4.2 Lekcija 1

Sve aktivne komponente u kompjuterskom sistemu zahtijevaju električnu energiju za rad. Nažalost, većina izvora električne energije nije odgovarajuća. Hardver računarskog sistema zahtjeva specifične napone sa relativno malim tolerancijama. Što nije ono što je dostupno u vašoj lokalnoj zidnoj utičnici.

Napojne jedinice normalizuju dostupne izvore energije. Standardni zahtjevi napona omogućavaju proizvođačima da kreiraju hardverske komponente koje se mogu koristiti u sistemima bilo gdje u svijetu. Napojne jedinice desktopa obično koriste električnu energiju iz zidnih utičnica kao izvor. Napojne jedinice servera imaju tendenciju da budu kritičnija, tako da se često mogu povezati na više izvora kako bi se osiguralo da će nastaviti s radom ako se jedan izvor pokvari.

Potrošnja energije stvara toplinu. Prekomjerna toplina može uzrokovati usporeni rad komponenti sistema ili čak otkaz. Većina sistema ima neki oblik ventilatora za kretanje zraka radi efikasnijeg hlađenja. Komponente kao što su procesori često stvaraju toplinu koju sam protok zraka ne može raspršiti. Ove vruće komponente pričvršćuju posebna rebra poznata kao hladnjaci kako bi se raspršila toplina koju stvaraju. Hladnjaci često imaju svoj mali lokalni ventilator koji osigurava adekvatan protok zraka.

Sav hardver sistema treba da se poveže. Matična ploča normalizira tu povezanost koristeći standardizirane konektore i faktore oblika. Također pruža podršku za konfiguraciju i električne potrebe tih konektora.

Postoji veliki broj konfiguracija matičnih ploča. Podržavaju različite procesore i memorijske sisteme. Imaju različite kombinacije standardiziranih konektora. I prilagođavaju se različitim veličinama pakovanja koje ih sadrži. Osim možda mogućnosti povezivanja određenih eksternih uređaja, konfiguracija matične ploče je efektivno transparentna za korisnike. Administratori su uglavnom izloženi konfiguraciji matične ploče kada postoji potreba za identifikacijom određenih uređaja.

Kada se napajanje prvi put uključi, postoji hardver specifičan za matičnu ploču koji se mora konfigurisati i inicijalizirati prije nego što sistem može raditi. Matične ploče koriste programiranje pohranjeno u nepromjenjivoj memoriji poznatoj kao firmver za rad sa specifičnim hardverom matične ploče. Originalni oblik firmvera matične ploče bio je poznat kao BIOS (Basic Input/Output System). Osim osnovnih postavki konfiguracije, BIOS je uglavnom bio odgovoran za identifikaciju, učitavanje i prijenos operacija na operativni sistem, kao što je Linux. Kako se hardver razvijao, firmver se širio kako bi podržao veće diskove, dijagnostiku, grafičke interfejse, umrežavanje i druge napredne mogućnosti nezavisno od bilo kog učitanog operativnog sistema. Rani pokušaji unapređenja firmvera izvan osnovnog BIOS-a često su bili specifični za proizvođača matične ploče. Intel je definisao standard za napredni firmver poznat kao EFI (Extensible Firmware Interface). Intel je doprinjeo EFI organizaciji za standarde za kreiranje UEFI-a (Unified Extensible Firmware Interface). Danas većina matičnih ploča koristi UEFI. BIOS i EFI se gotovo nikada ne vide na novijim sistemima. Bez obzira na to, većina ljudi i dalje firmver matične ploče naziva BIOS.

Postoji vrlo malo podešavanja firmvera od interesa za opće korisnike, tako da samo pojedinci odgovorni za konfiguraciju hardvera sistema obično moraju da se bave firmverom i njegovim postavkama. Jedna od rijetkih opcija koje se često mijenjaju je omogućavanje proširenja virtuelizacije modernih procesora (eng. CPUs).

Sistemska memorija sadrži podatke i programski kod trenutno pokrenutih aplikacija. Kada govore o memoriji računara, većina ljudi misli na ovu sistemsku memoriju. Drugi uobičajeni termin koji se koristi za sistemsku memoriju je akronim RAM (Random Access Memory) ili neka varijacija tog akronima. Ponekad se koriste i reference na fizičko pakovanje sistemske memorije kao što su DIMM, SIMM ili DDR.

Fizički, sistemska memorija je obično upakovana na pojedinačne module štampanih ploča koji se priključe na matičnu ploču. Pojedinačni memorijski moduli se trenutno kreću u veličini od 2 GB do 64 GB. Za većinu aplikacija opšte namjene 4 GB je minimalna sistemska memorija koju ljudi trebaju uzeti u obzir. Za pojedinačne radne stanice 16 GB je obično više nego dovoljno. Međutim, čak i 16 GB može biti ograničavajuće za korisnike koji igraju igre, koriste video ili high-end audio aplikacije. Serveri često zahtijevaju 128 GB ili čak 256 GB memorije kako bi efikasno podržali korisnička opterećenja.

Linux uglavnom dozvoljava korisnicima da sistemsku memoriju tretiraju kao crnu kutiju. Pokreće se aplikacija i Linux se brine o dodjeli potrebne sistemske memorije. Linux oslobađa memoriju za upotrebu od strane drugih aplikacija kada se aplikacija završi. Ali šta ako aplikacija zahtijeva više od raspoložive sistemske memorije? U ovom slučaju, Linux premješta neaktivne aplikacije iz sistemske memorije u posebno područje diska poznato kao swap prostor. Linux premješta neaktivne aplikacije iz prostora za zamjenu diska nazad u sistemsku memoriju kada treba da se pokrenu.

Sistemi bez namjenskog video hardvera često koriste dio sistemske memorije (često 1 GB) da djeluju kao skladište za video ekran. Ovo smanjuje efektivnu sistemsku memoriju. Namjenski video hardver obično ima svoju zasebnu memoriju koja nije dostupna kao sistemska memorija.

Postoji nekoliko načina za dobivanje informacija o sistemskoj memoriji. Kao korisniku, ukupna količina memorije koja je dostupna i u upotrebi je tipično interesantna vrijednost. Jedan izvor informacija bi bio pokretanje komande free zajedno s parametrom -m za korištenje megabajta u izlazu:

Prvi red specificira ukupnu memoriju koja je dostupna sistemu (total), memoriju u upotrebi (used) i slobodnu memoriju (free). Drugi red prikazuje ove informacije za swap prostor. Memorija označena kao shared i buff/cache se trenutno koristi za druge sistemske funkcije, iako se količina naznačena u available može koristiti za primjenu.

Riječ “processor” ili procesor implicira da se nešto obrađuje. U kompjuterima se većina te obrade bavi električnim signalima. Obično se ti signali tretiraju kao jedna od binarnih vrijednosti 1 ili 0.

Kada ljudi govore o računarima, oni često koriste procesor teksta naizmjenično sa akronimom CPU (Central Processing Unit). Što tehnički nije ispravno. Svaki računar opšte namjene ima CPU koji obrađuje binarne komande određene softverom. Stoga je razumljivo da ljudi zamjenjuju procesor i CPU. Međutim, pored CPU-a, moderna računala često uključuju i druge procesore za specifične zadatke. Možda najprepoznatljiviji dodatni procesor je GPU (Graphical Processing Unit). Dakle, iako je CPU procesor, nisu svi procesori CPU-i.

Za većinu ljudi arhitektura procesora je referenca na instrukcije koje procesor podržava. Iako Intel i AMD proizvode procesore koji podržavaju iste instrukcije, smisleno je razlikovati proizvođača zbog razlika u pakovanju, performansama i potrošnji energije tog proizvođača. Distribucije softvera obično koriste ove oznake za specificiranje minimalnog skupa instrukcija koje su im potrebne za rad:

Datoteka /proc/cpuinfo sadrži detaljne informacije o procesoru sistema. Nažalost, detalji nisu prihvatljivi za obične korisnike. Osnovni rezultat se može dobiti komandom lscpu. Izlaz sa Raspberry Pi B+:

Za većinu ljudi bezbroj dobavljača, porodica procesora i faktora specifikacije predstavlja zbunjujući niz izbora. Bez obzira na to, postoji nekoliko faktora povezanih s CPU-ima i procesorima koje čak i obični korisnici i administratori često moraju uzeti u obzir kada trebaju specificirati operativna okruženja:

Uređaji za skladištenje pružaju metodu za zadržavanje programa i podataka. Hard Disk Drives (HDD) ili hard diskovi i Solid State Drives (SSD) ili SSD diskovi su najčešći oblik uređaja za skladištenje servera i desktopa. USB memorijski stikovi i optički uređaji kao što je DVD se također koriste, ali rijetko kao primarni uređaj.

Kao što naziv implicira, hard disk pohranjuje informacije na jednom ili više krutih fizičkih diskova. Fizički diskovi su prekriveni magnetnim medijima kako bi se omogućilo skladištenje. Diskovi se nalaze u zapečaćenom pakovanju jer bi prašina, male čestice, pa čak i otisci prstiju ometali sposobnost HDD-a da čita i upisuje magnetne medije.

SSD diskovi su zapravo sofisticiranije verzije USB memorijskih stikova sa znatno većim kapacitetom. SSD diskovi pohranjuju informacije u mikročipove tako da nema pokretnih dijelova.

Iako su osnovne tehnologije za HDD i SSD različite, postoje važni faktori koji se mogu porediti. Kapacitet HDD-a je zasnovan na skaliranju fizičkih komponenti, dok SSD kapacitet zavisi od broja mikročipova. Po gigabajtu, SSD diskovi koštaju između 3 i 10 puta više nego što košta HDD. Za čitanje ili pisanje, HDD mora čekati da se lokacija na disku rotira na poznatu lokaciju dok SSD-ovi imaju nasumični pristup. Brzine pristupa SSD-u su obično 3 do 5 puta veće od HDD uređaja. Budući da nemaju pokretne dijelove, SSD-ovi troše manje energije i pouzdaniji su od HDD-ova.

Kapacitet pohrane se stalno povećava za HDD i SSD. Danas su uobičajeno dostupni HDD-ovi od 5 terabajta i SSD-ovi od 1 terabajta. Bez obzira na to, veliki kapacitet skladištenja nije uvijek bolji. Kada se uređaj za pohranu pokvari, informacije koje je sadržavao više nisu dostupne. I naravno, sigurnosna kopija traje duže kada postoji više informacija za sigurnosno kopiranje. Za aplikacije koje čitaju i pišu mnogo podataka, kašnjenja i performanse mogu biti važnije od kapaciteta.

Moderni sistemi koriste SCSI (Small Computer System Interface) ili SATA (Serial AT Attachment) za povezivanje sa uređajima za skladištenje podataka. Ovi interfejsi obično podržavaju odgovarajući konektor na matičnoj ploči. Početno opterećenje dolazi od uređaja za pohranu koji je priključen na matičnu ploču. Postavke firmvera definiraju redoslijed kojim se pristupa uređajima za ovo početno učitavanje.

Sistemi za skladištenje poznati kao RAID (Redundant Array of Independent Disks) su uobičajena implementacija za izbjegavanje gubitka informacija. RAID niz se sastoji od više fizičkih uređaja koji sadrže duple kopije informacija. Ako se jedan uređaj pokvari, sve informacije su i dalje dostupne. Različite fizičke RAID konfiguracije su označene kao 0, 1, 5, 6 i 10. Svaka oznaka ima različitu veličinu skladišta, karakteristike performansi i načine za pohranjivanje redundantnih podataka ili kontrolnih suma za oporavak podataka. Osim nekih troškova administrativne konfiguracije, postojanje RAID-a je efektivno transparentno za korisnike.

Uređaji za skladištenje obično čitaju i pišu podatke kao blokove bajtova. Komanda lsblk se može koristiti za popis blok uređaja dostupnih u sistemu. Sljedeći primjer je pokrenut na Raspberry Pi koristeći SD karticu kao uređaj za pohranu. Detalji izlaza pokriveni su informacijama u lekcijama Partitions ili particije i Drivers ili drajveri koje slijede:

Uređaj za skladištenje je zapravo dugačak niz lokacija za skladištenje. Particionisanje je mehanizam koji govori Linuxu da li želi da vidi ove skladišne ​​lokacije kao jednu sekvencu ili više nezavisnih sekvenci. Svaka particija se tretira kao jedan pojedinačni uređaj. Većinu vremena particije se kreiraju kada se sistem prvi put konfiguriše. Ako je potrebna promjena, dostupni su administrativni alati za upravljanje particionisanjem uređaja.

Pa zašto bi više particija bilo poželjno? Neki primjeri za korištenje particija bi bili upravljanje dostupnom pohranom, izolacija nadopterećenja enkripcije ili podrška višestrukim sistemima datoteka. Particije omogućavaju da imate jedan uređaj za skladištenje koji se može pokrenuti pod različitim operativnim sistemima.

Dok Linux može prepoznati sekvencu skladištenja neobrađenog uređaja, neobrađen uređaj se ne može koristiti kakav jeste. Da biste koristili neobrađeni uređaj, on mora biti formatiran. Formatiranje upisuje sistem datoteka na uređaj i priprema ga za operacije sa datotekama. Bez sistema datoteka, uređaj se ne može koristiti za operacije povezane s datotekama.

Korisnici vide particije kao da su pojedinačni uređaji. Ovo olakšava predvidjeti činjenicu da još uvijek rade s jednim fizičkim uređajem. Konkretno, operacije od uređaja do uređaja koje su zapravo operacije particije na particiju neće imati očekivane performanse. Jedan uređaj je zapravo fizički mehanizam sa jednim skupom hardvera za čitanje/pisanje. Što je još važnije, ne možete koristiti particije jednog fizičkog uređaja kao dizajn otporan na greške. Ako se uređaj pokvari, sve particije otkazuju tako da ne bi bilo tolerancije na greške.

Serveri i radne stanice trebaju kombinaciju CPU-a, sistemske memorije i skladišta za rad. Ali ove fundamentalne komponente nisu direktno povezane s vanjskim svijetom. Periferni uređaji su uređaji koji sistemima pružaju ulaz, izlaz i pristup ostatku stvarnog svijeta.

Većina matičnih ploča ima ugrađene eksterne konektore i podršku za firmver za uobičajene naslijeđene periferne interfejse koji podržavaju uređaje kao što su tastatura, miš, zvuk, video i mreža. Novije matične ploče obično imaju Ethernet konektor za podršku mrežama, HDMI konektor koji podržava osnovne grafičke potrebe i jedan ili više USB (Universal Serial Bus) konektora, te uglavnom sve ostalo. Postoji nekoliko verzija USB-a s različitim brzinama i fizičkim karakteristikama. Nekoliko verzija USB portova je uobičajeno na jednoj matičnoj ploči.

Matične ploče također mogu imati jedan ili više slotova za proširenje. Slotovi za proširenje omogućavaju korisnicima da dodaju posebne ploče poznate kao kartice za proširenje koje podržavaju prilagođene, naslijeđene i nestandardne periferne uređaje. Grafika, zvuk i mrežni interfejs su uobičajene kartice za proširenje. Kartice za proširenje takođe podržavaju RAID i interfejse specijalnog formata koji uključuju serijske i paralelne veze.

System on a Chip (SoC) konfiguracije postižu prednosti u snazi, performansama, prostoru i pouzdanosti u odnosu na konfiguracije matičnih ploča pakovanjem procesora, sistemske memorije, SSD-a i hardvera za kontrolu perifernih uređaja kao jednog paketa integrisanog kola. Periferije koje podržavaju SoC konfiguracije ograničene su komponentama koje su upakovane. Stoga se SoC konfiguracije razvijaju za specifične namjene. Telefoni, tableti i drugi prenosivi uređaji često su bazirani na SoC tehnologiji.

Neki sistemi uključuju periferne uređaje. Laptopi su slični radnim stanicama, ali imaju zadane periferne uređaje za ekran, tastaturu i miš. All-In-One sistemi su slični laptopima, ali zahtijevaju periferne uređaje za miš i tastaturu. Kontroleri zasnovani na matičnoj ploči ili SoC-u često su pakovani sa integrisanim periferijama koje su prikladne za određenu upotrebu.

Do sada je ova lekcija predstavila informacije o procesorima, memoriji, diskovima, particionisanju, formatiranju i perifernim uređajima. Ali zahtijevanje od običnih korisnika da se bave specifičnim detaljima za svaki od uređaja u svom sistemu bi te sisteme učinilo neupotrebljivim. Isto tako, programeri softvera bi morali da modifikuju svoj kod za svaki novi ili modifikovani uređaj koji treba da podrže.

Rješenje za ovaj problem “bavljenja detaljima” pruža upravljački program uređaja. Upravljački programi uređaja prihvataju standardni skup zahtjeva, a zatim prevode te zahtjeve u odgovarajuće kontrolne aktivnosti uređaja. Upravljački programi su ono što omogućava vama i aplikacijama koje pokrećete da čitate iz datoteke /home/carol/stuff bez brige o tome da li je ta datoteka na tvrdom disku, SSD disku, memorijskoj kartici, šifriranoj pohrani ili nekom drugom uređaju .

Datoteke uređaja nalaze se u direktoriju /dev i identificiraju fizičke uređaje, pristup uređaju i podržane drajvere. Po konvenciji, u modernim sistemima koji koriste SCSI ili SATA uređaje za skladištenje, naziv datoteke počinje prefiksom sd. Nakon prefiksa slijedi slovo kao što je a ili b koje označava fizički uređaj. Nakon prefiksa i identifikatora uređaja dolazi broj koji označava particiju unutar fizičkog uređaja. Dakle, /dev/sda bi referencirao cijeli prvi uređaj za pohranu dok bi /dev/sda3 referencirao particiju 3 u prvom uređaju za pohranu. Datoteka uređaja za svaki tip uređaja ima konvenciju imenovanja koja odgovara uređaju. Iako pokrivanje svih mogućih konvencija imenovanja izlazi iz okvira ove lekcije, važno je zapamtiti da su ove konvencije ključne za omogućavanje administracije sistema.

Iako je izvan okvira ove lekcije pokrivanje sadržaja direktorija /dev, informativno je pogledati unos za uređaj za pohranu. Datoteke uređaja za SD kartice obično koriste mmcblk kao prefiks:

Detalji sadržaja za datoteku uređaja razlikuju se od tipičnih detalja datoteke: