tren kalkıyor!

Mikroskobik ölçekte küçücük yerlerden geçerek kabloları aşıyoruz. Elektron kadar hızlı ve miniciğiz şu anda.

Bir USB belleğin içerisindeyiz. Belleğin devre kartındaki sayısız iletken hatlardan birinin içinden ilerliyoruz. Burada gigabytelarca veri ile birlikte bir bilgisayara aktarılmayı bekliyoruz. Ama burası tamamen hareketsiz, sessiz ve karanlık. Elektrik akımı ve bilgisayardan gelen komutlar olmadıkça bir USB bellek tıpkı kış uykusuna yatmış gibi uzun süre bekleyebilir. Hem de herhangi bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan ancak amacımız öylece beklemek değil. Gel, bu gigabytelarca verinin nerede ve nasıl saklandığını öğrenelim. Hazır mısın? Beni takip et!

Yolumuza iletken hatlar üzerinden ilerleyerek devre kartının derinliklerine doğru yol alıyoruz. Karşımıza veri aktarımını yöneten denetleyici, hızı sabitleyen Osilatör, voltajı düzenleyen Kondansatörler ve akımı denetleyen Diyotlar gibi çeşitli devre elemanları çıkıyor. Bu karmaşık yapıları geride bırakarak ilerlemeye devam ediyoruz. Sonunda devasa bir yapıyla karşılaşıyoruz. Milyonlarca küçük parça, üst üste ve yan yana dizilmiş halde duruyor karşımızda; sanki mikroskobik ölçekte inşa edilmiş bir arı kovanının içindeyiz. Burası Hafıza Çipi ve petek gibi dizili olan tüm mekanizmalar ise Transistör.

Normal şartlarda bir çipin içerisinde yer alan transistörleri görebilmek için mikroskopla bakmamız gerekiyor. Bu kadar küçük olduğumuz için şanslıyız. Peki nedir bu transistörler?

Transistörler, elektrik akımını kontrol eden devre elemanlarıdır. Eğer bir transistörün içinde elektronlar birikmişse bu akımın geçmesini engeller ve bu durum bilgisayar tarafından ‘0’ olarak kabul edilir. Kafan biraz karıştı öyle değil mi? O hâlde şu transistörün içerisine girmeye ve daha yakından bakmaya ne dersin? Hop!

Evet, transistörler farklı katmanlardan oluşur. Bu katmanların her biri transistörün gerçekleştirmesi gereken farklı görevleri üstlenir. Bu yarı iletken katman bir hapishane gibi elektronları hapseder, onlarca yıl boyunca elektronları içeride tutabilir. Peki, elektronların burada tutulmasının sebebi nedir? Tabii ki de bilgisayara iletilen elektrik akımını kontrol edebilmek için.

USB belleği bilgisayara taktığımızda, bilgisayar USB’ye elektrik akımı gönderir. Bu akım bellekteki transistörlere gider. Eğer bir transistör, veriyle yani elektronlarla doluysa bu transistör üzerinden akım geçmez ancak dolu değilse transistör üzerinden akım geçer. Bu akım daha sonra elektrik sinyalleri olarak bilgisayara gönderilir.

Peki, USB belleğe dosya ekleme işlemi nasıl yapılıyor o zaman? Bu işlem de yine bu transistörün içinde gerçekleşiyor. Transistörün sakladığı veriyi kontrol eden bir mekanizma daha var: Kontrol Kapısı.

Bu sistemin çalışma mantığı basit: Kontrol kapısına voltaj verildiğinde elektronların tutulduğu katmanın kapıları açılıyor. Bu sayede elektronlar, transistörün içerisine girerek veriyi USB belleğe eklemiş oluyor. Kontrol kapısı, elektronların tutulduğu katmana açılan kapıyı kontrol eden bir gardiyan görevi görüyor.

Gösterdiğim tüm işlemler, elektriğin gerilim değerinin yani voltajının akıllı bir biçimde kontrol edilerek elektrik akımının yönlendirilmesi amacıyla yapılıyor.

Sıkıldın mı? Seyahatimizin bu kısmında eğlenceli bir aktivite yapacağız. Hızlı bir bilgilendirme seansına hazır mısın? Şipşak Bilgiler zamanı!

Bilgilendirme seansı sona erdi. Yolculuğumuza kaldığımız yerden devam edelim.

İşte! Transistörlerin çalışma prensibi bu şekilde. Bu transistörler bir araya getirilerek bir bellek bloğunu oluşturuyor. Bu blok, devre kartına bağlanıyor; genellikle koruyucu bir plastik veya silikon tabakayla kaplanarak hafıza çipini meydana getiriyor.

USB belleğin dış katmanını açtığınızda karşınıza plastik bir devre kartı üzerinde aralarında hafıza çipinin de bulunduğu çipler ve bu çiplere bağlı, yollar gibi görünen iletken devre hatları çıkacaktır.

Hey! Bak burası hareketlenmeye başladı. Sanırım biri bizi bir USB soketine taktı. Bilgisayardan gelen elektrik akımı, uzun süredir inzivaya çekilmiş bu sessiz ve karanlık USB’ye âdeta hayat verdi. Tüm devre elemanları çalışmaya başladı. Haydi, elektrik akımını takip ederek bilgisayara doğru gidelim.

Bir arı kovanındaki petekler gibi dizilen transistörleri geride bırakıyoruz. Minicik bir kablonun içinden bakınca devasa gibi gözüken hafıza çipine el sallıyoruz. Daha önce geçtiğimiz devre elemanlarını hızla geçerek tüm yolların bittiği bir yere ulaşıyoruz. Yolun sonu…

Burası bilgisayar ile aramızdaki bağlantıyı sağlayan bir yer. Evet, USB belleğin konnektör ucu: Hep yanlış yönde taktığımız o yer. Veriler elektrik sinyalleri halinde buraya kadar ulaştı. Peki, buradaki veriler bilgisayara nasıl aktarılıyor?

Yanlış duymadın, bir otobüse bineceğiz. Tüm verilerin bir birimden diğer birime aktarıldığı kısımlara, veri yolu anlamına gelen Bus denir. USB’de depolanan veriler transistörler yardımıyla kontrolden geçerek 0 ve 1’lerden oluşan dijital verilerle bus’ a kadar ulaştı. Peki istikametimiz neresi? Anakarta doğru gidiyoruz.

USB bellek soketleri bilgisayarın anakartına bağlıdır. Dolayısıyla USB bellekten çıkan akımlar anakarta gelerek ilgili birimlere gönderilir.

Vrum! Otobüs harekete geçti. Otobüs hızla anakarta doğru giderken sana biraz anakartın ne olduğundan bahsedeyim:

Evet, anakart bir kavşak gibidir. Veriler gerekli yere gönderilmesi için ilk önce anakarta gelir. Veri ne için kullanılıyorsa bilgisayarın o bölümüne buradan gider. Anakartta yerleşik bir biçimde yer alan işlemci, RAM, depolama birimleri gibi birimler; anakart sayesinde bir uyum içinde çalışırlar.

Eyvah, yolculuğumuzdan sıkılarak sayfayı kapatmana yalnızca birkaç cümle kalmış. O hâlde otobüsümüz anakarta doğru haldır haldır giderken güzel bir mola verelim. Ne dersin?

İkinci bölümde anakarta gidip işlemci, depolama ünitesini ve RAM gibi birimleri inceleyeceğiz. Şimdilik hoşça kal dostum.

Bilgisayarın İçine Yolculuk was originally published in TechSheet on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.