Cos'è un sistema operativo?

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1 Cos'è un sistema operativo? Definizione: Un sistema operativo è un programma che controlla l'esecuzione di programmi applicativi e agisce come interfaccia tra le applicazioni e l'hardware del calcolatore Obiettivi Efficienza: Un S.O. cerca di utilizzare in modo efficiente le risorse del calcolatore Semplicità: Un sistema operativo dovrebbe semplificare l'utilizzazione dell'hardware di un calcolatore 1

2 Visione: S.O. come gestore di risorse Alcune osservazioni: Gestendo le risorse di un calcolatore, un S.O. controlla il funzionamento del calcolatore stesso ma questo controllo è esercitato in modo "particolare" Normalmente: Il meccanismo di controllo è esterno al sistema controllato (esempio: termostato e impianto di riscaldamento) In un elaboratore: Il S.O. è un programma, simile all'oggetto del controllo, ovvero le applicazioni controllate Il S.O. deve lasciare il controllo alle applicazioni e affidarsi al processore per riottenere il controllo 2

3 Visione: S.O. come macchina estesa Visione "a strati" delle componenti hardware/software che compongono un elaboratore: Utente Programmi di sistema Programmi applicativi Librerie Programmatore di sistema Sistema operativo Sistemista Tool di sistema Progettista di S.O. Computer hardware 3

4 Visione: S.O. come macchina estesa Un sistema operativo: nasconde ai programmatori i dettagli dell'hardware fornendogli una API conveniente e facile da usare agisce come intermediario tra programmatore e hardware Parole chiave: Indipendenza dall'hardware Comodità d'uso Programmabilità 4

5 Visione 2: S.O. come macchina estesa Servizi estesi offerti da un S.O.: esecuzione di programmi accesso semplificato ai dispositivi di I/O accesso controllato a dispositivi, file system, etc. accounting ed accesso al sistema rilevazione e risposta agli errori... 5

6 Storia dei Sistemi Operativi L'evoluzione dei sistemi operativi è stata spinta dal progresso tecnologico dell'hardware ha guidato il progresso tecnologico dell'hardware Esempio: Gestione degli interrupt Protezione della memoria Memoria virtuale... 6

7 Storia dei Sistemi Operativi Generazione 1: valvole e tavole di commutazione Generazione 2: transistor e sistemi batch Generazione 3: circuiti integrati, multiprogrammazione e time-sharing Generazione 4: 1980 oggi personal computer 7

8 Componenti di un sistema operativo Gestione dei processi Gestione della memoria principale Gestione della memoria secondaria Gestione file system Gestione dei dispositivi di I/O Protezione Networking 8

9 Gestione dei processi Un processo è un programma in esecuzione Un processo utilizza le risorse fornite dal computer per assolvere i propri compiti Il sistema operativo è responsabile delle seguenti attività riguardanti la gestione dei processi: creazione e terminazione dei processi sospensione e riattivazione dei processi gestione dei deadlock comunicazione tra processi sincronizzazione tra processi 9

10 Gestione della memoria principale La memoria principale è un "array" di byte indirizzabili singolarmente. è un deposito di informazioni (dati/istruzioni) facilmente accessibile e condiviso tra la CPU ed i dispositivi di I/O Il sistema operativo: tiene traccia di quali parti della memoria sono usate e da chi decide quali processi caricare quando diventa disponibile spazio in memoria alloca e dealloca lo spazio di memoria quando necessario 10

11 Gestione della memoria secondaria Memoria secondaria: poichè la memoria principale è volatile e troppo piccola per contenere tutti i dati e tutti i programmi in modo permanente, un computer è dotato di memoria secondaria in generale, la memoria secondaria è data da hard disk, dischi ottici, nastri, etc. Il sistema operativo è responsabile delle seguenti attività: allocazione dello spazio inutilizzato gestione dello spazio di memorizzazione ordinamento efficiente delle richieste (disk scheduling) 11

12 Gestione del file system Un file è l'astrazione informatica di un archivio di dati il concetto di file è indipendente dal media sul quale viene memorizzato (che ha caratteristiche proprie e propria organizzazione fisica) Un file system è composto da un insieme di file Il sistema operativo è responsabile delle seguenti attività: creazione e cancellazione di file creazione e cancellazione di directory manipolazione di file e directory codifica del file system sulla memoria secondaria 12

13 Gestione dell'i/o La gestione dell I/O richiede: un interfaccia comune per la gestione dei device driver un insieme di driver per dispositivi hardware specifici un sistema di gestione di buffer per il caching delle informazioni 13

14 Protezione Il termine protezione si riferisce al meccanismo per controllare gli accessi di programmi, processi o utenti alle risorse del sistema e degli utenti Il meccanismo di protezione deve: Distinguere tra uso autorizzato e non autorizzato Specificare i controlli che possono essere imposti 14

15 Networking Consente di far comunicare due o più elaboratori di condividere risorse Quali servizi protocolli di comunicazione a basso livello TCP/IP UDP servizi di comunicazione ad alto livello file system distribuiti (NFS,...) print spooler 15

16 Interprete dei comandi Il S.O. deve fornire un interfaccia utente con cui: attivare un programma, terminare un programma, etc. interagire con le componenti del sistema operativo (file system) Può essere: grafica (a finestre, icone, etc.) testuale (linea di comando) Differenze N.B. cambia il "linguaggio" utilizzato, ma il concetto è lo stesso vi sono però differenze di espressività L'interprete dei comandi usa i servizi dei gestori di processi, I/O, memoria principale e secondaria... 16

17 System call Interfaccia programmatore - s.o. Ogni volta che un processo ha bisogno di un servizio del s.o. richiama una system call sono in genere disponibili come istruzioni a livello assembler esistono librerie che permettono di invocare le system call da diversi linguaggi (ad es. librerie C) vengono normalmente realizzate tramite interrupt software 17

18 System call 18

19 System call 19

20 System call Tutti i sistemi operativi hanno le proprie system call 20

21 Implementazione del file system Problemi da tenere in considerazione organizzazione di un disco allocazione dello spazio in blocchi gestione spazio libero implementazione delle directory tecniche per ottimizzare le prestazioni tecniche per garantire la coerenza 21

22 Organizzazione del disco Struttura di un disco un disco può essere diviso in una o più partizioni, porzioni indipendenti del disco che possono ospitare file system distinti il primo settore dei dischi è il cosidetto master boot record (MBR) è utilizzato per fare il boot del sistema contiene la partition table (tabella delle partizioni) contiene l'indicazione della partizione attiva Al boot del sistema, il codice memorizzato nel MBR viene letto ed eseguito MBR Partizione 1 Partizione 2 Partizione 3 Struttura del disco 22

23 Organizzazione del disco Struttura di una partizione ogni partizione inizia con un boot block Il codice nel MBR carica il boot block della partizione attiva e lo esegue Il boot block fornisce invece il codice che carica ed esegue il s.o. L'organizzazione del resto della partizione dipende dal file system Boot Block Superblock Gestione Gestione spazio libero Spazio occ. Root dir File e directory Struttura di una partizione 23

24 Organizzazione del disco In generale superblock contiene informazioni sul tipo di file system e sui parametri fondamentali della sua organizzazione tabelle per la gestione dello spazio libero struttura dati contenente informazioni sui blocchi liberi tabelle per la gestione dello spazio occupato root dir contiene informazioni sui file presenti nel sistema non presente in tutti i file system directory radice (del file system) file e directory 24

25 Allocazione Problema dell'allocazione Poiché l hardware e il device driver consentono di accedere al disco come ad un insieme di blocchi dati di dimensione fissa. Nasce il problema di come scegliere i blocchi dati da utilizzare per un file e come questi blocchi dati vengono collegati assieme a formare una struttura unica 25

26 Allocazione contigua Descrizione i file sono memorizzati in sequenze contigue di blocchi di dischi Vantaggi non è necessario utilizzare strutture dati per collegare i blocchi l'accesso sequenziale è efficiente blocchi contigui non necessitano operazioni di seek l'accesso diretto è efficiente block= offset/blocksize; pos= offset%blocksize; directory Name Start Size a 0 4 b c 30 3 d

27 Allocazione contigua Svantaggi si ripropongono le stesse problematiche dell allocazione contigua in memoria centrale frammentazione esterna politica di scelta dell area di blocchi liberi da usare per allocare spazio per un file: first fit, best fit, worst fit... inoltre: i file non possono crescere! Quando utilizzare allocazione contigua? memoria secondaria write-only (CD-ROM, DVD) 27

28 Allocazione concatenata Descrizione ogni file è costituito da un lista concatenata di blocchi. ogni blocco contiene un puntatore al blocco successivo il descrittore del file contiene i puntatori al primo e all ultimo elemento della lista nil 6 nil 4 5 directory Name Start End a 0 4 b 1 6 spazio allocabile 28

29 Allocazione concatenata Vantaggi risolve il problema della frammentazione esterna l accesso sequenziale o in append mode" è efficiente Svantaggi l accesso diretto è inefficiente progressivamente l efficienza globale del file system degrada (i blocchi sono disseminati nel disco, aumenta il n. di seek) la dimensione utile di un blocco non è una potenza di due se il blocco è piccolo (512 byte) l overhead per i puntatori può essere rilevante 29

30 Allocazione concatenata Per minimizzare l overhead dovuto ai puntatori 4, 8, 16 blocchi riuniti in cluster vengono allocati in modo indivisibile Vantaggi la percentuale di spazio utilizzato per i puntatori diminuisce Svantaggi aumenta lo spazio sprecato per la frammentazione interna 30

31 Allocazione basata su FAT Descrizione invece di utilizzare parte del blocco dati per contenere il puntatore al blocco successivo si crea una tabella unica con un elemento per blocco (o per cluster) Name directory Start End a 0 4 b 1 6 spazio allocabile FAT nil 6 nil

32 Allocazione basata su FAT Vantaggi i blocchi dati sono interamente dedicati... ai dati Svantaggi la scansione richiede anche la lettura della FAT, aumentando così il numero di accessi al disco. Ovviamente potendo fare caching in memoria dei blocchi FAT l'accesso diretto diventa più efficiente, in quanto la lista di puntatori può essere seguita in memoria Il DOS usa l'allocazione basata su FAT 32

33 Allocazione indicizzata Descrizione l'elenco dei blocchi che compongono un file viene memorizzato in un blocco (o area) indice per accedere ad un file, si carica in memoria la sua area indice e si utilizzano i puntatori contenuti spazio allocabile directory Name Index a 2 b , 3, 7, 4 2, 10, 5, 6 33

34 Allocazione indicizzata Vantaggi risolve (come l allocazione concatenata) il problema dell allocazione esterna. è efficiente per l accesso diretto il blocco indice deve essere caricato in memoria solo quando il file è aperto Svantaggi la dimensione del blocco indice determina l ampiezza massima del file utilizzare blocchi indici troppo grandi comporta un notevole spreco di spazio Come risolvere il trade-off? 34

35 Allocazione indicizzata - Possibili soluzioni Concatenazione di blocchi indice l ultimo elemento del blocco indice non punta al blocco dati ma al blocco indice successivo si ripropone il problema per l accesso diretto a file di grandi dimensioni spazio allocabile directory 2, 3, Name Index 0-5 a 0 b , 9 1, 5, 6, nil 7, 10, 11, nil 35

36 Allocazione indicizzata - Possibili soluzioni Indice multilivello si utilizza un blocco indice dei blocchi indice degradano le prestazioni, in quanto richiede un maggior numero di accessi spazio allocabile directory 1,2, Name Index 0-5 nil,nil a ,4, 7,8 10,11, nil,nil 36

37 Allocazione indicizzata e UNIX In UNIX ogni file è associato ad un i-node (index node) un i-node è una struttura dati contenente gli attributi del file, e un indice di blocchi diretti e indiretti, secondo uno schema misto I-node Attributes Direct blocks. Single indirect Double indirect Triple indirect Data. Data Index. Data. Data Index. Index Index. Data. Data 37

38 Allocazione e performance Lo schema UNIX garantisce buone performance nel caso di accesso sequenziale file brevi sono acceduti più velocemente e occupano meno memoria Ulteriori miglioramenti pre-caricamento (per esempio nell allocazione concatenata fornisce buone prestazioni per l accesso sequenziale). combinazione dell allocazione contigua e indicizzata contigua per piccoli file ove possibile indicizzata per grandi file 38

39 Gestione spazio libero - Mappa di bit Descrizione ad ogni blocco corrisponde un bit in una bitmap i blocchi liberi sono associati ad un bit di valore 0, i blocchi occupati sono associati ad un bit di valore f1 f2 f

40 Gestione spazio libero - Mappa di bit Vantaggi semplice, è possibile selezionare aree contigue Svantaggi la memorizzazione del vettore può richiedere molto spazio Nota: Intel e succ. Motorola e succ. hanno istruzioni per trovare l offset del primo bit acceso/spento in una word 40

41 Gestione spazio libero - Lista concatenata Descrizione i blocchi liberi vengono mantenuti in una lista concatenata si integra perfettamente con il metodo FAT per l'allocazione delle aree libere FAT spazio allocabile directory Name Start End a 0 4 b 1 6 Free list 7 nil 6 nil

42 Gestione spazio libero - lista concatenata Vantaggi richiede poco spazio in memoria centrale Svantaggi l allocazione di un area di ampie dimensioni è costosa l allocazione di aree libere contigue è molto difficoltosa 42

43 Gestione spazio libero - Lista concatenata (blocchi) Descrizione è costituita da una lista concatenata di blocchi contenenti puntatori a blocchi liberi Free list nil 43

44 Gestione spazio libero - Lista concatenata (blocchi) Vantaggi ad ogni istante, è sufficiente mantenere in memoria semplicemente un blocco contenente elementi liberi non è necessario utilizzare una struttura dati a parte; i blocchi contenenti elenchi di blocchi liberi possono essere mantenuti all'interno dei blocchi liberi stessi Svantaggi l allocazione di un area di ampie dimensioni è costosa l allocazione di aree libere contigue è molto difficoltosa 44

45 Gestione spazio libero: un po' di conti Premesse blocchi: 1K dimensione partizione: 16GB Mappa di bit 2 24 bit = 2 21 byte = 2048 blocchi = 2MB per la bitmap Lista concatenata (FAT) 2 24 puntatori = 2 24 *3 byte = 48MB per la FAT Lista concatenata (blocchi) spazio occupato nei blocchi liberi 45

46 Gestione spazio libero: un po' di conti Scegliere la dimensione di un cluster cluster grandi: alta velocità di lettura ma elevata frammentazione cluster piccoli: bassa velocità e scarsa frammentazione, dati ottenuti su file system reali, lunghezza media: 2Kb Block size Andrew S. Tanenbaum 46

47 Implementazione delle directory Una directory è un file speciale contenente informazioni sui file contenuti nella directory una directory è suddivisa in un certo numero di directory entry ogni directory entry deve permettere di accedere a tutte le informazioni necessarie per gestire il file nome attributi informazioni di allocazione Scelte implementative da considerare attributi contenuti nelle directory entry oppure nell'i-node lista lineare (array) vs hash table 47

48 Implementazione delle directory Informazioni nelle directory entry la directory entry contiene tutte le informazioni necessarie associate ad un file utilizzata da MS-DOS Informazione negli i-node le informazioni sono contenute negli inode; una directory entry contiene un indice di inode utilizzata in UNIX nome file attributi info allocaz. nome file attributi info allocaz. nome nome nome nome i-node i-node i-node i-node 48

49 Implementazione delle directory Problema della lunghezza dei nomi memorizzare nomi a lunghezza variabile nelle directory comporta una serie di problemi Lunghezza fissa è il meccanismo più semplice......ma presenta un trade-off: spazio riservato molto grande, spreco di memoria spazio riservato troppo piccolo, nomi troppo brevi Lunghezza variabile la struttura dati diviene più complessa 49