un insieme di programmi

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1 Sistemi operativi

2 Sistemi operativi Un sistema operativo (SO) e un insieme di programmi che gestiscono le funzioni primarie dell hardware e in particolare I processori, le memorie e i dispositivi input/output

3 Tipi di software Software applicativo: programmi per svolgere compiti particolari, non gli stessi su diversi calcolatori Fogli elettronici Editori di testi Giochi... Software di sistema (di base): compiti comuni a tutti i calcolatori, definisce l ambiente nel quale si inseriscono gli applicativi Permettono all'utente di non interagire direttamente con le componenti hardware interne

4 Bootstrap: avvio del SO All accensione di un calcolatore vengono attivati programmi di diagnostica scritti nella ROM (Read Only Memory) che verificano l assenza di guasti Poi viene attivato il programma di bootstrap che e sempre memorizzato nella ROM Il bootstrap trasferisce una parte prestabilita della M di massa (disco rigido, CD o floppy) in M principale (kernel del SO) Poi l utente puo impartire comandi al SO attraverso l interfaccia utente (tastiera, mouse )

5 Bootstrap

6 Dopo il bootstrap l'utente può iniziare a impartire comandi al sistema operativo utilizzando l'interfaccia utente Il codice del comando deve essere in memoria principale (o caricato dalla m.s.) La sua esecuzione è attivata dalla CPU modificando il registro P della CPU (program counter)

7 Shutdown Quando il calcolatore viene spento una fase di shutdown si assicura che tutte le informazioni che temporaneamente il SO ha caricato su memoria volatile vengano memorizzate su memoria di massa prima che l energia venga tolta dalla macchina

8 Macchina virtuale Il SO mette a disposizione dell'utente una macchina virtuale Tanti processori virtuali uno per programma in esecuzione Memoria virtuale: ogni programma crede di avere tutta la memoria per se Periferiche virtualizzate

9 Struttura del SO Servizi richiesti dagli utenti al SO Interfaccia nucleo verso l esterno nucleo File system Gestore I/O Gestore processi Gestore memoria Gestore processori hardware

10 Struttura di un SO Elementi principali di un SO: Shell (interfaccia SO e utente) Kernel (insieme di programmi che realizzano le funzioni di base di un calcolatore)

11 Sistema operativo: shell Shell (guscio): interfaccia tra SO e utenti E il programma che permette agli utenti di comunicare con il sistema e di avviare I programmi Di solito grafica (GUI Graphical User Interface), ma anche testuale

12 Sistema operativo: kernel (1) Kernel (nucleo): programmi per le funzioni base del calcolatore da 100 Kilobyte a 100 Megabyte Kernel suddiviso in moduli Ogni modulo ha una funzione diversa Funzioni piu importanti: gestione processi gestione processori gestione memoria (principale e secondaria) gestione dispositivi di I/O

13 Sistema operativo: kernel (2) Funzioni piu importanti: gestione processi: controlla la sincronizzazione, l interruzione e la riattivazione dei programmi in esecuzione gestione processori: assegna il processore ai programmi che devono essere eseguiti (e gestisce la cooperazione tra varie CPU nel caso di piu calcolatori) gestione memoria (principale e secondaria): gestisce la collocazione dei dati e dei programmi nella RAM, la memorizzazione e il reperimento delle informazioni sulla memoria secondaria gestione dispositivi di I/O (gestisce l accesso e il controllo dei dispositivi periferici)

14 Gestione dei processi Un SO consente il caricamento in memoria e l'esecuzione di più programmi che si alternano nell'uso della CPU. Per far ciò un programma può essere eseguito, sospeso e fatto ripartire più volte.

15 Programmi e processi Programma: insieme statico di istruzioni Processo: entita che tiene traccia dello stato dell esecuzione di un programma Posizione nel programma Valori dei registri della CPU Valori delle celle di M assegnate al programma Anche piu processi per lo stesso programma Es.: due utenti che usano Word per scrivere due documenti diversi

16 Esempio Fare un dolce con una certa ricetta Ricetta = programma Noi = processore Ingredienti = dati in input Attivita di leggere la ricetta, usare gli ingredienti, mescolare, cuocere = processo Telefonata durante l esecuzione della ricetta = interrupt Il processo interrompe l esecuzione, prende nota del punto (riga della ricetta,...) e gestisce l evento (va al telefono e risponde) Alla fine della telefonata, l esecuzione riprende e viene conclusa Dolce = output

17 Processi e SO Un SO puo gestire simultaneamente piu programmi Ogni programma puo essere fermato e fatto ripartire piu volte Quindi ogni SO deve avere una struttura (detta processo) in grado di mostrare, istante per istante, lo stato di avanzamento di ciascun programma

18 Obiettivi della gestione dei processi Esecuzione e avvicendamento dei processi Sincronizzazione e comunicazione tra diversi processi Al fine di ottimizzare Condivisione delle risorse fisiche (CPU, memoria) Condivisione risorse logiche (dati) Modularita (piu processi che comunicando tra loro svolgono l intero compito) Incremento della velocita (suddivisione di un lavoro in sottolavori eseguiti parallelamente da piu processori)

19 Varie modalità per la gestione dei processi: Esecuzione di un programma per volta: monotasking Esecuzione di più programmi per volta: multi-tasking

20 Sistemi monotask Anni 40 e 50: SO gestisce un solo programma in esecuzione (job) alla volta monotasking Il computer a disposizione del programma dall inizio alla fine della sua esecuzione Elaborazione a lotti (bath) vengono raccolti un insieme di programmi da eseguire uno dopo l altro Coda dei job, gestita FIFO (first in, first out) e/o con priorita

21 Svantaggi dei sistemi monoprocessore e mono-tasking Nessuna interazione utente-programma (l utente puo solo interrompere o sospendere l esecuzione) Lentezza: la CPU non puo essere usata da nessun processo mentre il programma in esecuzione svolge operazioni di I/O (molto piu lente di letture/scritture in Memoria) DOS (Disk Operating System) e un SO monotasking: non si puo fare niente altro mentre si formatta un floppy o si memorizzano dati su disco

22 Sistemi multitasking SO che permettono l'esecuzione di più programmi contemporaneamente Attenzione: nei sistemi monoprocessore l'esecuzione contemporanea è puramente virtuale Tale obiettivo è stato ottenuto mediante la ripartizione del tempo (TIME- SHARING)

23 Time sharing (1) Ripartizione del tempo di CPU tra tutti i processi che la vogliono utilizzare Viene realizzato mettendo I processi in coda Quando un job e all inizio della coda rimane in esecuzione solo per un quanto di tempo (TIME SLICE), poi l esecuzione passa al prossimo job e il primo va in attesa Esecuzione globale piu veloce

24 Time sharing (2) Durata del quanto di tempo: tra 100 e 200 millisecondi granularita molto fine A ciascun utente sembra di avere la CPU tutta per lui, solo leggermente piu lenta Time sharing in sistemi mono-processore: multi-tasking (piu programmi in esecuzione con una sola CPU)

25 Time-sharing (condivisione di tempo)

26 Gestione della coda Un processo in esecuzione puo essere interrotto per vari motivi: Quanto esaurito Esecuzione completata Subentra un processo con maggiore priorita Ha fatto una richiesta di un operazione di I/O entra nella lista dei processi bloccati modifica del program counter al vettore di interrupt (diverso per ogni evento) Politica di scelta del successivo processo da eseguire: FIFO: First in First out SJF: Shortest Job First Deadline (si esegue prima il processo con la scadenza piu vicina) SRT: Shortest Remaining Time

27 Transizioni tra stati di un processo In esecuzione schedulazione pronti fine tempo, evento esterno richiesta di I/O In attesa conclusione I/O Coda ordinata in attesa della CPU Insieme in attesa di eventi

28 Riassumendo... I processi sono messi in una coda dei pronti Il processo in cima alla coda ha a disposizione la CPU per un quanto di tempo, fissato e uguale per tutti Quando il tempo finisce, viene interrotto e messo in fondo alla coda Se richiede un operazione di I/O, va nel gruppo dei processi in attesa, quando l operazione finisce viene rimesso in coda per la CPU La CPU va al primo in coda (o altre strategie) Durante la vita di un processo, vari stati: In esecuzione: quando usa la CPU (solo un processo alla volta) Pronto: quando aspetta la CPU Bloccato: in attesa di un evento (es.: fine di op. di I/O)

29 Chi si occupa delle fasi di transizione??? INTERRUPT: segnali hardware che provocano la modifica del registro P e l'esecuzione di un particolare programma (vettore di interrupt) che serve a gestire l'evento associato all'interruzione SCHEDULER: ha il compito di gestire la coda dei processi pronti e l'avvicendarsi dei processi

30 Gestione dei processi: Scheduler (1) Tiene traccia di tutti i processi A ogni processo e associata una Tabella (detta tabella di processo) in M Principale Identificativo Indirizzo prossima istruzione Contenuto registri CPU Stato corrente (Esecuzione, Bloccato, Pronto) Informazioni per gestire la M (collocazione in M centrale di dati e programmi) Priorita I/O (richieste inoltrate, dispositivi allocati al processo) Accounting (ammontare di CPU time gia speso)

31 Gestione dei processi: Scheduler (2) Usando questa tabella si possono compiere le seguenti operazioni Creazione (un processo puo crearne altri) Cambio di priorita Blocco Assegnamento della CPU Terminazione

32 Attesa Se il processo richiede operazioni ad altri dispositivi (es. Operazioni di I/O), la CPU rimarrebbe inutilizzata lo scheduler mette il processo in stato di attesa, e il dispatcher (modulo che implementa le decisioni prese dallo scheduler) sceglie un nuovo processo tra i pronti dalla tabella Quando l operazione sara finita, lo scheduler dichiarera di nuovo pronto il processo

33 Gestione dei processori La gestione dei processori riguarda i criteri in base ai quali i processori vengono assegnati ai vari processi Abbiamo già visto lo scheduler (ditribuisce il tempo della cpu tra i vari processi) e il dispacher (copia in memoria i registri del processo in esecuzione, copia i registri del processo cui assegnare la CPU, salta alla locazione da cui il nuovo programma deve partire o ripartire. Lo scheduler compie le proprie scelte cercando di ottimizzare vari criteri: max uso della CPU, max numero di elaborazioni,...

34 Parametri di valutazione della gestione dei processori Tasso di uso CPU (deve essere massimo) Throughput (n. di processi completati per unita di tempo) Elapsed time (tempo tra la sottomissione di un processo e il suo completamento) Tempo di attesa (tempo passato in attesa nella coda dei processi pronti)

35 Gestione dei processi: Per gestire la coda ci sono diversi algoritmi: FIFO SJF (shortest job first) Deadline (scadenza) SRT (shortest remaining time)

36 Sistemi multiprocessore Reti di calcolatori: vari calcolatori che si scambiano dati Es.: Internet Una rete e un sistema multiprocessore con una CPU su ogni calcolatore Anche singoli calcolatori con piu CPU Non solo coordinamento delle attivita di ogni processore, ma anche bilanciamento del carico: distribuzione dinamica ed efficiente dei task ai vari processori Scalabilita : suddivisione dei task in sotto-task compatibile con il numero dei processori

37 Modello client-server Macchine di classi diverse collegate in rete Parti di interfaccia grafica sui PC (CLIENT) Gestione dati ed esecuzione programmi ai sistemi di classe superiore (SERVER) Applicazioni divise in due moduli: frontend (client) e back-end (server) Vantaggi/Svantaggi

38 Gestione della memoria principale Coordina l uso della memoria principale Riguarda le decisioni da prendere per allocare memoria tra piu entita che ne richiedono l utilizzo Un solo programma alla volta semplice: il programma viene caricato in M, eseguito, terminato prima del prossimo programma Piu programmi contemporaneamente piu programmi e dati in M tenere traccia dello spazio libero o liberatosi dinamicamente

39 Memoria reale Nessun problema se un programma per volta (tecnica di overlay) Se più task si partiziona la memoria: Partizioni fisse Partizioni variabili (un programma occupa il minimo spazio possibile per essere eseguito) Attenzione: problema della frammentazione della memoria

40 Memoria virtuale Quando lo spazio richiesto e maggiore di quello fisico Sposta programmi e dati tra memoria principale e memoria di massa per avere in ogni momento quello che serve Solo le parti necessarie per iniziare sono caricate in M, le altre sono in M di massa La memoria virtuale e una tecnica per Svincolare il codice di un programma dalla sua collocazione in memoria Funzionare come se si avesse piu memoria di quella reale

41 Gestore della memoria secondaria Il gestore della memoria di massa e' denominato file system. Si occupa di: identificare i file, associando a un nome lo spazio fisico sulle memorie di massa Fornire programmi per accedere e gestire i file Rendere trasparente (cioe nascondere) la struttura fisica della memoria di massa (dell'hard disk) Ottimizzare l occupazione dello spazio sulla memoria di massa (dell'hard disk)

42 Gestore della memoria secondaria I byte che compongono I file possono essere organizzati in vari modi: Byte stream (sequenza di byte) Sequenziale (sequenza di record a lunghezza fissa o variabile) Diretto (sequenza di record a lunghezza fissa) A indice (sequenza di record ordinati logicamente secondo un indice)

43 Gestore della memoria secondaria Il gestore della memoria di massa e' denominato file system. Si occupa di: identificare i file, associando a un nome lo spazio fisico sulle memorie di massa Fornire programmi per accedere e gestire i file Rendere trasparente (cioe nascondere) la struttura fisica della memoria di massa (dell'hard disk) Ottimizzare l occupazione dello spazio sulla memoria di massa (dell'hard disk)

44 File (1) Il file e' l unità logica di informazione di un file system Fisicamente: e' una sequenza di byte che contiene informazioni tipicamente "omogenee" Es.: programma, testo, immagine, Tutti i dati del file system sono organizzati in file I file sono memorizzati nelle memorie di massa, tipicamente l'hard disk

45 File (2) Per ogni file vengono memorizzate varie ulteriori informazioni identificatore: nomefile.estensione data di creazione e ultima modifica dimensione posizione effettiva dei dati nella memoria di massa diritti di accesso etc

46 Estensioni dei file.exe : programma eseguibile.txt : file di testo.doc : file di Microsoft Word.xls : file di Microsoft Excel.jpg,.gif : file di immagini.wav,.mp3 : file di suoni.mpg,.avi : file di filmati.c,.cpp,.java : file di programmi C, C++, Java

47 Organizzazione dei file I file sono organizzati logicamente in modo gerarchico E' una organizzazione logica che non e' in relazione con la loro organizzazione fisica, cioe' la loro posizione fisica nella memoria di massa Directory: e' un insieme di file e altre directory

48 Organizzazione ad albero I dischi fissi possono essere divisi in partizioni Una partizione e' organizzata gerarchicamente come un albero rovesciato (come quello genealogico) Nodi e collegamenti padre-figlio tra nodi Nodo dell'albero: file o directory Nodi divisi per livelli Collegamenti tra nodi di livelli vicini: nodo sopra = padre, nodo sotto = figlio Ogni nodo ha un solo padre Padre più in alto = radice I nodi che sono file non hanno figli Cammino assoluto o relativo (per file) directory file

49 Indirizzo (o percorso) dei file in Windows partizione Z Z: A a Z:\a b B c C Z:\A\c d e D E Z:\A\C\D\f F f g h Z:\A\C\E\h

50 Indirizzo (o percorso) dei file in Unix/Linux / A a /a b B c C /A/c d e D E /A/C/D/f F f g h /A/C/E/h

51 Operazioni su file Creazione Apertura Chiusura Cancellazione Copia Rinomina Visualizzazione Lettura Scrittura Modifica

52 Gestione dell input/output Gestione delle periferiche attraverso i driver Rende trasparenti le caratteristiche fisiche delle periferiche Gestisce la comunicazione di segnali verso di loro Coordina l accesso di piu utenti (processi) Spooling: processo che serve a svincolare la stampa di uno o piu file dal resto dell elaborazione La stampante e piu lenta dell esecuzione del processo Si copia il file nella memoria di massa e si crea il processo di spooling che ne gestisce la stampa in modo svincolato dal processo che ha invocato la stampa Print server: se lo spooling avviene in remoto

53 Struttura del SO Servizi richiesti dagli utenti al SO Interfaccia nucleo verso l esterno nucleo File system Gestore I/O Gestore processi Gestore memoria Gestore processori hardware

54 Suddivisione del software

55 Esempi di SO: MS - DOS Sviluppato dalla Microsoft nel 1981 per il PC IBM Adottato da altri con PC IBM-compatibili Molto limitato: mono-utente, mono-tasking Circa 50 comandi per il SO

56 Comandi piu usati in MS - DOS DIR per vedere il contenuto di una directory COPY per copiare file DEL per cancellare un file REN per cambiare il nome a un file CD per muoversi in un altra directory MD per creare nuove directory RD per cancellare directory Nome file: per eseguire il file (se eseguibile)

57 File in MS - DOS Per individuare un file: cammino assoluto Un file system per ogni disco anche nome del disco Esempio: C:\Dir1\Dir2\Dir3\file.txt Estensioni per file:.exe per programma eseguibile.txt per file di testo.sys per file di sistema.c per programma in C.doc per documento Word

58 Unix SO multi-utente, multi-tasking, con timesharing Concepito per poter funzionare su diverse piattaforme hardware Interprete dei comandi: shell Piu di 300 comandi, con opzioni Comando man per aiuto Forma di un comando: nome-comando [[-opzioni] argomenti]

59 Comandi Unix ls per vedere il contenuto di una directory cp per copiare file rm per cancellare file mv per spostare file cd per spostarsi in un altra directory mkdir per creare una nuova directory ps per vedere tutti i processi attivi lp per stampare file who per vedere tutti gli utenti collegati

60 File in Unix Unico albero anche se ci sono piu dischi non serve indicare il disco per denotare un file Nei cammini non appare il nome del disco Radice: simbolo / Esempio: /dir1/dir2/dir3/file.txt

61 Windows Nato nel 1987, ispirato al Macintosh All inizio era un interfaccia grafica per DOS Windows 95: SO mono-utente, multi-tasking, time-sharing DOS emulato in speciali finestre (per seguire vecchi applicativi per DOS) Pensato per una stazione di lavoro (il PC) che puo essere un client in una rete

62 Filosofia Windows -- 1 Interfaccia grafica Mouse che sposta un cursore Cut & paste (copia e incolla) Drag & drop (trascina e lascia) Icone associate a file, directory, dischi, Directory come cartelle Pulsanti Finestre: cornici con strumenti Menu di comandi

63 Filosofia Windows -- 2 L utente non deve ricordarsi i nomi dei comandi, basta che selezioni col mouse: un oggetto e il comando da applicare all oggetto File system (cioe l albero): visualizzato come cartelle che contengono icone di file o di altre cartelle Cliccando su una cartella, si apre quella directory Icona del file: diversa a seconda del tipo di file

64 Word processor (editori di testi) Si sono diffusi assieme ai PC negli anni 70 All inizio, aspetto non importante: stampanti con pochi opzioni di caratteri Con l avvento degli schermi grafici, ora su tutti i PC, tantissimi tipi e grandezze di caratteri Documento appare come sara stampato I word processor di questo tipo sono detti WYSIWYG (what you see is what you get) Testo e grafici nello stesso documento

65 Esempio: Word Il piu usato tra i word processor wysiwyg Microsoft Finestra in cui viene visualizzato il documento Cursore (barra verticale) indica il punto in cui si sta scrivendo Mouse per spostare il cursore Barra degli strumenti (parte alta della finestra) offre delle operazioni su porzioni di testo Menu che contengono operazioni correlate

66 Cose da sapere sistemi operativi A cosa serve il sistema operativo? Che differenza c e tra il software di base (o di sistema) e il software applicativo? A cosa servono le fasi di bootstrap e shutdown? Quali sono i moduli principali di un sistema operativo?

67 Cose da sapere -- processi Cos e un processo? Che differenza c e tra un processo e un programma? Cosa si intende per ambiente mono-tasking? Qual e il principale svantaggio di un ambiente mono-tasking? Cosa si intende per ambiente multi-tasking? Cosa si intende per time-sharing?

68 Cose da sapere -- processi In quali stati puo essere un processo durante la sua vita? Quando passa da uno stato ad un altro? Cosa sono le interruzioni? A che servono? Come vengono gestite le interruzioni?

69 Cose da sapere processori e memoria A cosa servono gli algoritmi di schedulazione? Quali sono i modi piu usati per gestire la coda dei processi pronti? Quali sono i criteri piu importanti per valutare un algoritmo di schedulazione? Cosa si intende per memoria reale e memoria virtuale? A cosa serve la gestione della memoria secondaria?

70 Cose da sapere file system Cos e un file? Cos e una directory? Quali sono i modi principali di organizzare un file? Descrivi l organizzazione gerarchica dei file sulla memoria secondaria Quali sono le differenze fondamentali tra I sistemi operativi DOS, Unix e Windows?

71 Domande su SO A cosa serve un SO Differenza tra programma e processo Passi eseguiti per una interruzione Stati in cui si puo trovare un processo Passaggi da uno stato ad un altro Moduli del kernel del SO La shell del SO