Il sistema operativo

Transcript

1 Il sistema operativo Vito Perrone Corso di Informatica A per Gestionali Indice Architettura Gestione dei processi Gestione della memoria centrale Driver Gestione dei file 2 1

2 Il sistema operativo E uno strato software che opera direttamente sull hardware Isola gli utenti dai dettagli dell hardware Mono-utente o multi-utente E organizzato a strati: Architettura a buccia di cipolla Ogni strato costituisce una macchina virtuale Kernel Programmi utente Interprete comandi attivazione programmi d utente o di sistema File system controllo e gestione degli accessi a file Gestione delle periferiche gestione di ingresso/uscita da periferica Gestione della memoria allocazione e gestione della memoria Gestione dei processi (nucleo) gestione dei processi e delle interruzioni Macchina fisica 3 Funzioni del sistema operativo Il gestore dei processi (o nucleo) è responsabile dell dei programmi da parte dell unità di elaborazione Il gestore della memoria ha la funzione di allocare la memoria e partizionarla tra i vari programmi I driver sono responsabili delle operazioni di ingresso/uscita che coinvolgono le periferiche Il file system è responsabile della gestione dei file in memoria di massa L interprete comandi consente all utente di attivare i programmi 4 2

3 Gestione dei processi 5 Definizione di processo Il termine processo fa riferimento all di un programma Un processo P è una coppia di elementi (E, S), che comprende il codice eseguibile E del programma e lo stato S del processo Lo stesso programma può essere associato a più processi: Un programma può essere scomposto in varie parti e ognuna di esse può essere associata ad un diverso processo Lo stesso programma può essere associato a diversi processi quando diverse copie del medesimo processo sono mandate in 6 3

4 Stati di un processo (1) L unità di elaborazione che esegue i processi prende nome di processore. In generale vi saranno n processori I processi possono essere classificati come: In Pronti In attesa Ipotesi semplificative: Un programma sia associato a un solo processo Il sistema sia dotato di un unico processore Uno solo dei processi può essere in in un certo istante, gli altri processi saranno pronti oppure in attesa 7 Stati di un processo (2) Inizio In : assegnato al processore ed eseguito da esso Pronto: può andare in, se il gestore dei processi lo decide In attesa: attende il verificarsi di un evento esterno per andare in stato di - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna - Fine - Abort per errore Primo processo Interruzione interna Processo Evento esterno atteso attesa 8 4

5 Stati di un processo (3) I processi appena creati sono messi in stato di Il nucleo decide quale processo mettere in stato di Il nucleo assegna il processore a un processo per un quanto di tempo Coda dei processi pronti Round-robin Priorità dei processi - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna - Fine - Abort per errore Inizio Primo processo Interruzione interna P1 P2 Processo Evento esterno atteso attesa 9 Stati di un processo (4) Il processo in passa in stato di attesa se richiede operazioni di I/O (interruzione interna) Corrisponde alla dell istruzione chiamata a supervisore (SuperVisor Call, SVC) - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna P1 - Fine - Abort per errore Inizio Primo processo Interruzione interna P2 Processo Evento esterno atteso attesa 10 5

6 Stati di un processo (5) Cambiamento di contesto: Salvare il contesto di P1 nel suo descrittore di processo Il processore è ora libero, un altro processo passerà in - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna Inizio Primo processo P2 Processo Evento esterno atteso - Fine - Abort per errore Interruzione interna P1 attesa 11 Stati di un processo (6) Quando l operazione di I/O è finita viene generata un interruzione esterna Il processo in viene interrotto Il nucleo esegue il gestore delle interruzioni che esegue le azioni opportune P1 può tornare Il nucleo sceglie quale processo mandare in - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna P2 - Fine - Abort per errore Inizio Primo processo Interruzione interna Processo Evento esterno atteso P1 attesa 12 6

7 Stati di un processo (7) Pre-emption: quando il quanto di tempo è scaduto, il nucleo interrompe il processo in Si cerca di garantire un uso equo della CPU a tutti i processi - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna P1 Inizio Primo processo Interruzione interna P2 Processo Evento esterno atteso - Fine - Abort per errore attesa 13 Sincronizzazione A volte, i processi devono sincronizzarsi, ovvero coordinare le loro attività Il coordinamento sequenziale: un processo termina invocando l attivazione di un altro processo La competizione: due processi vogliono accedere simultaneamente a una medesima risorsa (risorsa critica) 14 7

8 Gestione della memoria centrale 15 Rilocazione e paginazione La gestione concorrente di molti processi, comporta la presenza di molti programmi in memoria centrale Per allocare i programmi in memoria è necessario rilocarli (trasformare gli indirizzi logici, presenti nei programmi, in indirizzi fisici) Paginazione: La memoria centrale è considerata dal gestore della memoria come partizionata in pagine Ciascuna di queste è un area di memoria contigua, di dimensione fissata Dati e programmi vengono partizionati in pagine e allocati in un numero intero di pagine, non necessariamente contigue 16 8

9 Segmentazione Segmentazione: Durante la compilazione, il programma è frazionato in parti che svolgono differenti funzioni Per es. si possono separare i dati dalle istruzioni E una partizione logica del programma. Consente al gestore della memoria di caricare i segmenti che compongono il programma stesso in maniera indipendente Mentre le pagine hanno lunghezza fissa, i segmenti, hanno lunghezza variabile La segmentazione e la paginazione non sono tecniche alternative. Spesso sono applicate contemporaneamente 17 La memoria virtuale In entrambi i casi, il gestore della memoria offre al programma applicativo la visione di una memoria virtuale La memoria virtuale è maggiore di quella fisica: E possibile allocare più pagine o segmenti di quelle che possono stare nella memoria fisica allo stesso tempo Le pagine o i segmenti che non sono al momento caricate nella memoria fisica rimango disponibili nella memoria di massa La gestione della memoria è coordinata con la gestione dei processi: Quando un processo è eseguito, le pagine o i segmenti che sono al momento in o che contengono i dati attualmente indirizzati devono essere caricati in memoria Se una pagina o un segmento necessario al programma non è presente, il processo deve essere sospeso per consentire il caricamento 18 9

10 La catena di programmazione (1) Il compilatore trasforma un modulo di programma sorgente in un modulo di programma oggetto Un programma può essere suddiviso in parti (moduli) I nomi delle variabili locali al modulo di programma vengono tradotti in indirizzi rilocabili (espressi in forma logica) I riferimenti alle variabili esterne al modulo, restano in formato simbolico Il linker trasforma diversi moduli oggetto in un unico programma eseguibile Il linker risolve i riferimenti a variabili definite esternamente a ciascun modulo, trasformando i residui indirizzi simbolici in indirizzi rilocabili 19 La catena di programmazione (2) A volte (raramente) gli indirizzi sono espressi in formato assoluto (calcolati a partire da una specifica cella di memoria) Il loader carica il programma eseguibile in memoria Indirizzi assoluti: il loader caricare il programma nella specifica zona di memoria Indirizzi rilocabili: il loader è responsabile della loro rilocazione 20 10

11 La rilocazione Rilocazione statica: All atto del caricamento in memoria Trasforma il codice: indirizzi rilocabili indirizzi assoluti Rilocazione dinamica: Non comporta una conversione del codice Richiede l utilizzo di due registri speciali: Il registro base contiene il valore dell indirizzo della prima cella di memoria a partire dalla quale il programma è stato caricato Il registro dimensione contenente la dimensione del programma; permette di verificare che l indirizzo generato dal programma rientri nello spazio indirizzabile Registro base + Indirizzo rilocabile Indirizzo calcolato 21 Modo S e modo U La memoria è suddivisa in: Memoria di modo S (supervisore): contiene i programmi di sistema operativo e vengono create le strutture dati da esso utilizzate Memoria di modo U (utente): contiene i programmi utente Se il processore sta eseguendo un processo utente : Lo si dice attivo in modo utente (in modo U) Può accedere soltanto alla memoria di modo U Se il processore sta eseguendo un processo di sistema: E attivo il nucleo Si dice attivo in modo supervisore (in modo S) Può accedere alla memoria di modo S e di modo U Può eseguire istruzioni privilegiate 22 11

12 Driver 23 I driver Sono meccanismi software cui è affidato il compito di comunicare dati da e verso le periferiche Garantiscono ai programmi che li usano una visione di alto livello E possibile leggere o scrivere tramite primitive indipendenti dalla struttura hardware delle periferiche Si distingue fra: Driver fisici (hardware). Vengono attivati direttamente dal gestore delle interruzioni Driver logici (software). Fanno parte del sistema operativo e forniscono una gerarchia di operazioni, con un organizzazione a strati 24 12

13 Gestione dei file 25 Il file system Consente di gestire i file sulla memoria di massa: Creare un file Dargli un nome Collocarlo in un opportuno spazio nella memoria di massa Accedervi in lettura e scrittura Gestione dei file indipendente dalle caratteristiche fisiche della memoria di massa I file vengono inclusi all interno di directory (o cataloghi): Hanno una tipica organizzazione ad albero Alcuni sistemi operativi permettono una struttura a grafo 26 13

14 La struttura ad albero 27 Organizzazione dei file A ciascun utente è normalmente associata una directory specifica, detta home directory Il livello di protezione di un file indica quali operazioni possono essere eseguite da ciascun utente Ciascun file ha un pathname (o nome completo) che include l intero cammino dalla radice dell albero Il contesto di un utente all interno del file system è la directory in cui correntemente si trova 28 14