4.2 Lição 1

Todos os componentes ativos de um sistema de computação requerem eletricidade para operar. Infelizmente, a maioria das fontes de eletricidade não é apropriada. O hardware de um sistema de computação requer tensões elétricas específicas com tolerâncias relativamente estreitas. Não é bem o que a tomada da parede da sua casa pode oferecer.

As fontes de alimentação normalizam o fornecimento de energia disponível. Os requisitos de tensão padronizados permitem que os fabricantes criem componentes de hardware que podem ser usados em sistemas de qualquer lugar do mundo. As fontes de alimentação de computadores pessoais costumam usar a eletricidade das tomadas como suprimento. As fontes de alimentação de um servidor são cruciais para seu funcionamento, e portanto costumam ser conectadas a várias fontes de fornecimento para garantir que continuem operando se uma delas falhar.

O consumo de energia gera calor. O calor excessivo pode fazer com que os componentes do sistema operem lentamente ou até parem de funcionar. A maioria dos sistemas possui algum tipo de ventoinha para promover um resfriamento mais eficiente. Componentes como os processadores geralmente produzem um calor que o fluxo de ar por si só não é capaz de dissipar. Esses componentes quentes vêm com aletas especiais, conhecidas como dissipadores de calor, para ajudar a expulsar o calor que geram. Os dissipadores de calor geralmente têm sua própria ventoinha para garantir um fluxo de ar adequado.

Todo o hardware de um sistema precisa ser interconectado. A placa-mãe normaliza essa interconexão usando conectores padronizados e fatores de forma. Ela também fornece suporte para a configuração e as necessidades elétricas desses conectores.

Existem muitas configurações possíveis para a placa-mãe. Elas suportam diferentes processadores e sistemas de memória, trazem diferentes combinações de conectores padronizados e se adaptam aos diferentes tamanhos de acondicionamento. Tirando, talvez, a capacidade de conectar dispositivos externos específicos, a configuração da placa-mãe não tem muito segredo para os usuários. Os administradores do sistema precisam entender a configuração da placa-mãe quando é necessário identificar dispositivos específicos.

Logo que uma fonte de energia é aplicada pela primeira vez, é necessário configurar e inicializar um hardware específico à placa-mãe antes que o sistema possa operar. Para isso, as placas-mãe usam a programação armazenada na memória não-volátil, conhecida como firmware. A forma original do firmware da placa-mãe era conhecida como BIOS (Basic Input/Output System, ou Sistema Básico de Entrada/Saída). Além das definições básicas de configuração, a BIOS era a principal responsável pela identificação, carregamento e transferência da operação para um sistema operacional, como o Linux. À medida que o hardware foi evoluindo, o firmware foi expandido para suportar discos maiores, diagnósticos, interfaces gráficas, rede e outros recursos avançados, independentemente do sistema operacional carregado. As primeiras tentativas de fazer avançar o firmware para além da BIOS básica eram frequentemente específicas a um fabricante de placas-mãe. A Intel definiu o padrão EFI (Extensible Firmware Interface) para o firmware avançado. Mais tarde, a empresa forneceu a EFI para um organismo de normalização como base para a criação da UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). Hoje, a maioria das placas-mãe usa UEFI. É raro encontrar BIOS ou EFI em sistemas recentes. Apesar disso, a maioria das pessoas ainda se refere ao firmware da placa-mãe como BIOS.

Pouquíssimas configurações de firmware são de interesse para os usuários comuns, e assim, geralmente apenas os responsáveis pela configuração do hardware do sistema precisam lidar com o firmware e suas configurações. Uma das poucas opções comumente alteradas é a ativação das extensões de virtualização nas CPUs modernas.

A memória do sistema conserva os dados e o código do programa dos aplicativos em execução no momento. Quando falamos na memória do computador, em geral nos referimos a essa memória do sistema. Outro termo comum usado para a memória do sistema é a sigla RAM (Random Access Memory) ou alguma variação dela. Às vezes, também são usadas referências ao acondicionamento físico da memória do sistema, como DIMM, SIMM ou DDR.

Fisicamente, a memória do sistema costuma ser acondicionada em módulos de placas de circuito individuais que são conectados à placa-mãe. Atualmente, os módulos de memória individuais variam de 2 GB a 64 GB. Para a maioria das aplicações de uso geral, 4 GB é o mínimo de memória do sistema que os usuários devem considerar. Para estações de trabalho individuais, 16 GB normalmente são mais do que suficientes. No entanto, mesmo 16 GB podem ser limitantes para usuários que executam jogos, vídeos ou aplicativos de áudio de última geração. Os servidores geralmente exigem 128 GB ou até 256 GB de memória para oferecer um suporte eficiente a todos os usuários.

Na maioria dos casos, o Linux permite que os usuários tratem a memória do sistema como uma caixa preta. Um aplicativo é iniciado e o Linux trata de alocar a memória do sistema necessária a ele. Quando o aplicativo é encerrado, o Linux libera a memória para uso de outros aplicativos. Mas e se um aplicativo exigir mais do que a memória do sistema disponível? Nesse caso, o Linux move os aplicativos inativos da memória do sistema para uma área especial do disco conhecida como espaço de troca (swap space). O Linux move os aplicativos inativos do espaço de troca de volta para a memória do sistema quando eles precisam ser executados.

Os sistemas sem hardware de vídeo dedicado costumam usar uma parte da memória do sistema (geralmente 1 GB) como armazenamento para exibição de vídeo. Isso reduz a memória efetiva do sistema. O hardware de vídeo dedicado possui normalmente sua própria memória separada, que não está disponível como memória do sistema.

Existem várias maneiras de obter informações sobre a memória do sistema. Para o usuário, os valores mais interessantes são a quantidade total de memória disponível e em uso. Uma fonte de informação seria executar o comando free junto com o parâmetro -m para gerar uma saída em megabytes:

A primeira linha especifica a memória total disponível para o sistema (total), a memória em uso (used) e a memória livre (free). A segunda linha exibe as informações correspondentes ao espaço de troca. A memória indicada como shared e buff/cache está sendo empregada atualmente para outras funções do sistema, embora a quantidade indicada em available possa ser usada para aplicação.

A palavra “processador” implica que algo está sendo processado. Nos computadores, a maior parte desse processamento refere-se a sinais elétricos. Normalmente, esses sinais são tratados como tendo um dos valores binários de 1 ou 0.

Quando falamos em computadores, costumamos usar o termo processador de forma intercambiável com a sigla CPU (Central Processing Unit, ou Unidade de Processamento Central). Isso não é tecnicamente correto. Todo computador de uso geral possui uma CPU que processa os comandos binários especificados pelo software. Portanto, é compreensível que as pessoas confundam processador e CPU. No entanto, além de uma CPU, os computadores modernos geralmente incluem outros processadores de tarefas específicos. O processador adicional mais conhecido é provavelmente a GPU (Graphical Processing Unit, ou Unidade de Processamento Gráfico). Assim, embora uma CPU seja um processador, nem todos os processadores são CPUs.

Para a maioria das pessoas, a arquitetura da CPU é uma referência às instruções que o processador suporta. Embora a Intel e a AMD produzam processadores que suportam as mesmas instruções, é importante diferenciá-los por fornecedor devido às diferenças específicas de acondicionamento, desempenho e consumo de energia. As distribuições de software geralmente usam as seguintes designações para especificar o conjunto mínimo de instruções necessárias para operar:

O arquivo /proc/cpuinfo contém informações detalhadas sobre o processador de um sistema. Infelizmente, os detalhes não são amigáveis para os usuários comuns. Um resultado mais geral pode ser obtido com o comando lscpu. Eis a saída de um Raspberry Pi B +:

Para a maioria das pessoas, a infinidade de fornecedores, famílias de processadores e fatores de especificação representam uma variedade desconcertante de opções. Apesar disso, há vários fatores associados a CPUs e processadores que mesmo os usuários comuns e administradores precisam levar em consideração quando precisam especificar ambientes operacionais:

Os dispositivos de armazenamento são um método de preservar programas e dados. As Unidades de Disco Rígido (Hard Disk Drives ou HDDs) e as Unidades de Estado Sólido (Solid State Drives ou SSDs) são a forma mais comum de dispositivo de armazenamento para servidores e desktops. Também usamos cartões de memória USB e dispositivos óticos, como os DVDs, mas raramente como dispositivo primário.

Como o nome indica, uma unidade de disco rígido armazena informações em um ou mais discos rígidos físicos. Os discos físicos são cobertos com um material magnético que possibilita o armazenamento. Os discos estão contidos em um acondicionamento lacrado, pois a poeira, pequenas partículas e até impressões digitais interferem na capacidade do HDD de ler e gravar na mídia magnética.

Os SSDs são, grosso modo, versões mais sofisticadas de dispositivos de memória USB com capacidade significativamente maior. Os SSDs armazenam informações em microchips em que não há partes móveis.

Embora a tecnologia por trás dos HDDs e SSDs seja diferente, é possível compará-los em uma série de fatores importantes. A capacidade do disco rígido baseia-se no dimensionamento dos componentes físicos, enquanto a capacidade do SSD depende do número de microchips. Os SSDs custam entre 3 e 10 vezes mais que um HDD por gigabyte. Para ler ou gravar, um HDD deve esperar que um ponto do disco gire até um local conhecido, ao passo que os SSDs são de acesso aleatório. As velocidades de acesso do SSD são tipicamente de 3 a 5 vezes maiores que nos dispositivos HDD. Como não têm partes móveis, os SSDs consomem menos energia e são mais confiáveis do que os HDDs.

A capacidade de armazenamento dos HDDs e SSDs está aumentando constantemente. Atualmente, HDDs de 5 terabytes e SSDs de 1 terabyte são facilmente encontrados no mercado. Apesar disso, uma maior capacidade de armazenamento nem sempre é melhor. Quando um dispositivo de armazenamento falha, todas as informações são perdidas. E, é claro, o backup leva mais tempo quando há mais informações para salvar. Para aplicativos que leem e gravam uma grande quantidade de dados, a latência e o desempenho podem ser mais importantes do que a capacidade.

Os sistemas modernos usam SCSI (Small Computer System Interface) ou SATA (Serial AT Attachment) para conectar-se aos dispositivos de armazenamento. Essas interfaces são tipicamente suportadas pelo conector apropriado na placa-mãe. O carregamento inicial do sistema vem de um dispositivo de armazenamento conectado à placa-mãe. As configurações de firmware definem a ordem em que os dispositivos são acessados para esse carregamento inicial.

Os sistemas de armazenamento conhecidos como RAID (Redundant Array of Independent Disks) são uma implementação comum para evitar a perda de informações. Uma matriz RAID consiste em vários dispositivos físicos que contêm cópias duplicadas das informações. Se um desses dispositivos falhar, todas as informações ainda estarão disponíveis nos outros. As diferentes configurações físicas de RAID são conhecidas como 0, 1, 5, 6 e 10. Cada designação oferece diferentes tamanhos de armazenamento, características de desempenho e maneiras de armazenar dados redundantes ou somas de verificação para recuperação de dados. Tirando um pequeno trabalho extra de configuração do administrador, a existência de um RAID passa despercebida para os usuários.

Os dispositivos de armazenamento geralmente leem e gravam dados na forma de blocos de bytes. O comando lsblk pode ser usado para listar os dispositivos de bloco disponíveis para um sistema. O exemplo a seguir foi executado em um Raspberry Pi usando um cartão SD como dispositivo de armazenamento. Os detalhes da saída serão abordado nas lições sobre Partições e Drivers a seguir:

Um dispositivo de armazenamento é, na verdade uma longa sequência de locais de armazenamento. O particionamento é o mecanismo que informa ao Linux se ele deve tratar esses locais de armazenamento como uma única sequência ou como diversas sequências independentes. Cada partição é tratada como se fosse um dispositivo individual. Na maioria das vezes, as partições são criadas quando um sistema é configurado pela primeira vez. Se for preciso mudar alguma coisa, existem ferramentas administrativas que permitem gerenciar o particionamento de dispositivos.

Mas qual seria o interesse de se configurar diversas partições? Alguns usos comuns de partições incluem gerenciar o espaço de armazenamento disponível, isolar a sobrecarga de criptografia ou oferecer suporte a diferentes sistemas de arquivos. As partições possibilitam inicializar um único dispositivo de armazenamento em diferentes sistemas operacionais.

Embora o Linux seja capaz de reconhecer a sequência de armazenamento de um dispositivo bruto, um dispositivo bruto não pode ser usado do jeito que chega da loja. Antes, ele deve ser formatado. A formatação determina um sistema de arquivos para o dispositivo e o prepara para as operações de arquivo. Sem um sistema de arquivos, um dispositivo não pode ser usado para operações relacionadas a arquivos.

Os usuários veem as partições como se fossem dispositivos individuais. Dessa maneira, é fácil esquecer que só existe um único dispositivo físico. Particularmente, as operações de dispositivo para dispositivo - que na verdade são operações de partição para partição - não terão o desempenho esperado. Um único dispositivo é um mecanismo físico com um conjunto de hardware de leitura/gravação. Mas o mais importante a se lembrar é que não é possível usar as partições de um único dispositivo físico como um design à prova de falhas. Se o dispositivo falhar, todas as partições falharão ao mesmo tempo.

Servidores e estações de trabalho precisam de uma combinação de CPU, memória do sistema e armazenamento para operar. Mas esses componentes fundamentais não se relacionam diretamente com o mundo externo. Os periféricos são os dispositivos que fornecem aos sistemas entradas, saídas e acesso ao resto do mundo real.

A maioria das placas-mãe possui conectores externos integrados e suporte em firmware para interfaces periféricas legadas comuns, suportando dispositivos como teclado, mouse, som, vídeo e rede. As placas-mãe recentes geralmente incluem um conector Ethernet para as redes, um conector HDMI para atender às necessidades gráficas básicas e um ou mais conectores USB (Universal Serial Bus) para quase todo o resto. Existem várias versões do USB, com velocidades e características físicas diferentes. É comum haver diversas versões de portas USB em uma única placa-mãe.

As placas-mãe também podem ter um ou mais slots de expansão. Os slots de expansão permitem que os usuários adicionem placas de circuito especiais, conhecidas como placas de expansão, que suportam periféricos personalizados, legados e não-padrão. As interfaces gráficas, de som e de rede são placas de expansão comuns. As placas de expansão também suportam RAID e interfaces legadas de formato especial envolvendo conexões seriais e paralelas.

As configurações do tipo System on a Chip (SoC) são mais vantajosas no consumo de energia, desempenho, espaço e confiabilidade em comparação com as configurações de placa-mãe, por reunirem processadores, memória do sistema, SSD e hardware para controlar periféricos em um único pacote de circuitos integrados. Os periféricos suportados pelas configurações de SoC são limitados pelos componentes incluídos. Assim, as configurações de SoC tendem a ser desenvolvidas para usos específicos. Telefones, tablets e outros dispositivos portáteis geralmente são baseados na tecnologia SoC.

Alguns sistemas já vêm com periféricos incorporados. Os laptops são semelhantes às estações de trabalho, mas incluem periféricos de exibição, teclado e mouse por padrão. Os sistemas Tudo-Em-Um são semelhantes aos laptops, mas requerem periféricos de mouse e teclado. Em geral os controladores da placa-mãe ou do SoC são fornecidos com periféricos integrados apropriados para um uso específico.

Até agora, esta lição apresentou informações sobre processadores, memória, discos, particionamento, formatação e periféricos. Mas se os usuários comuns precisassem lidar com os detalhes específicos de cada um dos dispositivos que decidissem conectar à sua máquina, esses sistemas seriam praticamente inutilizáveis. Da mesma forma, os desenvolvedores de software precisariam modificar seu código para cada dispositivo novo ou modificado que precisassem suportar.

A solução para este problema de “lidar com os detalhes” existe na forma de um driver de dispositivo. Os drivers de dispositivo aceitam um conjunto padrão de solicitações, convertendo essas solicitações nas atividades de controle apropriadas ao dispositivo. Os drivers de dispositivo permitem que você e os aplicativos executados leiam o arquivo /home/carol/stuff sem se preocupar em saber se esse arquivo está em um disco rígido, uma unidade de estado sólido, um cartão de memória, um armazenamento criptografado ou outro dispositivo .

Os arquivos de dispositivos são encontrados no diretório /dev e identificam os dispositivos físicos, o acesso aos dispositivos e os drivers suportados. Por convenção, nos sistemas modernos que usam dispositivos de armazenamento baseados em SCSI ou SATA, o nome do arquivo de especificação começa com o prefixo sd. O prefixo é seguido por uma letra como a ou b, indicando um dispositivo físico. Após o prefixo e o identificador do dispositivo, vem um número que indica uma partição no dispositivo físico. Portanto, /dev/sda se refere ao primeiro dispositivo de armazenamento inteiro, enquanto /dev/sda3 se refere à partição 3 do primeiro dispositivo de armazenamento. Há uma convenção de nomenclatura apropriada ao arquivo do dispositivo para cada tipo de dispositivo. Embora não seja possível tratar de todas as convenções de nomenclatura possíveis nesta lição, é importante lembrar que essas convenções são essenciais para a administração do sistema.

O conteúdo do diretório /dev está além do escopo desta lição, mas ainda assim é informativo olhar para a entrada referente a um dispositivo de armazenamento. Os arquivos de dispositivos para cartões SD tipicamente usam mmcblk como prefixo:

Os detalhes da lista para um arquivo de dispositivo são diferentes dos detalhes típicos de um arquivo: