4.2 Урок 1

Для роботи всіх активних компонентів комп’ютерної системи потрібне електричне живлення. Нажаль, більшість джерел електроенергії не відповідає вимогам якості. Обладнання комп’ютерної системи вимагає певної напруги з відносно жорсткими допусками. Цю напругу не можна отримати з настінної розетки.

Блоки живлення нормалізують наявні джерела живлення. Стандартні вимоги до напруги дозволяють виробникам створювати апаратні компоненти, які можна використовувати в системах у будь-якій точці світу. Блоки живлення персональних комп’ютерів, як правило, використовують настінні розетки в якості джерела електроенергії. Джерела живлення для серверів, як правило, є більш критичними, тому сервери часто можуть підключатися до кількох джерел, щоб гарантувати продовження роботи, якщо одне джерело вийде з ладу.

Споживання електроенергії виробляє тепло. Надмірне нагрівання може спричинити повільну роботу компонентів системи або навіть вивести їх з ладу. Більшість систем мають вентилятори певного типу для переміщення повітря з метою більш ефективного охолодження. Такі компоненти, як процесори, часто виділяють тепло, яке неможливо розсіяти виключно потоком повітря. До цих гарячих компонентів прикріплюють спеціальні металеві решітки, відомі як радіатори, щоб допомогти розсіювати тепло, яке ці компоненти виробляють. Теплоотводи часто мають власний маленький локальний вентилятор, щоб забезпечити достатній потік повітря.

Усе обладнання системи має бути взаємопов’язаним. Материнська плата нормалізує це взаємоз’єднання за допомогою стандартизованих роз’ємів і форм-факторів. Вона також забезпечує підтримку конфігурації та електричних потреб цих роз’ємів.

Існує велика кількість конфігурацій материнських плат. Вони підтримують різні процесори та системи пам’яті. Вони мають різні комбінації стандартизованих роз’ємів. І вони адаптуються до різних розмірів системних блоків, в яких розміщуються. За винятком, можливо, здатності до підключення певних зовнішніх пристроїв, конфігурація материнської плати фактично прозора для користувачів. Адміністратори здебільшого стикаються з конфігурацією материнської плати, коли потрібно ідентифікувати конкретні пристрої.

Існує спеціальне обладнання материнської плати, яке при першому підключенні живлення необхідно налаштувати та ініціалізувати, перш ніж система зможе працювати. Материнські плати використовують програмне забезпечення, яке зберігається в енергонезалежній пам’яті, і відоме як мікропрограмне забезпечення, для роботи з апаратним забезпеченням материнської плати. Початкова форма мікропрограми материнської плати була відома як BIOS (Basic Input/Output System). Крім базових налаштувань конфігурації, BIOS в основному відповідала за ідентифікацію, завантаження та передачу операцій для такої операційної системи, як Linux. У міру розвитку апаратного забезпечення мікропрограмне забезпечення розширювалося, щоб підтримувати більші диски, діагностику, графічні інтерфейси, мережу та інші розширені можливості незалежно від завантаженої операційної системи. Ранні спроби розширити прошивку за межі можливостей базового BIOS часто були специфічними для виробника материнської плати. Intel визначила стандарт для розширеного мікропрограмного забезпечення, відомий як EFI (Extensible Firmware Interface). Intel надала EFI організації зі стандартів для створення UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). Сьогодні більшість материнських плат використовують UEFI. BIOS і EFI майже не зустрічаються в останніх системах. Незважаючи на це, більшість людей все ще називають прошивку материнської плати BIOS.

Існує дуже мало налаштувань мікропрограми, які цікавлять звичайних користувачів, тому лише особи, відповідальні за конфігурацію системного обладнання, зазвичай мають справу з мікропрограмою та її налаштуваннями. Однією з небагатьох часто змінюваних опцій є включення розширень віртуалізації сучасних процесорів.

Системна пам’ять містить дані та програмний код запущених програм. Коли говорять про пам’ять комп’ютера, більшість людей мають на увазі цю системну пам’ять. Іншим поширеним терміном, який використовується для системної пам’яті, є акронім RAM (Random Access Memory) або деяка варіація цієї абревіатури. Іноді також використовуються посилання на фізичний форм-фактор системної пам’яті, наприклад DIMM, SIMM або DDR.

Фізично системна пам’ять зазвичай розміщена в окремих мікросхемах на модулях, які підключаються до материнської плати. Окремі модулі пам’яті в даний час мають розмір від 2 ГБ до 64 ГБ. Для більшості застосунків загального призначення 4 ГБ — це мінімальна системна пам’ять, і це користувачі повинні враховувати. Для окремих робочих станцій 16 ГБ зазвичай більш ніж достатньо. Однак навіть 16 ГБ може бути обмеженням для користувачів, які використовують ігри, відео або високоякісні аудіо застосунки. Серверам часто потрібно 128 ГБ або навіть 256 ГБ пам’яті, щоб ефективно підтримувати навантаження від користувачів.

Здебільшого Linux дозволяє користувачам розглядати системну пам’ять як чорний ящик. Програма запускається, і Linux займається виділенням необхідної системної пам’яті. Linux звільняє пам’ять для використання її іншими програмами, коли програма завершує роботу. Але що робити, якщо програмі потрібно більше, ніж доступна системна пам’ять? У цьому випадку Linux переміщує неактивні програми із системної пам’яті до спеціальної дискової області, відому як простір підкачки. Linux переміщує неактивні програми з місця підкачки диску назад до системної пам’яті, коли їм потрібно запуститися.

Системи без спеціальної відеоапаратури часто використовують частину системної пам’яті (часто 1 ГБ) як сховище для відображення відео. Це зменшує ефективну системну пам’ять. Виділене обладнання для відео, як правило, має власну окрему пам’ять, яка недоступна як системна пам’ять.

Існує кілька способів отримання інформації про системну пам’ять. Як користувач, ви зацікавленні в інформації про загальний обсяг доступної та використовуваної пам’яті. Одним з джерел інформації є команда free разом із параметром -m для використання мегабайтів як одиниць виміру при виведенні інформації:

У першому рядку вказується загальна доступна для системи пам’ять (total), пам’ять, яка використана (used), і вільна пам’ять (free). Другий рядок відображає цю інформацію для простору підкачки. Пам’ять, позначена як shared і buff/cache, наразі використовується для інших системних функцій, хоча кількість, зазначена в available, може використовуватися для застосунку.

Слово “процесор” відноситься до того, що здатно щось обробляти. У комп’ютерах більшість цієї обробки відбувається за допомогою електричних сигналів. Зазвичай ці сигнали розглядаються як такі, що відповідають одному з двійкових значень 1 або 0.

Коли люди говорять про комп’ютери, вони часто використовують слово процесор як взаємозамінну абревіатуру CPU (Central Processing Unit), українською ЦП (центральний процесор). Що технічно не вірно. Кожен комп’ютер загального призначення має центральний процесор, який обробляє двійкові команди, задані програмним забезпеченням. Тому зрозуміло, що люди називають процесором і ЦП. Однак, окрім ЦП, сучасні комп’ютери часто мають інші процесори для виконання інших завдань. Мабуть, найбільш впізнаваним додатковим процесором є графічний процесор (Graphical Processing Unit). Таким чином, хоча ЦП є процесором, не всі процесори є ЦП.

Для більшості людей архітектура ЦП характеризується інструкціями, які підтримує процесор. Хоча Intel і AMD випускають процесори, що підтримують одні й ті ж інструкції, має сенс розрізняти їх за постачальниками через специфічні для виробника відмінності у форм-факторі, продуктивності та енергоспоживанні. У дистрибутивах програмного забезпечення зазвичай використовуються ці позначення для визначення мінімального набору інструкцій, які їм потрібні для роботи:

Файл /proc/cpuinfo містить детальну інформацію про системний процесор. На жаль, формат подання інформації не є зручним для звичайних користувачів. Більш загальний результат можна отримати за допомогою команди lscpu. Результат команди з Raspberry Pi B+:

Для більшості людей безліч виробників, сімейств процесорів і факторів специфікації представляють дивовижний набір варіантів. Незважаючи на це, існує кілька факторів, пов’язаних з центральними процесорами та іншими процесорами, які навіть звичайним користувачам та адміністраторам часто доводиться враховувати, коли їм потрібно вказати операційні середовища:

Пристрої зберігання забезпечують спосіб збереження програм і даних. Жорсткі диски (HDD, Hard Disk Drives) і твердотільні диски (SSD, Solid State Drives) є найпоширенішою формою пристрою зберігання даних для серверів і настільних ПК. USB-флешки та оптичні пристрої, такі як DVD, також використовуються, але рідко як основний пристрій.

Як зрозуміло з назви, жорсткий диск зберігає інформацію на одному або кількох жорстких фізичних дисках. Фізичні диски покриті магнітними носіями, щоб зробити можливим зберігання. Диски містяться в герметичній упаковці, оскільки пил, дрібні частинки і навіть відбитки пальців можуть перешкоджати здатності жорсткого диска читати та записувати дані на магнітних носіях.

Твердотільні накопичувачі насправді є більш складними версіями USB-накопичувача зі значно більшою ємністю. SSD-накопичувачі зберігають інформацію в мікрочіпах, тому в них немає рухомих частин.

Хоча основні технології для HDD і SSD відрізняються, є важливі фактори, які можна порівняти. Ємність жорсткого диска залежить від масштабування фізичних компонентів, а місткість SSD залежить від кількості мікрочіпів. Гігабайт SSD-накопичувача коштує від 3 до 10 разів більше, ніж HDD. Щоб читати або записувати дані, жорсткий диск повинен чекати, поки отримає доступ до відповідного місця на диску, у той час SSD є диском з довільним доступом. Швидкість доступу до SSD зазвичай в 3-5 разів вища, ніж у HDD-пристроїв. Оскільки вони не мають рухомих частин, SSD споживають менше енергії і є більш надійними, ніж жорсткі диски.

Ємність накопичувача постійно збільшується для HDD і SSD. Сьогодні широко доступні жорсткі диски на 5 терабайт і SSD на 1 терабайт. Незважаючи на це, велика ємність не завжди краще. Коли пристрій пам’яті виходить з ладу, інформація, яку він містить, стає недоступною. І, звичайно, резервне копіювання займає більше часу, коли є більше інформації для резервного копіювання. Для застосунків, які читають і записують багато даних, затримка та продуктивність можуть бути важливішими, ніж ємність.

Сучасні системи використовують SCSI (Small Computer System Interface) або SATA (Serial AT Attachment) для підключення до пристроїв зберігання даних. Ці інтерфейси зазвичай підтримуються відповідним роз’ємом на материнській платі. Початкове навантаження надходить від накопичувача, підключеного до материнської плати. Налаштування мікропрограми визначають порядок доступу до пристроїв для цього початкового завантаження.

Системи зберігання даних, відомі як RAID (Redundant Array of Independent Disks), є поширеною реалізацією, щоб уникнути втрати інформації. RAID-масив складається з кількох фізичних пристроїв, що містять копії інформації, які повторюються. Якщо один пристрій виходить з ладу, вся інформація залишається доступною. Різні фізичні конфігурації RAID позначаються як 0, 1, 5, 6 і 10. Кожен варіант має різний розмір сховища, характеристики продуктивності та способи зберігання зайвих даних або контрольних сум для відновлення даних. Крім деяких адміністративних витрат на конфігурацію, існування RAID є фактично прозорим для користувачів.

Пристрої зберігання зазвичай зчитують і записують дані у вигляді блоків байтів. Команду lsblk можна використовувати для переліку блочних пристроїв, доступних системі. Наступний приклад був запущений на Raspberry Pi з використанням карти SD як пристрою зберігання даних. Деталі результату описані в наступних уроках Розділи та Драйвери:

Пристрій зберігання – це фактично довга послідовність місць зберігання. Розбиття — це механізм, який повідомляє Linux, чи потрібно бачити ці місця зберігання як одну послідовність чи декілька незалежних послідовностей. Кожен розділ розглядається як окремий пристрій. Найчастіше розділи створюються під час першого налаштування системи. Якщо потрібен перерозподіл розділів, доступні адміністративні інструменти для керування розділенням пристроїв.

Так чому було б бажано мати кілька розділів? Деякі приклади використання розділів – це керування доступним сховищем, зменшення накладних витрат на шифрування або підтримка кількох файлових систем. Розділи дають змогу мати один пристрій зберігання даних, який може завантажуватися під різними операційними системами.

Хоча Linux може розпізнати послідовність зберігання неформатованого пристрою, неформатований пристрій не можна використовувати як є. Щоб використовувати пристрій, його потрібно відформатувати. Форматування записує файлову систему на пристрій і готує його до операцій з файлами. Без файлової системи пристрій не може використовуватися для операцій, пов’язаних з файлами.

Користувачі бачать розділи як окремі пристрої. Це дозволяє легко не помітити той факт, що вони все ще мають справу з одним фізичним пристроєм. Зокрема, операції з цими пристроями, які насправді є операціями між розділами, не матимуть очікуваної продуктивності. Один пристрій – це один фізичний механізм з одним набором обладнання для читання/запису. Що ще важливіше, ви не можете використовувати розділи одного фізичного пристрою як відмовостійку конструкцію. Якщо пристрій виходить з ладу, всі розділи виходять з ладу, тому відмовостійкості не буде.

Для роботи серверам і робочим станціям потрібне поєднання ЦП, системної пам’яті та сховища. Але ці фундаментальні компоненти не взаємодіють безпосередньо із зовнішнім світом. Периферійні пристрої – це пристрої, які забезпечують системи введенням, виводом і доступом до решти реального світу.

Більшість материнських плат мають вбудовані зовнішні роз’єми та підтримку мікропрограми для поширених застарілих периферійних інтерфейсів, які підтримують такі пристрої, як клавіатура, миша, звук, відео та мережа. Останні материнські плати, як правило, мають роз’єм Ethernet для підтримки мереж, роз’єм HDMI, що підтримує основні графічні потреби, і один або кілька роз’ємів USB (Universal Serial Bus) для всього іншого. Існує кілька версій USB з різною швидкістю та фізичними характеристиками. На одній материнській платі можуть бути кілька версій USB-портів.

Материнська плата також може мати один або кілька слотів розширення. Слоти розширення дозволяють користувачам додавати спеціальні електронні плати, відомі як карти розширення, які підтримують користувацькі, застарілі та нестандартні периферійні пристрої. Графічні, звукові та мережеві інтерфейси є типовими картами розширення. Карти розширення також підтримують RAID і застарілі інтерфейси спеціального формату, що включають послідовні та паралельні підключення.

Конфігурації Система на кристалі (SoC, System on a Chip) забезпечують переваги в потужності, продуктивності, просторі та надійності порівняно з конфігураціями материнської плати за рахунок поєднання процесорів, системної пам’яті, SSD та обладнання для керування периферійними пристроями як єдиного пакета інтегральних схем. Периферійні пристрої, які підтримуються конфігураціями SoC, обмежені комплектуючими компонентами. Таким чином, конфігурації SoC, як правило, розробляються для конкретних цілей. Телефони, планшети та інші портативні пристрої часто базуються на технології SoC.

Деякі системи містять вбудовані периферійні пристрої. Ноутбуки подібні до робочих станцій, але мають вбудовані периферійні пристрої дисплея, клавіатури та миші. Системи «все-в-одному» подібні до ноутбуків, але потребують периферійних пристроїв миші та клавіатури. Контролери на основі материнської плати або SoC часто комплектуються вбудованими периферійними пристроями, які відповідають конкретному використанню.

В цьому уроці була представлена інформація про процесори, пам’ять, диски, розбиття на розділи, форматування та периферійні пристрої. Але якщо вимагати від звичайних користувачів розбиратися з конкретними деталями кожного з пристроїв у своїй системі, ці системи будуть непридатними для використання. Аналогічно, розробникам програмного забезпечення потрібно буде змінювати свій код для кожного нового чи модифікованого пристрою, який їм потрібно підтримувати.

Рішення цієї проблеми “окремих деталей” різних пристроїв забезпечується драйвером пристрою. Драйвери пристроїв приймають стандартний набір запитів, а потім переводять ці запити у відповідні дії керування пристроєм. Драйвери пристроїв – це те, що дозволяє вам і застосункам, які ви запускаєте, читати з файлу /home/carol/stuff, не турбуючись про те, чи знаходиться цей файл на жорсткому диску, твердотільному накопичувачі, картці пам’яті, зашифрованому сховищі чи якомусь іншому пристрої.

Файли пристроїв знаходяться в каталозі /dev і визначають фізичні пристрої, доступ до пристрою та драйвери, що підтримуються. Традиційно, в сучасних системах, що використовують пристрої зберігання даних на основі SCSI або SATA, ім’я файлу специфікації починається з префікса sd. Після префікса йде літера, наприклад a або b, що вказує на фізичний пристрій. Після префікса та ідентифікатора пристрою йде число, що вказує на розділ фізичного пристрою. Таким чином, /dev/sda посилатиметься на весь перший пристрій зберігання даних, а /dev/sda3 посилатиметься на розділ 3 першого пристрою зберігання даних. Файл пристрою для кожного типу пристрою має відповідну специфікацію про іменування пристрою. Хоча охоплення всіх можливих угод про іменування виходить за рамки цього уроку, важливо пам’ятати, що ці специфікації є вирішальними для забезпечення можливості адміністрування системи.

Хоча розгляд вмісту каталогу /dev виходить за рамки цього уроку, інформативним буде подивитися запис про пристрій зберігання даних. Файли пристрою для карт SD зазвичай використовують mmcblk як префікс:

Детальна інформація для файлу пристрою відрізняється від інформації для звичайних файлів: