Parte VI SISTEMI OPERATIVI. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 1

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1 Parte VI SISTEMI OPERATIVI 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 1

2 Sistema Operativo Ogni computer ha un sistema operativo necessario per eseguire gli altri programmi Il sistema operativo, fra l altro, è responsabile di riconoscere i comandi di input (da tastiera) e di inviarne una copia sullo schermo gestire l uscita dei dati (modem, rete, stampante ecc.) gestire l archivio dei file (dischi) gestire le unità di memoria aggiuntiva (dischi, dvd, cd, ecc.) gestire la sicurezza (autorizzazione all utilizzo del sistema). Nei sistemi di grandi dimensioni il sistema operativo è anche responsabile della gestione e del coordinamento fra i diversi utenti che utilizzano il sistema 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 2

3 Sistema Operativo Non facile da definire esattamente definizione informale Quello che nel sistema non è applicazione o hardware Software che permette alle applicazioni di utilizzare in modo conveniente l hardware Utenti Applicazioni Word processing, compilatori, basi dati... Sistema Operativo Hardware dispositivi I/O,dischi, CPU, memoria... 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 3

4 Sistema Operativo Definizione Formale : Il sistema operativo è un insieme di programmi, invisibili all utente, che si interpongono tra l hardware e i programmi applicativi/utility visibili all utente (interfaccia utente) per governare l hardware nascondendo le diversità di hardware al software applicativo. Il sistema operativo quindi forma uno strato di software che opera direttamente sull hardware, isolando i dettagli dell architettura hardware (attraverso i driver che sono parti di sistema operativo adattate alle specifiche caratteristiche dell hardware) e fornendo un insieme di funzionalità e di astrazioni ad alto livello. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 4

5 Obiettivi del sistema operativo semplificare e ottimizzare l accesso alle risorse dell sistema garantire la correttezza dell esecuzione concorrente assicurare la portabilità delle applicazioni indipendenza dalla piattaforma: stesso hardware sono possibili diversi SO stesso SO può girare su piattaforme HW diverse 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 5

6 Sistema operativo e CPU Struttura a livelli Il livello 2 è il più basso al quale un utente può programmare la macchina Normalmente la programma a livello 5 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 6

7 Sistema operativo e CPU Le unità funzionali principali sono: Gestione dei processi ( ogni programma in corso nel computer ) Gestione della memoria centrale Gestione delle periferiche File system L insieme di questi moduli costituisce il nucleo del sistema operativo, denominato anche kernel. Il sistema operativo possiede inoltre una interfaccia per l`interazione con l`utente che è formata dall insieme dei programmi di utilità o utilities. Esempio: in DOS i comandi copy e rename permettono di copiare e ridenominare i file; comandi analoghi in altri sistemi; In Windows interfacce grafiche permettono di dare comandi con interazione diversa (ad esempio click con il mouse). 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 7

8 Virtualizzazione delle risorse le applicazioni e i programmi (che poggiano sul SO) vedono risorse virtuali ignorano i dettagli eventuali altri programmi in concorrenza risorse virtualizzate CPU: Multiprogrammazione (più programmi sono eseguiti concorrentemente) memoria: ciascun programma vede uno spazio di memoria autonomo I/O: la memoria di massa (dischi) e periferiche di I/O sono viste dai programmi tramite il SO 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 8

9 Sistema operativo e CPU Funzioni Sistema operativo Gestione dei processi Memoria virtuale I/O dei file 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 9

10 gestione dei processi processi concorrenti elaborati in parallelo su architetture multiprocessore elaborati a rotazione (time sharing) su architetture uniprocessore problemi: sincronizzare l utilizzo delle risorse comuni (memoria centrale e di massa, I/O) garantire accesso in mutua esclusione garantire la correttezza della elaborazione 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 10

11 gestione dei processi stati di un processo running: in esecuzione sulla CPU blocked: bloccato in attesa di un evento (fine I/O,...) ready: pronto a riprendere la sua elaborazione scheduler: processo del SO che decide quale fra i processi ready mandare in esecuzione 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 11

12 gestione dei processi scheduler: processo del SO che decide quale fra i processi ready mandare in esecuzione In un computer ci possono essere molti programmi in corso di esecuzione (caricati in memoria centrale) dello stesso utente o di utenti diversi. E compito di un programma del sistema operativo (schedulatore) commutare l attività della CPU tra i vari programmi in corso di esecuzione dedicando a ciascuno una piccola porzione del tempo di elaborazione in modo che si abbia la percezione che tutti i programmi avanzino contemporaneamente. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 12

13 memoria virtuale Ogni programma in corso di esecuzione (processo), compreso il sistema operativo, occupa una parte della memoria centrale in cui risiedono le sue istruzioni codificate ed i suoi dati. Al crescere dei processi la memoria RAM diviene rapidamente insufficiente, per cui il sistema operativo fornisce ai processi un area di memoria centrale virtuale ottenuta da un opportuno spazio riservato nella memoria di massa. Il sistema operativo fa in modo che questa memoria di massa sembri (per questo si chiama virtuale = finta) allocata al processo come se fosse memoria centrale ma questa apparenza è dovuta a continui caricamenti e scaricamenti fatti dal sistema operativo tra memoria centrale fisica e blocco di memoria virtuale della memoria di massa (hard disk). 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 13

14 memoria virtuale L operazione quindi è trasparente per il programma in corso di esecuzione che non si accorge di non possedere tutta la memoria centrale che gli serve perché ogni volta che la utilizza il sistema operativo gliela copia dalla memoria di massa scaricandola quando non serve più ma le prestazioni complessive del sistema ne sono influenzate se si pensa ai tempi medi di accesso di un disco di media qualità (decine di ms). Questo meccanismo spiega perché uno dei fattori principali nelle prestazioni di un computer è la quantità della memoria centrale. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 14

15 memoria virtuale: memoria virtuale lo stesso spazio di memoria è diviso fra più programmi ogni programma vede uno spazio di indirizzamento più ampio di quello effettivamente disponibile spazio indirizzi: virtuali: dipende dalle modalità di indirizzamento fisico: dipende dalle dimensioni della memoria 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 15

16 memoria virtuale programmi usano lo spazio virtuale lo spazio virtuale è allocato in memoria secondaria (dischi) si mantiene in memoria solo un sottoinsieme dello spazio virtuale (spazio logico) si trasferiscono quando servono le parti dello spazio virtuale alle quali il programma fa riferimento la gestione è fatta dal SO (trasparente all utente/programmatore) PROBLEMA: traduzione indirizzi; efficienza 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 16

17 memoria virtuale: paginazione modo semplice di organizzare la corrispondenza fra indirizzi virtuali e fisici lo spazio di memoria (fisico e virtuale) è organizzato in pagine ( KB), della stessa dimensione quando serve un dato in memoria si trasferisce tutta la pagina che lo contiene 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 17

18 memoria virtuale: paginazione Spazio fisico in Memoria RAM, Memoria fisica del computer suddivisa in 8 pagine Spazio logico su disco PL0 PL1 Organizzazione logica del processo 1 2 pagine logiche PF1 PF2 PF3 PF4 PF5 PF6 PF7 PF8 Spazio logico Organizzazione logica Del processo 2 4 pagine logiche. Non trova 4 pagine fisiche contigue 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 18

19 memoria virtuale: paginazione la struttura dello spazio virtuale si riflette nella struttura degli indirizzi offset: lunghezza della pagina k bit più significativi: numero della pagina indirizzi fisici hanno la stessa struttura 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 19

20 memoria virtuale: paginazione Il programma viene suddiviso in un certo numero di sezioni, di dimensioni fisse e uguali fra loro, dette pagine logiche, e in corrispondenza organizzando allo stesso modo anche la memoria fisica in pagine fisiche, della stessa dimensione delle pagine logiche. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 20

21 memoria virtuale: paginazione Spiazzamento relativo all inizio della pagina specificata dai k bit iniziali, in pratica dice quanto è lunga la pagina i programmi specificano indirizzi virtuali l indirizzo fisico è diverso prima di accedere in memoria bisogna tradurre l indirizzo virtuale in indirizzo fisico Nota Bene: l indirizzo virtuale è fisso, quello fisico può cambiare nel corso dell esecuzione 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 21

22 memoria virtuale: paginazione con la memoria a pagine posso avere uno spazio fisico piccolo ma uno spazio virtuale grande posso utilizzare la memoria (piccola) per più programmi contemporaneamente due pagine vicine (nello spazio logico) possono essere in posti diversi dello spazio fisico una su disco e l altra in memoria centrale tutte e due su disco (o memoria centrale) ma con indirizzi fisici diversi 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 22

23 memoria virtuale: traduzione indirizzi La traduzione degli indirizzi avviene a cura della CPU (prima di accedere in memoria fisica) La corrispondenza tra pagine virtuali e pagine fisiche (page frames) viene mantenuta nella Tavola delle Pagine (nella CPU) e viene gestita dall hardware aggiuntivo Memory Management Unit presente nella CPU 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 23

24 memoria virtuale: traduzione indirizzi Numero pagina fisica ( Sei ) tavola delle pagine contiene la corrispondenza fra indirizzo virtuale (o logico) e indirizzo fisico Numero pagina logica (Due ) Lo spiazzamento rispetto all inizio della pagina è uguale sia per la pagina logica che la pagina fisica Pagina già in memoria si/no 4 bit 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 24 3 bit

25 memoria virtuale: come funziona se la pagina richiesta è in memoria: ok altrimenti page fault. il SO interrompe l esecuzione del programma la pagina richiesta viene trasferita da disco a memoria centrale (attesa) una volta trasferita la pagina richiesta l esecuzione del programma può riprendere a seguito di un page fault posso dover togliere una pagina dalla memoria per fare spazio a quella nuova, questo implica che le pagine virtuali non hanno necessariamente lo stesso indirizzo fisico 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 25

26 località dei programmi gli accessi in memoria rispettano un principio di località quando mi serve un dato che non è in memoria trasferisco tutta la pagina che contiene quel dato quando devo togliere una pagina dalla memoria per fare spazio alla nuova pagina trasferisco pagine richieste indietro nel tempo (meno probabili che siano richieste nel futuro) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 26

27 Gestione dei file: importanza I/O Applicazioni hanno due componenti fondamentali: Elaborazione informazione Input/Output (I/O) (esistono applicazioni senza I/O?) Dati sono nei dispositivi di memoria diversi fra loro (velocità, modi di accesso,...) Utente vede dati come una libreria standard operazioni utente sono astratte: inserisci, cancella, duplica,... non dipende dal tipo di dato o da dove è il dato Funzioni SO: fornire operazioni standard per accedere e modificare i dati fornire protezioni ai dati (limitare le operazioni permesse) semplificare accesso a utente fornire interfaccia omogenea 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 27

28 Astrazione: File Punto di vista utente Insieme di dati con un nome tipo di dato (si usa spesso estenzione: txt - testo, exe - eseguibile, gif - immagine,...) utilizzabile sempre in modo conveniente (utente non vuole sapere dove si trova fisicamente il file) Punto di vista del sistema operativo crea corrispondenza fra i byte che costituiscono il file su blocchi di memoria non volatile Dischi, nastri, CD,... Dati persistenti (assenza di corrente, riavvi del sistema,...) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 28

29 Astrazione: Direttorio Organizzare i file: una tabella contiene le informazioni su dove ciascun file si trovi sul disco Approccio semplice: ogni file ha un solo nome In pratica: un direttorio per ogni utente, per specificare un file: <nome utente, nome file> per ogni utente organizzazione ad albero del direttorio (es. cartelle di windows) Esempio: Mario/a/b.gif utente m ario ha un direttorio a che contiene un fileim m agine b (Mario può avere tanti direttori;apuò contenere tantifile o direttori) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 29

30 Meta-Dati di un file Meta-dati: Informazioni addizionali associate ad ogni file Nome del file Tipo del file Puntatori (indirizzi) ai blocchi del disco che contengono i dati Dimensione del file Informazioni temporali: creazione, aggiornamento Proprietario (utente, gruppo) Bit di protezione (autorizzazione in lettura, scrittura) I Meta-dati sono memorizzati nel disco parte del disco contiene le informazioni necessarie <nome file, indice sui metadati> (l indice indica dove sono presenti i metadati nella memoria del disco) 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 30

31 Gestione del direttorio Direttorio contiene per ogni file una coppia <nome, indice>, (in cui il nome può essere un altro direttorio) Direttorio è memorizzato e organizzato come un file Indice indica dove sono le informazioni sui metadati associati al nome Per indicare un file si specifica il nome del file indicando tutti i direttori a partire dalla radice Esempio: mkdir mario/a/b/c crea direttorio c contenuto in b che a sua volta è contenuto in a Leggi i metadati associati a utente mario e cerchi a ; ad esempio trovi < a, 5> leggi le informazioni indicate da 5, e cerca b ; ad esempio trovi < b, 9> leggi le informazioni indicate da 9, verifichi che non esiste c ; allochi c e aggiungi c dove necessario 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 31

32 Esercizio Illustrare i compiti del sistema operativo nella gestione dei file e dell Input/Output. 14/02/2011 Fondamenti di Informatica - Prof. Gregorio Cosentino 32