4.2 Lección 1

Todos los componentes activos en un sistema informático requieren electricidad para funcionar. Desafortunadamente la mayoría de las fuentes de electricidad no son apropiadas. El hardware del sistema informático requiere voltajes específicos con tolerancias relativamente ajustadas. Esto comúnmente no es lo que está disponible en su toma de corriente.

Las fuentes de alimentación normalizan las fuentes de energía disponibles. Los requisitos de voltaje estándar permiten a los fabricantes crear componentes de hardware que pueden usarse en sistemas en cualquier parte del mundo. Las fuentes de alimentación de los ordenadores de escritorio tienden a utilizar la electricidad de los tomas corrientes de pared. Las fuentes de alimentación de servidores tienden a ser más críticas, por lo que a menudo pueden conectarse a múltiples fuentes para garantizar que continúen funcionando si falla una alguna.

El consumo de energía genera calor y el calor excesivo puede hacer que los componentes del sistema funcionen lentamente o incluso fallen. La mayoría de los sistemas tienen algún tipo de ventilador para mover el aire para una refrigeración más eficiente. Componentes como los procesadores a menudo generan calor que el flujo de aire por sí solo no puede disipar. Estos componentes que alcanzan altísimas temperaturas se unen a unas piezas especiales llamadas disipadores, hechas de aleaciones que  ayudan a dispersar el calor que generan. Los disipadores de calor a menudo tienen su propio ventilador local pequeño para garantizar un flujo de aire adecuado.

Todo el hardware de un sistema necesita interconectarse. La placa base (Tarjeta madre) permite esa interconexión utilizando conectores estandarizados y factores de forma. También proporciona soporte para la configuración de los componenetes que interconecta y las necesidades eléctricas de esos componentes.

Hay una gran cantidad de especificaciones en una placa base, estas admiten diferentes procesadores y sistemas de memoria, también tienen diferentes combinaciones de conectores estandarizados que se adaptan a los diferentes dispositivos que admitirá. Los usuarios finales no especializados no necesitan conocer nada acerca este entramado, de hecho, la placa base está preconfigurada por defecto suficientemente como para ser transparente para dichos usuarios. Sin embargo, los administradores de sistemas necesitan herramientas software que les permita acceder a la configuracón y especificaciones de la placa base y a partir de ahí  identificar dispositivos conectados y sus estado de funcionamiento.

Cuando se aplica la alimentación eléctrica por primera vez, hay un hardware específico de la placa base que debe configurarse e inicializarse antes de que el sistema operativo pueda funcionar. Las placas base utilizan una programación almacenada en la memoria no volátil conocida como firmware para manejar el hardware específico de la tarjeta. La forma original del firmware de la placa base fue conocía como BIOS (Basic Input/Output System). Más allá de los ajustes de configuración básica, el BIOS era el principal responsable de identificar, cargar y transferir la operación a un kernel como Linux. A medida que el hardware evolucionó, el firmware se expandió para admitir discos más grandes, diagnósticos, interfaces gráficas, redes y otras capacidades avanzadas. Intel definió un estándar para firmware conocido como EFI (Extensible Firmware Interface). Luego Intel contribuyó con una organización de estándares para crear UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). Hoy en día la mayoría de las placas base usan UEFI, sin embargo la mayoría de las personas todavía se refieren al firmware de la placa base como BIOS.

Hay muy pocas configuraciones de firmware que sea de interés para los usuarios en general, por lo que solo las personas responsables de la configuración del hardware de un sistema necesitarán lidiar con sus configuraciones. Una de las pocas opciones que comúnmente se modifican es habilitar las extensiones de virtualización de las CPU modernas.

La memoria contiene los datos y código del programa de todas aquellas aplicaciones que se ejecutan en ese momento. Un término común utilizado para la memoria del sistema es el acrónimo RAM (Random Access Memory) o alguna variación de ese acrónimo. En ocasiones, también se utilizan referencias al formato físico de los módulos de memoria para nombrarla: DIMM, SIMM o DDR.

La memoria usualmente se conecta en módulos individuales integrados a la placa base. Los módulos de memoria individual actualmente varían en tamaño de 2 GB a 64 GB. Para la mayoría de las aplicaciones de uso general 4 GB es la memoria mínima que podrían considerar. Para estaciones de trabajo individuales, 16 GB suelen ser más que suficiente. Sin embargo, incluso 16 GB puede ser limitante para los usuarios que ejecutan juegos, video o aplicaciones de audio de alta gama. Los servidores a menudo requieren 128 GB o incluso 256 GB de memoria para soportar eficientemente las cargas de los usuarios.

En su mayor parte, Linux permite a los usuarios tratar la memoria del sistema como una caja negra. Se inicia una aplicación y Linux se encarga de asignar la memoria requerida. Linux libera la memoria para que otras aplicaciones la utilicen cuando se completa una aplicación, pero, ¿Qué sucede si una aplicación requiere más que la memoria del sistema disponible? En este caso, Linux mueve las aplicaciones inactivas de la memoria del sistema a un área de disco especial conocida como espacio de intercambio, luego mueve nuevamente las aplicaciones inactivas desde el espacio de intercambio a la memoria del sistema cuando necesiten ejecutarse.

A menudo los sistemas sin hardware de video dedicado usan una parte de la memoria del sistema (comúnmente 1 GB) para actuar como almacenamiento de video. Esto reduce la memoria efectiva del sistema. El hardware de video dedicado generalmente tiene su propia memoria separada que no está disponible como memoria del sistema.

Hay varias formas de obtener información sobre la memoria del sistema. Como usuario, la cantidad total de memoria disponible y en uso son típicamente los valores de interés. Una fuente de información sería ejecutar el comando free junto con el parámetro -m para usar megabytes en la salida:

La primera línea indica la memoria total disponible para el sistema (total), la memoria en uso (used) y la memoria libre (free). La segunda línea muestra esta información para el espacio de intercambio. La memoria indicada como shared y buff/cache se usa actualmente para otras funciones del sistema, aunque la cantidad indicada en available podría usarse para una aplicación.

La palabra "procesador" implica que algo está siendo procesado. En las computadoras, la mayor parte de ese procesamiento se trata de señales eléctricas. Típicamente, esas señales se tratan como si tuvieran uno de los valores binarios 1 o 0.

Cada computadora de uso general tiene una CPU (Central Processing Unit) que procesa los comandos binarios especificados por el software. Además de una CPU, las computadoras modernas a menudo incluyen otros procesadores específicos de tareas. Quizás el procesador adicional más reconocible es una GPU (Graphical Processing Unit). Por lo tanto, mientras que una CPU es un procesador, no todos los procesadores son CPU.

Para la mayoría de las personas, la arquitectura de la CPU es una referencia a las instrucciones que admite el procesador. Aunque Intel y AMD fabrican procesadores que admiten las mismas instrucciones, es conveniente diferenciar por proveedor debido a las diferencias específicas de empaque, rendimiento y consumo de energía del proveedor. Las distribuciones de software comúnmente usan estas designaciones para especificar el conjunto mínimo de instrucciones que requieren para operar:

El archivo /proc/cpuinfo contiene información detallada sobre el procesador de un sistema. Si volcamos su contenido en la salida estandard veríamos mucha información dificil de entender. Se puede obtener un resultado más general con el comando lscpu. Salida de una Raspberry Pi B+:

Para la mayoría de las personas, la gran cantidad de proveedores, familias de procesadores y factores de especificación representan una variedad desconcertante de opciones. En cualquier caso, hay varios factores asociados con las CPU y los procesadores que incluso los usuarios y administradores generales deben tener en cuenta cuando necesitan especificar entornos operativos:

Los dispositivos de almacenamiento proporcionan un método para retener programas y datos. Las unidades de disco duro (HDD) y las unidades de estado sólido (SSD) son la forma más común de dispositivos de almacenamiento para servidores y equipos de escritorio. También se utilizan dispositivos de memoria USB y dispositivos ópticos como DVD, pero rara vez como dispositivo principal.

Los discos físicos están cubiertos con medios magnéticos para hacer posible el almacenamiento. Los discos están dentro de un paquete sellado ya que el polvo, las partículas pequeñas e incluso las huellas digitales interferirían con la capacidad del HDD para leer y escribir en los medios magnéticos.

Las SSD son versiones más sofisticadas de memorias USB con una capacidad significativamente mayor. Los SSD almacenan información en microchips para que no haya partes móviles.

Aunque las tecnologías subyacentes para HDD y SSD son diferentes, hay factores importantes que se pueden comparar. La capacidad de la unidad de disco duro se basa en el escalado de componentes físicos, mientras que la capacidad de la unidad de estado sólido depende del número de microchips. Por gigabyte, los SSD cuestan entre 3 y 10 veces más de lo que cuesta un HDD. Para leer o escribir, un HDD debe esperar a que una ubicación en un disco gire a una ubicación conocida, mientras que los SSD son de acceso aleatorio. Las velocidades de acceso SSD son generalmente de 3 a 5 veces más rápidas que los dispositivos HDD. Como no tienen partes móviles, los SSD consumen menos energía y son más confiables que los HDD.

La capacidad de almacenamiento aumenta constantemente para HDD y SSD. Hoy en día, 5 terabytes de HDD y 1 terabyte de SSD están comúnmente disponibles. En cualquier caso, una gran capacidad de almacenamiento no siempre es mejor. Cuando un dispositivo de almacenamiento falla, la información que contiene ya no está disponible. Y, por supuesto, la copia de seguridad lleva más tiempo cuando hay más información para hacer una copia de seguridad. Para las aplicaciones que leen y escriben muchos datos, la latencia y el rendimiento pueden ser más importantes que la capacidad.

Los sistemas modernos utilizan SCSI (Small Computer System Interface) o SATA (Serial AT Attachment) para conectarse con dispositivos de almacenamiento. Estas interfaces generalmente son compatibles con el conector apropiado en la placa base. La carga inicial proviene de un dispositivo de almacenamiento conectado a la placa base. La configuración del firmware define el orden en el que se accede a los dispositivos para esta carga inicial.

Los sistemas de almacenamiento conocidos como RAID (Redundant Array of Independent Disks) son una implementación común para evitar la pérdida de información. Una matriz RAID consta de múltiples dispositivos físicos que contienen copias duplicadas de información. Si un dispositivo falla, toda la información aún está disponible. Las diferentes configuraciones físicas de RAID se mencionan como 0, 1, 5, 6 y 10. Cada designación tiene diferentes tamaños de almacenamiento, características de rendimiento y formas de almacenar datos redundantes o sumas de comprobación para la recuperación de datos. Más allá de algunos datos generales de configuración administrativa, la existencia de RAID es efectivamente transparente para los usuarios.

Los dispositivos de almacenamiento comúnmente leen y escriben datos como bloques de bytes. El comando lsblk se puede usar para enumerar los dispositivos de bloques disponibles para un sistema. El siguiente ejemplo se ejecutó en una Raspberry Pi usando una tarjeta SD como dispositivo de almacenamiento. Los detalles de la salida se tratarn en los apartados Particiones y Drivers :

Un dispositivo de almacenamiento es efectivamente una larga secuencia de ubicaciones de almacenamiento. La partición es el mecanismo que le dice a Linux si debe ver estas ubicaciones de almacenamiento como una secuencia única o múltiples secuencias independientes. Cada partición se trata como si fuera un dispositivo individual. La mayoría de las veces las particiones se crean cuando un sistema se configura por primera vez. Si se necesita un cambio, hay herramientas administrativas disponibles para administrar la partición de dispositivos.

Entonces, ¿por qué serían deseables múltiples particiones? Algunos ejemplos para usar particiones serían administrar el almacenamiento disponible, aislar la sobrecarga de cifrado o admitir múltiples sistemas de archivos. Las particiones permiten tener un único dispositivo de almacenamiento que puede iniciarse en diferentes sistemas operativos.

Si bien Linux puede reconocer la secuencia de almacenamiento de un dispositivo sin formato, un dispositivo sin formato no podría usarse; para usar este dispositivo primero debe ser formateado. El formateo escribe un sistema de archivos en un dispositivo y lo prepara para las operaciones de archivo, sin un sistema de archivos un dispositivo no podrá utilizarse para operaciones relacionadas con archivos.

Los usuarios ven las particiones como si fueran dispositivos individuales. Esto hace que sea fácil pasar por alto el hecho de que todavía están tratando con un solo dispositivo físico. Las operaciones de un dispositivo en realidad son operaciones que se realizan es una partición. Un solo dispositivo es un mecanismo físico con un conjunto de hardware de lectura/escritura, es por ello que, no puede usar particiones de un solo dispositivo físico como un diseño tolerante a fallos. Si el dispositivo falla, todas las particiones fallan, por lo que no habría tolerancia a fallos.

Servidores y estaciones de trabajo necesitan una combinación de CPU, la memoria del sistema, y el almacenamiento para operar. Pero estos componentes fundamentales no interactúan directamente con el mundo externo. Los periféricos son los dispositivos que proporcionan a los sistemas entradas, salidas y acceso al exterior.

La mayoría de las placas base tienen conectores externos incorporados y soporte de firmware para interfaces periféricas comunes como teclado, mouse, sonido, video y red. Las placas base recientes suelen tener un conector Ethernet para admitir redes, un conector HDMI que admite necesidades gráficas básicas y uno o más conectores USB (Universal Serial Bus) para casi todo lo demás. Existen varias versiones de USB con diferentes velocidades y características físicas. Varias versiones de puertos USB son comunes en una sola placa base.

Las placas base también pueden tener una o más ranuras de expansión. Las ranuras de expansión permiten a los usuarios agregar placas de circuito especiales conocidas como tarjetas de expansión. Los gráficos, el sonido y las interfaces de red son tarjetas de expansión comunes. Las tarjetas de expansión también admiten RAID e interfaces heredadas de formato especial que incluyen conexiones en serie y paralelas.

Las configuraciones System on a Chip (SoC) logran ventajas de potencia, rendimiento, espacio y confiabilidad sobre las configuraciones de la placa base al integrar procesadores, memoria del sistema, SSD y hardware para controlar periféricos como un solo paquete de circuito integrado. Los periféricos admitidos por las configuraciones de SoC están limitados por los componentes integrados. Por lo tanto, las configuraciones de SoC tienden a desarrollarse para usos específicos. Los teléfonos, tabletas y otros dispositivos portátiles a menudo se basan en la tecnología SoC.

Algunos sistemas incorporan periféricos. Las computadoras portátiles son similares a las estaciones de trabajo pero incorporan periféricos de pantalla, teclado y mouse predeterminados. Los sistemas todo en uno son similares a las computadoras portátiles, pero requieren periféricos de mouse y teclado. La placa base o los controladores basados en SoC a menudo se empaquetan con periféricos integrales apropiados para un uso específico.

Hasta ahora, este tema ha presentado información sobre procesadores, memoria, discos, particionamiento, formateo y periféricos. Pero exigir a los usuarios generales que se ocupen de los detalles específicos de cada uno de los dispositivos en su sistema haría que esos sistemas no se puedan utilizar. Del mismo modo, los desarrolladores de software tendrían que modificar su código para cada dispositivo nuevo o modificado que necesiten soportar.

La solución a este problema de “tratar con los detalles” la proporciona un controlador de dispositivo. Los controladores de dispositivo aceptan un conjunto estándar de solicitudes y luego traducen esas solicitudes en las actividades de control apropiadas del dispositivo. Los controladores de dispositivo son los que le permiten a usted y a las aplicaciones leer el archivo /home/carol/stuff sin preocuparse de si ese archivo está en un disco duro, unidad de estado sólido, tarjeta de memoria, almacenamiento encriptado o algún otro dispositivo. Los controladores de dispositivos son piezas hardware dotadas de microprogramas.

Los archivos de dispositivo son las piezas lógicas del sistema Linux que apuntan a los controladores de dispositivos. Se encuentran en el directorio /dev e identifican dispositivos físicos, acceso a dispositivos y controladores compatibles. Por convención, en los sistemas modernos y al respecto de los dispositivos de almacenamiento basados en SCSI o SATA, el nombre del archivo comienza con el prefijo sd. El prefijo va seguido de una letra como a o b que indica un dispositivo físico. Después del prefijo y el identificador del dispositivo, aparece un número que indica una partición dentro del dispositivo físico; por lo tanto /dev/sda haría referencia a todo el primer dispositivo de almacenamiento, mientras que /dev/sda3 hará referencia a la partición 3 en el primer dispositivo de almacenamiento. El archivo de dispositivo para cada tipo de dispositivo tiene una convención de nomenclatura apropiada para el dispositivo. Si bien cubrir todas las convenciones de nomenclatura posibles sería muy largo debe quedar claro que estas convenciones son críticas para hacer posible la administración del sistema.

Aquí abajo se puede observar el resultado de entrar en el directorio /dev y solicitar un listado de todos los archivos que tengan el prefijo mmcblk, los cuales se corresponden con los archivos de dispositivos asociados al dispositivo de SD-Card. A la vista de la información obtenida sabemos que tenemos un dispositivo de SD-Card (mmcblk0) dentro del cual hay una tarjeta SD con dos particiones (mmcblk0p01 y mmcblk0p02)

Los detalles de listado para un archivo de dispositivo son diferentes de los detalles de un archivo regular (ficheros de texto, ficheros de programas ejecutables, ficheros multimedia, ficheros de bases de datos, etc...).