Sistemi Operativi 1. Mattia Monga. 4 marzo Dip. di Informatica e Comunicazione Università degli Studi di Milano, Italia

Transcript

1 1 Dip. di Informatica e Comunicazione Università degli Studi di Milano, Italia mattia.monga@unimi.it I II 4 marzo c 2008 M. Monga. Creative Commons Attribuzione-Condividi allo stesso modo 2.5 Italia License. Immagini tratte da [1] e da Wikipedia.

2 Lezione I: Introduzione I II

3 Informazioni sul corso 4+4 ore di lezione settimanali (12 crediti) Lezioni di teoria e in laboratorio Esame: Scritto con domande a risposta multipla + orale Prova pratica per la parte di laboratorio Sono previste 2 prove intermedie Libro di testo per la parte di teoria: Operating System Design and Implementation, di Tanenbaum e Woodhull, III ed.[1] I II

4 Il sistema operativo Cos è un sistema operativo Un insieme di programmi che: Gestisce in modo ottimale le risorse di un calcolatore; Facilita a programmatori ed utenti finali l uso della sottostante macchina hardware I II

5 The onion model I II

6 Kernel/User mode Il s.o. è l unico programma che esegue con il totale controllo delle risorse hardware (kernel mode). Gli altri programmi si appoggiano unicamente sui servizi del s.o. e la loro esecuzione è gestita e controllata dal s.o. (user mode) In molti processori questa separazione è imposta via hardware I II

7 Software di base Con software di base si indica il sw che: Abilita l uso del computer e delle sue componenti ad un utente Gestisce le risorse del sistema Facilita l uso delle stesse ai programmatori di applicazioni Fanno parte del sw di base: Sistema operativo Compilatori e interpreti DBMS di rete I II

8 Software applicativo Con software applicativo si indica il sw che: Soddisfa le specifiche esigenze degli utenti finali (utilizzatori) in merito all uso del calcolatore nelle loro attività Fanno parte del sw applicativo: Video-scrittura, Foglio elettronico Contabilità, Fatturazione WWW, Posta elettronica, News... I II

9 Unità di misura exp prefisso exp prefisso exp prefisso 10 3 milli (m) 10 3 kilo (K) 2 10 kibi (Ki) 10 6 micro (µ) 10 6 mega (M) 2 20 mebi (Mi) 10 9 nano (n) 10 9 giga (G) 2 30 gibi (Gi) pico (p) tera (T) 2 40 tebi (Ti) femto (f) peta (P) 2 50 pebi (Pi) atto (a) exa (E) 2 60 exbi (Ei) zepto (z) zetta (Z) yocto (y) yotta (Y) bit (b) binary digit; byte (B) un insieme di bit adiacenti (generalmente otto) octet (o) otto bit I II

10 Definizioni preliminari Tempo di turnaround : intervallo di tempo che intercorre tra l istante di tempo in cui si sottopone un processo (job) al sistema e l istante di tempo in cui termina l esecuzione del job (wall clock time) Tempo di esecuzione : quantità di tempo utilizzata dalla CPU per eseguire un determinato job Input time : tempo impiegato per immettere i dati di input Output time : tempo impiegato per emettere l output (non calcolarlo!) Utilizzo CPU in un intervallo di tempo T : tempo di esecuzione T Troughput in un intervallo T : numero di job eseguiti in T I II

11 Tempi tipici Risorse usate da un applicazione tipica Input time manuale: 15 min Input time automatico: 0.3 min Output time: 0.5 min Execution time: 1 min I II

12 Generazioni Generazione 1 ( ) : Valvole, modello open shop, applicazioni scientifiche Generazione 2 ( ) : Transistor, batch, applicazioni scientifiche e prime applicazioni commerciali Generazione 3 ( ) : ICs, multiprogrammati e timesharing, applicazioni commerciali Generazione 4 (1980-Present) : VLSI, applicazioni personali I II

13 Modello open shop Gli utenti accedevano a turno al calcolatore dove caricavano ed eseguivano i loro programmi. Sistema poco efficiente Un utente ogni 20 min circa Utilizzo CPU 1/20 = 5% (v. tempi tipici) I II

14 In questo caso la memoria del calcolatore era completamente a disposizione dell utente finale ed appariva in questo modo: I II

15 I Un primo miglioramento derivò dall eliminazione dei tempi di input di dati e programmi con l introduzione delle schede perforate L utente preparava off-line il suo programma su schede perforate Accedeva al calcolatore a cui faceva leggere le schede il programma veniva eseguito ed i risultati stampati I II

16 Schede perforate I II

17 Profilo temporale Il profilo temporale dell esecuzione dei programmi era quindi: I1 E1 O1 I2 E2 O2 I3 E3 O3 I4 E4 O4 In questo caso, se consideriamo il profilo di un applicazione standard, il troughput del sistema diventa 33 job/h con un uso della CPU = 33/60 = 55% (v. tempi tipici) I II

18 Esigenza del s.o. L avvento dei lettori di schede incominci a richiedere la presenza in memoria centrale di un programma che fosse in grado di: Gestire l unità periferica (CR) Leggere le schede Interpretare ed eseguire i comandi richiesti (Job Control Language) Copiare il contenuto delle schede in memoria A lettura ultimata lanciare l esecuzione del programma I II

19 Memoria La memoria risultava occupata in questo modo I II

20 Batch Nasce l esigenza di ottimizzare l uso dei di calcolo e di eliminare dal ciclo produttivo le unità di I/O Le unità di I/O che fino a quel momento erano state collegate ai calcolatori, (card reader e stampanti) vengono sostituite da unità a nastri molto piú veloci Si modifica completamente lo schema di accesso ad un calcolatore I II

21 Batch I II

22 Profilo temporale Il profilo temporale dell esecuzione dei programmi era quindi: I1 I2 I3 I4 E1 E2 E3 E4 O1 O2 O3 O4 In questo caso il troughput del sistema era di 55 job/h con un uso della CPU = 55/60 = 91% (v. tempi tipici) La CPU veniva utilizzata al meglio ma... Il tempo di turnaround era diventato estremamente elevato L utente doveva attendere la fine del batch per poter accedere ai risultati della propria elaborazione Nella maggioranza dei casi il tempo di turnaround si aggirava intorno alle 24 ore I II

23 Ulteriori problemi Un ulteriore elemento di criticità presente nei batch era costituito dal cambiamento delle applicazioni tipo Sino alla fine degli anni 50 il calcolatore era usato principalmente per computazioni di tipo scientifico che richiedevano quindi un uso intensivo della CPU (CPU bound) Dalla fine degli anni 50 il calcolatore incominci ad essere utilizzato in applicazioni commerciali, caratterizzate da un forte uso di I/O (I/O bound) I II

24 Profilo batch (2) I II

25 II Applicazioni tipicamente commerciali o molto interattive Nascono come risposta al problema di un miglior sfruttamento della CPU S.O. di riferimento: IBM OS/360 I II

26 Multiprogrammazione I multiprogrammati godono delle seguenti caratteristiche: Consentono la coesistenza contemporanea in memoria centrale di due o piú programmi Adottano meccanismi che consentono di svincolare l attività della CPU da quella delle periferiche di I/O Ottimizzano l uso della CPU I II

27 Memoria multiprogrammata I II

28 Multiprogrammazione Principio di funzionamento: Viene scelto un programma P 1 da eseguire, tra quelli presenti in memoria Quando P 1 richiede lo svolgimento di un operazione di I/O, la stessa viene demandata alla periferica, il programma P 1 viene momentaneamente sospeso, sarà ripreso successivamente La CPU procede nell esecuzione di un altro programma I II

29 Multiprogrammazione I II

30 Multiprogrammazione I II

31 Interrupt Per realizzare questa modalità diventano fondamentali i segnali di interrupt Interrupt È un segnale elettrico inviato da un dispositivo esterno al microprocessore, piú precisamente all interrupt controller L interrupt permette al processore di interrompere le attività in corso e di eseguirne altre I II

32 Multiprogrammazione Affinché lo schema funzioni, è necessario disporre di: Routine di gestione degli interrupt Moduli per la gestione dei programmi sospesi e di quelli pronti all esecuzione Moduli per la gestione delle periferiche piú processi possono richiedere l uso della stessa risorsa Moduli per la gestione della memoria Tutte queste funzionalità sono accorpate nel sistema operativo I II

33 Multiprogrammazione I II

34 Time sharing altamente interattivi Ogni utente lavora interattivamente e riceve periodicamente attenzione dal calcolatore L impressione che ne ottiene è di avere a disposizione un sistema dedicato Un sistema time-sharing non deve necessariamente essere multiprogrammato (in ogni time slice un solo programma utente è caricato in memoria) CTS5 Multics Unix I II

35 Confronto I II

36 Real time che devono garantire l esecuzione di certe operazioni entro limiti di tempo prefissato La nozione di real-time legata all ambito applicativo hard real-time i vincoli di tempo non possono essere violati pena gravi danni al sistema e all ambiente soft real-time il mancato rispetto dei vincoli di tempo porta ad un degrado delle prestazioni del sistema I II

37 piú facili da utilizzare Installabili da utenti poco esperti Utilizzabili da ogni classe di utente Nasce la nozione di sistema user-friendly Molta enfasi viene posta sulle interfacce utente, grazie soprattutto al lavoro della Xerox (e poi Apple) che introduce le interfacce a finestre I II

38 I principali di sono: UNIX molto diffuso su workstation nelle varie versioni: HP-UX, SOLARIS, AIX, ULTRIX in ambiente PC: Linux, FreeBSD, OpendBSD in ambiente Apple: MacOs X MS-DOS W95 WNT W2000 XP VISTA Nato per PC IBM e compatibili, che usavano il processore Intel 8088 Con WNT Microsoft ha iniziato ad operare sul mercato delle WKS I II

39 I di hanno dovuto fare i conti, per primi, con una nuova risorsa: la rete A partire dalla metà degli anni 70, lo sviluppo di protocolli per reti locali prima e per reti geografiche immediatamente dopo ha favorito lo sviluppo delle reti di calcolatori I II

40 Rete Per poter operare in una rete, un calcolatore deve essere predisposto del necessario HW: cavi e schede di rete SW: protocolli per la comunicazione con gli altri host collegati in rete. I protocolli piú diffusi: Ethernet TCP-UDP/IP I II

41 Il futuro Si assiste ad una continua evoluzione verso l usabilità del sistema, che richiede interfacce sempre piú intuitive Vi è una continua evoluzione di unità periferiche e di interconnessione (bluetooth, wi.fi, digital camera, biometric device) che il sistema operativo deve essere in grado di inglobare e gestire La complessità del s.o. cresce I II