Con il sistema operativo intediamo un gruppo di programmi che gestiscono il funzionamento del pc agendo come intermediario tra utente e il pc.

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1 Stumpo Raffaele 4Ci Il sistema operativo Con il sistema operativo intediamo un gruppo di programmi che gestiscono il funzionamento del pc agendo come intermediario tra utente e il pc. Il SO svolge due compiti principalmente: - Gestisce le risorse Hardwere - Fornisce un interfaccia al utente per impartire comandi per il funzionamento del pc. Note: Risorse Le risorse sono gli elementi hardwere o softwere del pc che vengono usate da specifici programmi per essere eseguiti. Il SO risiede sull harddisk e veiene caricato in memoria RAM al accensione; il SO è composto da diversi programmi e questi vengono caricati solo quando l utente richiede il funzionamento.solo una parte del SO, il kernel (nucleo) rimane sempre caricato in memoria. Kernel Il kernel avvolge tutto l hardwere e si occupa di interagire con i programmi applicativi che ogni volta che necessitano di un servizio da parte di un dispositivo hardwere, devono passare attraverso di lui. Le operazioni fondamentali del kernel sono: Shell - Avvio e terminazione dei programmi - Assegnazione della CPU ai vari processi - Sincronizzazione tra i processi - Sicronizzazione dei processi con l ambiente esterno Per favorire l interfacciamento con il kernel è disponibile un apposito programma lo shell che avvolge il kernel, l utente può accedere alle funzioni di sistema solo attraverso lo shell. Con interfaccia utente (o shell) si intende cio che si frappone tra la macchina e l utente, ciò che fa dialogare l uomo con la macchina è qualsiasi cosa che permetta ad un utente di gestire semplicemente le funzionalità di un sistema. I tempi di attesa

2 Buffering Un primo rimedio per ovviare ai tempi di attesa delle periferiche fu l introduzione dell buffering: Un buffer è un aria di memoria itermedia dedicata al salvataggio temporaneo di informazioni. Con il buffering avremo l accesso alla periferica in questo modo: - La periferica legge I/O un blocco dati (blocco corrente) e lo passa alla CPU - Mentre la CPU elabora il blocco dati corrente, la periferica legge il blocco dati successivo - La CPU produrrà output finche il buffer è pieno - La periferica di uscita legge i dati prodotti dalla CPU prelevandoli dal buffer al suo ritmo Spooling Nonostante i buffer rimasero alcuni problemi da risolvere: - I buffer non possono essere molto grandi per motivi di costi - Il buffer tende a riempirsi velocemente quindi il problema di attesa non viene risolto - Con velocità di I/O < Velocità Cpu non produce miglioramenti - Se il buffer si riempie, la CPU si blocca. Per ovviare a questi problemi si introdusse un meccanismo chiamato disco di spooling, creando contemporaneità tra le attività I/O. Abbiamo un sistema così formato sulla lettura e scrittura su due dispositivi virtuali - Il disco di spooling in ingresso contiene le scede lette dal lettore e contenenti i job non ancora eseguiti( Job virtuali ) - Il disco di spooling di uscita contiene invece Output virtuali a job eseguiti ma non ancora stampati. Note: Job Un job\lavoro è un insieme di più istruzioni. Multiprogrammazione Nella multiprogrammazione sono caricati in memoria centrale contemporaneamente più job, cioè il processore puo fare più cose. Dato che un solo job utilizza in un dato instante la CPU e più job attendono di acquisire la CPU, quando il job che sta utilizzanto la CPU si sospende in attesa di un eventi, il SO decide a quale job riassegnare la CPU ed effettua lo scambio. La gestione del processore Multitasking

3 I sitemi operativi multitasking durante le fasi di attesa mandano in esecuzione sulla CPU altri programmi tra quelli caricati in memoria portando avanti in parallelo più processi, riducendo al minimo l inattività della CPU e migliorando cosi il sistema. Note: Processo Un processo è l esecuzione di un programma. Stato dei processi Ciclo di vita di un processo: - Nuovo, è lo stato in cui un processo è appena stato creato. - Esecuzione, la CPU sta eseguendo le sue istruzioni. - Attesa, un processo si trova in attesa quando ha bisogno di una risorsa per poter continuare - Pronto, un processo è nello stato di pronto quando attende soltanto che gli venga assegnato il suo turno nella CPU - Finito, quando tutto il codice del processo è stato eseguito e quindi terminata l esecuzione. Vita di un processo: Al nuovo processo viene assegnata un identificatore (PID) e viene inserito nella lista di processi pronti in attesa che arrivi il suo turno di utilizzo dalla CPU, il processo passa nello stato di esecuzione dal quale puo uscire attraverso lo scheduling. Dettagli del descrittore di un processo (PCB): Utilizzo Struttura Identificatore PID Nome Stato corrente Stato Program counter Program counter <- Questi campi prendono anche il nome Registri Altri registry <- di area di salvataggio dello stato della CPU Priorità Priorità Puntatori alla memoria dei processi Limiti di memoria Puntatori alle risorse allocate del processo File aperti Scheduling dei processi I meccanismi con i quali i processi vengono scelti dalla lista di pronto prendono il nome di scedulazione (scheduling) il componente della CPU che lo gestisce si chiama Job scheduler.

4 Criteri di scheduling: Abbiamo diversi criteri di scheduling dove gli obbiettivi primari sono: - Massimizzare l utilizzo della CPU - Massimizzare il numero di processi completati nell unità di tempo(throughput) Nota Throughput: Il Throughput è il numero medio di job completati nel sistema nell unità di tempo. Algoritmo di scheduling FCFS (First-Come-First-Served) In questo caso i processi vengono messi in coda secondo un ordine FIFO(First-In-First-Out), in questo algoritmo i processi non possono essere sospesi e completano sempre la loro esecuzione. Algoritmo di scheduling SJF (Shortest-Job-First) In questo caso si sceglie tra la lista dei processi pronti quello che occupava per meno tempo la CPU. Algoritmo di scheduling con priorità In questo caso a ogni processo viene associato un numero intero che corrisponde a un livello di priorità co il quale deve poi mandare in esecuzione. Algoritmo di scheduling RR (Round-Robin) In questo caso possiede una coda circolare di tipo FIFO, senza priorità ma ad ogni processo viene assegnato un periodo di tempo per l esecuzione. Tecniche di colloquio Il bus rappresenta il mezzo sul quale viaggiano le informazioni che necessariamente devono circolare tra gli elementi del sistema poiché la CPU gestisce lo scambio di informazioni. Al interno del sistema, durante il colloquio tra la CPU e un dispositivo si evita che i dispositivi non interessati possano inserirsi nella comunicazione interferendo sulle informazioni presenti sul bus: si deve consentire al microprocessore di poter selezionare il dispositivo di memoria o di input\output con il quale vuole collegarsi e impedire allo stesso tempo gli altri di qualsiasi possibile interferenza. A differenza di quanto avviene per le memorie alle quali il microprocessore può accedere in qualsiasi momento per le operazioni di lettura o scrittura, l'accesso alle periferiche esterne per le operazioni in input\output può avvenire solamente se l'organo periferico interessato è pronto a ricevere o inviare i dati.si vuole fare in modo che la CPU possa sfruttare i tempi di inattività che si creano durante le operazioni di input\output per dedicarsi ad operazioni di altra natura. Polling La tecnica del polling consiste in una interrogazione ciclica e sequenziale che la CPU effettua nei confronti delle periferiche. Ad ogni periferica è associato un flag di stato che contiene le informazioni relative allo stato in cui

5 si trova il dispositivo. Il microprocessore legge uno per uno i flag fino a trovare uno che indica lo stato di pronto della periferica.una volta eseguita tale procedura, la CPU prosegue nella scansione degli altri flag.la tecnica del polling offre il vantaggio di poter gestire più periferiche con una struttura piuttosto semplice, ma la CPU è costretta a spendere il suo tempo per continuare ad interrogare i flag anche quando le periferiche non richiedono il servizio.questa tecnica non può essere adottata nel caso in cui la trasmissione di dati tra microprocessore e periferica debba avvenire a scadenze fisse, ne se l'intervento da parte della CPU deve essere in tempo reale. Interruzioni Invece di costringere la CPU a interrogare ciclicamente le periferiche fino a trovare quella disponibile allo scambio dei dati, si fa in modo che sia la periferica stessa a d inviare alla CPU un segnale per avvisarla di essere disponibile al colloquio.il segnale che viene inviato dalla periferica prende il nome di segnale di interruzione o interrupt. In ogni microprocessore sono presenti uno o più ingressi, dipende dalla macchina, che vengono abilitati dal segnale di interruzione. Il segnale in uscita Int A (Interrupt Acknowledge) viene inviato dalla CPU alla periferica chiamante per segnalare l'accettazione della richiesta di interruzione in seguito alla ricezione di una richiesta di interruzione la CPU

6 termina l'esecuzione del istruzione in corso per eseguire routine di servizio relativo al dispositivo chiamante.una volta conclusa la routine di servizio ritorna ad eseguire il programma interrotto dal punto esatto in cui l'aveva lasciato.rispetto al polling l'utilizzo delle interruzioni risolve il problema dell'ottimizzazione del lavoro della CPU:Quest'ultima può dedicarsi a tempo pieno a qualsiasi attività interrompendola solo in caso di necessità.la tecnica della interruzioni risulta più onerosa sia per la realizzazione circuitale che per la gestione software. Se più dispositivi sono collegati ad un unico ingresso di INT allora la CPU non sarebbe in grado di riconoscere il dispositivo chiamante.esiste la possibilità che più richieste di interruzione giungano contemporaneamente alla CPU con il problema per il processore di decidere quale routine avviare.il problema delle richieste multiple viene risolto tramite una rete logica chiamata gestione delle interruzioni. Interruzioni nidificate Poiché periferiche e microprocessore hanno un funzionamento asincrono, una richiesta di interruzione può avvenire in un instante qualsiasi:non è da escludere che una richiesta di interruzione da parte di una periferica possa avvenire mentre la CPU sta servendo un altra interruzione se la CPU sta servendo un interruzione che a una priorità maggiore rispetto alla nuova richiesta quest'ultima verrà ignorata: viceversa il microprocessore interromperà la routine in corso per riprenderla solo dopo aver eseguito quella nuova. Interruzioni mascherabili È necessario decidere quando e se una richiesta di interruzione può essere presa in considerazione.in ogni microprocessore sono presenti uno o più registri che hanno la funzione di Semafori per le richieste di interruzione pilotando tali registri tramite istruzioni del tipo EI (Enable Interrupt) e Di (Disable Interrupt),è possibile abilitare o disabilitare le richieste di intervento da parte delle periferiche.si parla di interruzioni mascherabili cioè che possono essere mascherate ossia nascoste e ignorate. Interruzioni non mascherabili Nel caso in cui una richiesta deve avere priorità massima, occorre sia una interruzione non mascherabile collegando la periferica al piedino NMI (Not Mascable Interrupt).Ogni volta che l'ingresso NMI viene trovato attivo la CPU cessa le operazioni in corso qualunque esse siano per avviare la routine di gestione che non può essere interrotta neanche da altre richieste di interruzioni. Risposta della CPU alle richieste di interruzione la CPU risponde ad una richiesta di intervento, interrompendo il programma in corso per eseguire una opportunità routine di servizio al termine della quale riprende l'attività interrotta. Il contenuto del IP deve essere salvato prima della esecuzione della routine di servizio. Per poi essere ripristinato al termine della stessa garantendo che il programma interrotto possa riprendere dal istruzione che doveva essere eseguita. Prima di servire la richiesta di interruzione è necessario salvare anche il contenuto del registro di stato non che di tutti quei registri utilizzati dal processo in corso e che saranno utilizzati anche dalla nuova routine. In oltre la richiesta di interruzione verrà esaminata solamente al termine della fase di esecuzione in quanto e in questo instante che si stabilizza lo stato della macchina. Qualsiasi richiesta pervenuta dovrà attendere la fine del esecuzione del istruzione in corso per poter essere esaminata. La CPU può reperire l'indirizzo di partenza della routine di interruzione con due tecniche. la prima prevede che ad ogni routine di servizio sia associato un indirizzo preventivamente fissato: la CPU a seguito di una richiesta di interruzione riconoscerà il dispositivo chiamante e, identificato, caricherà nel IP un indirizzo relativo alla routine richiesta. questo modo di operare risulta facilmente realizzabile ma presenta l'inconveniente di una certa lentezza determinata dalla operazione

7 di riconoscimento della periferica. La seconda tecnica nota come interruzione vettorizzata garantisce una risposta in tempi più brevi. in questo caso è il dispositivo chiamante a fornire alla CPU le informazioni necessarie al reperimento della routine di servizio richiesta. in questo caso il dispositivo chiamante pone sul bus dati in seguito alla ricezione del segnale INT A, un vettore di informazioni che servirà alla CPU per attivare la routine prevista. il contenuto di questo vettore può essere costituito o da una parte di indirizzo alla quale la CPU somma un indirizzo base oppure una parte del codice operativo di una particolare istruzione o in fine da un indirizzo a 16 Bit. Gestione delle interruzioni del 80/86 Nel intel 80/86 sono presenti due tipi di interruzioni: la prima hardware è rappresentata da quelle richieste che provengono da dispositivi esterni mentre la seconda è di tipo software rappresentata da quelle richieste che provengono dal interno del microprocessore. le interruzioni hardware possono essere mascherabili, non mascherabili e per il loro riconoscimento il microprocessore è dotato di segnali di ingresso INT R ed NMI. Le interruzioni software o eccezioni vengono generate al interno del microprocessore stesso in seguito ad anomalie nel funzionamento dei programmi(trap), oppure perché programmate tramite l'istruzione INT N per richiedere l'esecuzione di particolari routine messe a disposizione nel sistema operativo.indipendentemente dal tipo,a ogni interruzione e associata una routine di servizio il cui punto di ingresso(entry point) è reperibile nella tabella descrittori interruzioni (IDT),mappata in memoria a partire dalla locazione H fino alla locazione 003FF H. Tabella dei descrittori di interruzione Tipo di interruzioni Descrittore Origine (Vettore) H TRAP: Divisione per zero H TRAP: Single step H Interruzione NMI CH Istruzione INT 4% H TRAP:Overflow 00014H 0007CH Riservati all intel per future sviluppi 31% H Interruzioni mascherabili 003FCH del tipo int R Ogni descrittore è costituito da 4 byte (256 descrittori in totale) contenti l'indirizzo completo della routine di servizio relativa alla interruzione richiesta.la chiave di accesso alla tabella è rappresentata da un valore numerico di un byte(vettore).il vettore ricevuto viene moltiplicato per quattro al fine di accedere al relativo descrittore come illustrato in figura.

8 DMA Nelle tecniche di colloquio esaminate, polling e interruzioni, la CPU è coinvolta o come sorgente o come destinataria dei dati scambiati. Inoltre la CPU ha sempre la funzione di master. Mentre ogni altro dispositivo si comporta come Slave.Nel caso si prevede un trasferimento di dati tra memoria e periferiche esterne non sono previste operazioni di manipolazione della CPU.Per memorizzare un dato proveniente in una porta di input o output è necessario che questo prima sia letto dalla CPU, quindi memorizzare nell'accumulatore e infine trasferito alla locazione di memoria a cui è destinato. Le stesse operazioni, ma in senso contrario, devono essere effettuate dalla CPU per inviare ad una periferica un dato che si trova in memoria. La CPU è costretta, per effettuare un trasferimento di dati, a eseguire un considerevole numero di microistruzioni con altrettanti accessi alla memoria. Inoltre il microprocessore e la periferica dialogano ad interruzioni. Dalla richiesta di interruzione la sua accettazione da parte della CPU intercorre un intervallo di tempo determinato dal tempo che la CPU impiega per concludere l'istruzione in corso: il trasferimento da e per una periferica è sincrono, cioè invia o riceve dati a livelli di tempi fissi e limitati. Si può escludere la CPU dal processo di comunicazione con la tecnica del DMA o con l'accesso diretto alla memoria. DMAC La periferica può accedere alla memoria per le operazioni di lettura e o scrittura senza dover impiegare la CPU cioè deve richiedere ad essa la concessione del bus per poterlo gestire autonomamente. È presente un dispositivo, il DMAC(DMA controller), che può trasformarsi in Master per sostituire il microprocessore. La periferica segnala la propria disponibilità alle operazioni di trasferimento al DMAC il quale, tramite un segnale di Hold invia alla CPU la richiesta di cessione del bus. Quando la CPU trova attivo l'ingresso Hold, pone tutti i suoi collegamenti al bus in uno stato di alta impedenza(la richiesta di cessione del bus ad una priorità maggiore rispetto alle richieste di interruzione).la segnalazione della venuta cessione del bus è inviata al DMAC tramite un segnale Hold A. Finché il controllore di DMA mantiene attivo il segnale Hold il bus è sotto il suo controllo:

9 nel momento in cui il segnale Hold non viene disattivato da parte del controller del DMA, a questo punto la CPU disattiva il segnale Hold A per riprendere la funzione di Master. File Il File è un insieme di dati memorizzati in un dispositivo di memoria secondaria. Il SO raccoglie un insieme di informazioni per ogni file, il descrittore del file, che contiene: Informazioni Nome Identificatore Tipo Locazione Dimensione Data e Ora Nei SO multiutente vi sono anche dati aggiuntivi: Utente Proprietario Permessi Spiegazione Il nome del file Numero che lo identifica (non visibile) Il tipo del file (esempio Mp3, Exe) Dove si trova situato un file in un dispositivo La dimensiona che occupa il file in un dispositivo Colui che utilizza il file Decide chi puo utilizzare il file Il descrittore del file è memorizzato in un contenitore chiamato directory. Operazioni sui file Operazioni Creazione File Ricerca Scrittura Lettura Posizionamento Cancellazione Troncamento Accodamento Rinomina Spostamento Copia Spiegazione Crea il descrittore Cerca dove è memorizzato un file Cancella il descrittore Cancella contenuto Scruttura file Cambia nome al descrittore Sposta il file Copia il file in un altra locazione di memoria

10 Metodi di accesso Per accedere ad un file, le informazioni passano dalla memoria secondaria alla memoria RAM. Esistono due modalità di accesso: - Sequenziale (Effettua un accesso sequenziale al file tramite dei record) - Diretto (Accesso ai file composti da record di lunghezza fissa) Nota Struttura directory: La struttura di una directory è il modo in cui vengono ospitati i file. Partizionamento Il partizionamento consiste in una suddivisione di un disco in volumi chiamate partizioni. Le partizioni sono porzioni independenti che ospitano file system distinti. Il primo settore chiamato Master Boot Record (MBR) è utilizzato per effettuare il boot del sistema e contiene la tabella delle partizioni che indica quale partizione è attiva. Per un raggrupamento dei file sono state create ed introdotte le cartelle che possono includere in esse altre cartelle formando una struttura ad albero. L albero ha una directory radice e per ogni file è possibile definire un percorso relativo e assoluto. La directory è una struttura dati che puo essere vista come una tabella. Da una directory si puo: File system - Cercare un file - Creare un file - Cancellare un file - Elencare i contenuti - Rinominare un file - Spostarsi in un altra cartella Con il nome file sytem si intende quella parte del sistema operativo che gestisce la memorizzazione dei dati è l insieme di algoritimi e strutture dati che realizzano la traduzione tra operazioni logiche sui file e l informazione memorizzate sui dispositivi fisici. Per la creazione di un file system bisogna seguire delle esigenze : - Memorizzare dati in modo permanente e in enormi quantità. - Accedere agli stessi file da perte di più processi. - Accedere velocemente ai dati.

11 Allocazione file L allocazione dei file avviete in una soddivisione in blocchi di essi. FAT (File Allocation Table) Una partizione è divisa in cluster contigui dalle dimensioni variabili tra 2 e 32 KB. Ogni file è strutturato sul disco come una lista concatenata di cluster non necessariamente contigui: questa è la ragione principale per cui si parla di frammentazione del disco nei filesystem FAT. Ogni record della FAT è composto da 5 campi: - il numero del cluster successivo - una speciale EOC (end of clusterchain), che indica la fine di una catena - cluster danneggiato - cluster riservato - cluster libero

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