CAPITOLO 1 I SISTEMI OPERATIVI

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2 CAPITOLO 1 I SISTEMI OPERATIVI Introduzione ai sistemi operativi pag. 3 La shell pag. 3 Tipi di sistemi operativi pag. 4 I servizi del sistema operativo pag. 4 La gestione dei file e il file system Il sistema operativo come ambiente di esecuzione Meccanismi e sistemi di protezione pag. 6 Protezione dei file Il concetto di modello concorrente pag. 7 Il sistema operativo come ambiente di sviluppo dei programmi pag. 8 Architettura dei sistemi operativi pag. 8 Modello monolitico Modello a microkernel CAPITOLO 2 INTRODUZIONE A WINDOWS E LINUX Windows Caratteristiche del sistema operativo pag. Windows I file system pag. I file system FAT, VFAT e FAT32 Il file system NTFS Windows Vista La funzionalità Shadow copy Windows Modifica delle variabili d ambiente Windows Struttura delle cartelle pag. Windows XP Documents and settings 1

3 Windows Vista Users Windows Organizzazione pag. Linux Caratteristiche del sistema operativo pag. Linux I file system pag. Il file system ext2-ext3 Linux Struttura delle directory pag. Linux Organizzazione pag. Linux Struttura dell interfaccia grafica X Window Gestori di finestre L ambiente desktop Avvio dell interfaccia grafica Finestre di terminale Esecuzione di applicazioni Windows su Linux 2

4 CAPITOLO 1 I SISTEMI OPERATIVI Introduzione ai sistemi operativi L hardware per poter essere utilizzato ha bisogno di software. Il sistema operativo è il primo software che l utente utilizza quando accende il computer; è il software che definisce il modo in cui può essere utilizzato il computer e che permette l esecuzione dei programmi applicativi e lo sviluppo di nuovi programmi. Il sistema operativo gestisce le risorse hardware e software del computer in modo che ogni programma possa utilizzare le risorse di cui ha bisogno. Inoltre, offre ai programmi un interfaccia comune verso l hardware in modo che i programmi non debbano preoccuparsi di tutti i dettagli e le caratteristiche di ogni componente e che possano funzionare senza modifiche su hardware diversi. La combinazione di hardware e sistema operativo costituisce la cosiddetta macchina estesa o macchina astratta; la macchina estesa stabilisce il modo in cui il computer può essere effettivamente utilizzato. I sistemi operativi sono distribuiti su CD-ROM e per essere utilizzati devono essere installati sul disco rigido dal supporto di distribuzione. Durante l istallazione, o successivamente, si può configurare il sistema in base all hardware presente, ai programmi e alle proprie necessità. Ogni volta che si accende il computer il sistema operativo viene caricato nella memoria RAM con l operazione di bootstrap o boot. Una volta avviato, il sistema operativo attende le richieste dell utente. L utente interagisce con il sistema operativo, per richiederne servizi, attraverso una interfaccia o shell. Il sistema operativo vero e proprio è formato dal nucleo, o kernel, che gestisce le funzioni fondamentali e da vari moduli che si occupano della gestione delle risorse. La shell L interfaccia utente o shell è la parte del sistema che permette, all utente, di utilizzare il computer. Attraverso la shell è possibile gestire dischi, directory, file e richiedere l esecuzione di programmi di utilità del sistema o di programmi utente, che vengono eseguiti sotto il controllo del sistema operativo. Il tipo di shell definisce la modalità di interazione dell utente col sistema: a linea di comando o grafica. Questi due tipi possono essere disponibili contemporaneamente in modo da poter sfruttare i vantaggi di entrambe. 3

5 L interfaccia grafica (GUI Graphics User Interface) è molto semplice da usare anche per utenti non esperti. L interfaccia a linea di comando presenta una riga evidenziata da un prompt in cui si devono digitare i comandi del linguaggio di controllo del sistema. L uso del linguaggio di controllo a comandi è molto tecnico e richiede una conoscenza approfondita; in questo modo si ha un maggior controllo del sistema e si possono anche creare vere e proprie procedure, o script, per eseguire automaticamente sequenze di comandi. In ogni caso l uso del sistema è facilitato se sono disponibili funzioni di help in linea. Tipi di sistemi operativi I tipi principali di sistemi operativi sono: single user, single task o in uniprogrammazione: sono sistemi operativi che permettono di eseguire un solo programma alla volta; quindi un singolo utente può usare il computer e può richiedere l esecuzione di una sola applicazione per volta, non può fare altro finché l applicazione richiesta non termina. multitasking (single user, multitasking) o in multiprogrammazione: sono sistemi operativi che permettono ad un solo utente di usare il computer; l utente però può avviare più applicazioni contemporaneamente. multiuser o multiutente: sono sistemi operativi che permettono a più utenti di usare lo stesso computer contemporaneamente; al computer sono collegati più terminali, in modo che ogni utente possa usare il computer dal proprio terminale; tutti gli utenti usano la stessa unità centrale e le stesse risorse, cioè lo stesso processore, la stessa memoria e le stesse periferiche; il sistema operativo deve gestire l assegnazione delle risorse ai vari utenti in modo che ognuno abbia l impressione di essere il solo ad usare il computer. Alcuni sistemi operativi permettono al computer di simulare un hardware diverso da quello presente, o addirittura un sistema operativo diverso; ogni utente o processo può quindi usare un computer virtuale, simulato attraverso le risorse del computer reale, detto macchina virtuale. I sevizi del sistema operativo L utente interagisce col sistema operativo per richiedere l esecuzione dei servizi che il sistema operativo offre. I servizi principali che vengono utilizzati sono i servizi relativi alla gestione dei file su disco e all esecuzione dei programmi. La gestione dei file permette di memorizzare su disco programmi e dati e di riutilizzarli successivamente. Questa è una delle prime cose che l utente deve conoscere per utilizzare anche solo minimamente il sistema. La gestione dei file può essere utilizzata anche in modo indiretto attraverso comandi di salvataggio o di apertura di file. 4

6 La gestione dei file e il file system I file sono risorse astratte per conservare informazioni in modo permanente su memoria di massa, in genere il disco. Un file può contenere informazioni di vario tipo; ci possono essere: file di programmi che contengono programmi sorgente, oggetto o eseguibili; file di dati, identificati da un estensione che indica il tipo; file speciali come file di sistema o file usati come astrazioni di dispositivi; file directory che descrivono altri file. Il modulo del sistema operativo che si occupa della gestione dei file è il file system. Le cose principali da sapere per usare un file system sono: il modo di fare riferimento ai file e directory; i comandi per lavorare su file e directory; le modalità di protezione dei file. IDENTIFICAZIONE DEI FILE I file sono identificati da un nome simbolico. In alcuni casi i nomi sono costruiti secondo regole che inducono una classificazione per contenuto; la tecnica più comune è quella delle estensioni. In alcuni sistemi operativi le estensioni non servono o possono servire per determinati programmi che le richiedono. LE DIRECTORY I file sono organizzati in directory. Nel disco è sempre presente almeno una directory, la directory radice, che viene creata quando il disco viene formato ed è identificata dal simbolo \ in Windows e dal simbolo / in Linux. È possibile all interno della directory radice creare delle sottodirectory, ognuna delle quali può contenere altre directory. La sottodirectory in cui si è posizionati costituisce la directory corrente che viene indicata col simbolo., mentre la directory genitore della directory corrente viene indicata col simbolo... IL PATHNAME Un file può essere specificato con due modalità diverse: attraverso il nome globale (absolute pathname) formato dalla concatenazione della directory radice, di tutte le sottodirectory che permettono di arrivare a quella contenete il file, e dal nome del file. I NOMI GLOBALI SONO UNICI. attraverso il nome locale (relative pathname). Il nome locale è quello che il file ha all interno di una directory dichiarata come corrente. Il file potrebbe anche essere in una sottodirectory della directory corrente, in questo caso viene usata la sequenza di nomi che collegano nell albero la directory corrente con il file; la directory corrente viene considerata come radice del sottoalbero individuato. COMANDI PER LAVORARE SU FILE E DIRECTORY Il file system deve fornire comandi per lavorare sui file e le directory. 5

7 I comandi principali permettono di: creare e cancellare directory e file; esaminare il contenuto directory e file; spostare o copiare directory e file. Il sistema operativo come ambiente di esecuzione L esecuzione di un programma viene chiamata processo; il programma costituisce la descrizione delle istruzioni da eseguire mentre il processo è la sequenza di azioni compiute durante l esecuzione. Ogni processo richiede alcune risorse del computer; è compito del sistema operativo controllare che ogni processo possa utilizzare le risorse necessarie e non disturbi l esecuzione di altri processi. Il sistema operativo quindi si preoccupa di assegnare la memoria, le periferiche e il processore stesso ai vari processi e di proteggere le risorse usate da un processo dall accesso più o meno intenzionale di altri processi. MECCANISMI E SISTEMI DI PROTEZIONE È importante che ci siano dei meccanismi di protezione per impedire che un processo possa, intenzionalmente o per errore, causare problemi agli altri processi. Questi meccanismi in genere sono offerti dall hardware. Il processore in genere può operare in almeno due stati (dual mode): stato supervisore o kernel e stato utente. Il sistema è in stato supervisore quando viene eseguito il codice del sistema operativo o quando un programma utente esegue una routine del sistema operativo, è in stato utente quando viene eseguito il codice del programma utente. In stato supervisore è possibile eseguire qualsiasi istruzione e accedere a qualsiasi area di memoria. In stato utente il processo può accedere solo alla propria area di memoria e non può eseguire certe operazioni se non chiedendo l intervento del sistema operativo con una interruzione di tipo supervisor call. Quando il computer è usato da più utenti, per garantire la sicurezza è fondamentale che il sistema operativo offra un sistema di protezione per identificare gli utenti che accedono al sistema e per definire le operazioni che ciascuno può effettuare. Se è presente un sistema di protezione ad ogni risorsa si può associare una lista di accesso in cui viene specificato quali operazioni può compiere sulla risorsa ciascun processo. Un utente, chiamato di solito amministratore di sistema o superutente, gestisce il computer e gli altri utenti. L amministratore del sistema deve definire gli account che possono essere utilizzati per accedere al computer e stabilire quali attività possono svolgere gli utenti collegati con questi account e a quali risorse possono accedere. Le operazioni che un utente può fare dipendono dall account con cui si collega e dai diritti che gli sono stati concessi dall amministratore di sistema. Naturalmente per proteggere l accesso alle risorse da utenti o processi non autorizzati è fondamentale che gli account e soprattutto la password di accesso siano noti solo a chi di dovere. 6

8 Per controllare se vengono effettivamente eseguite solo le operazioni autorizzate o se ci sono dei tentativi di violare le autorizzazioni, il sistema può offrire dei meccanismi di auditing che prevedono la registrazione in file di log delle operazioni eseguite da ogni utente, dagli accessi effettuati alle risorse, dei tentativi di violazione, ecc. Protezione dei file La protezione dei file si realizza indicando quali sono le modalità di accesso consentite per ciascun utente. Il controllo sull accesso viene effettuato dal sistema dal file system quando viene richiesta un operazione sul file. Il modo più semplice di gestire la sicurezza consiste nell associare ad ogni file una modalità di accesso, valida per qualunque utente. Un modo più sofisticato consiste nel poter stabilire per ogni file chi e come può accedere. Ogni file ha un proprietario che stabilisce i permessi di accesso al file. Il proprietario, in genere, è il creatore del file e colui che assegna i permessi di accesso agli altri utenti. I permessi di accesso vengono assegnati anche alle directory e indicano le operazioni permesse sulla directory. IL CONCETTO DI MODELLO CONCORRENTE Fondamentale per la comprensione del funzionamento dei sistemi operativi è la comprensione del modello concorrente, cioè dei meccanismi che possono essere usati per regolare l esecuzione contemporanea di più processi, e per scambiare informazioni tra essi. Il modello concorrente regola la coesistenza di diversi processi, cioè l esecuzione concorrente. Per esecuzione concorrente si intende l esecuzione di due azioni parallele, cioè tali che una delle due può avere inizio prima del termine dell altra. Se il sistema è multiprocessore due azioni parallele possono essere eseguite ciascuna su un processore e quindi possono effettivamente essere parallele (parallelismo reale); se c è un unico processore le azioni possono avanzare solo in modo alternato nel tempo (interleaving); in questo caso si parla di quasi parallelismo. I processi eseguiti in parallelismo hanno delle interazioni tra di loro. I processi, infatti, interferiscono tra di loro per l utilizzo delle risorse o cooperano quando lavorano insieme per ottenere uno scopo comune, comunicandosi delle informazioni. I sistemi operativi sono programmi concorrenti, costituiti da moduli che cooperano tra loro per la gestione di processi utente che avanzano parallelamente, interferendo tra loro per l uso delle risorse. Il sistema operativo deve gestire le risorse che vanno condivise tra i processi, garantendo che le risorse siano assegnate in mutua esclusione, cioè un processo per volta. Per la creazione di processi cooperanti sono richiesti meccanismi di interazione tra i processi, che costituiscono il modello concorrente. I paradigmi di interazione disponibili sono la condivisione di dati, la sincronizzazione e la comunicazione. 7

9 La condivisione dei dati permette ai processi di scambiarsi informazioni attraverso dati comuni; l accesso ai dati comuni deve essere disciplinato mediante la mutua esclusione, cioè un solo processo per volta può accedere ai dati comuni. La sincronizzazione consiste nello scambio di informazioni puramente temporali, in modo da stabilire delle relazioni di precedenza tra le azioni svolte da processi diversi. La sincronizzazione avviene attraverso istruzioni che impongono al processo di restare in attesa finché non si è verificata una condizione. La comunicazione permette ai processi di scambiarsi informazioni senza condividere dati, mandandosi dei messaggi. Conoscere il modello corrente permette di capire il funzionamento del sistema operativo e inoltre permette di imparare i meccanismi della programmazione concorrente, cioè i metodi che possono essere usati per creare programmi cooperanti. IL SISTEMA OPERATIVO COME AMBIENTE DI SVILUPPO DEI PROGRAMMI Il sistema operativo è anche l ambiente dove vengono sviluppati nuovi programmi. Il sistema operativo offre i programmi di utilità che aiutano il programmatore nella sua attività di sviluppo. I programmi di utilità comprendono gli editor per la scrittura di programmi, compilatori e interpreti, linker e loader. Per facilitare il lavoro dello sviluppatore inoltre il sistema operativo rende disponibile un insieme di primitive (API Application Program Interface) che possono essere richiamate dalle applicazioni per utilizzare funzioni del sistema operativo senza dover conoscere tutti i dettagli delle operazioni. RIASSUMENDO: I COMPITI DEL SISTEMA OPERATIVO I compiti del sistema operativo si possono riassumere in: accettare le richieste degli utenti; eseguire i processi, gestendo le interazioni tra di essi e assegnando loro il processore e le altre risorse di cui hanno bisogno; permettere lo sviluppo di nuovi programmi. Delle richieste degli utenti si occupa la shell, l interfaccia con l utente. La parte principale del compito di gestione dell esecuzione dei processi è svolto dal nucleo del sistema operativo o karnel. Per lo sviluppo di nuovi programmi il sistema operativo può mettere a disposizione vari programmi di utilità come editor, compilatori, linker, ecc. ARCHITETTURA DEI SISTEMI OPERATIVI Il nucleo realizza almeno i meccanismi del modello concorrente e le funzioni di gestione del processore; comprende anche i dati necessari a descrivere i processi che sono in esecuzione sul sistema. 8

10 Per la funzioni di gestione delle risorse diverse dal processore sono possibili diverse soluzioni da cui dipende l organizzazione del sistema operativo: modello monolitico: le funzioni di gestione delle risorse sono realizzate nel nucleo e l intero sistema operativo tende a identificarsi col nucleo; modello a microkernel: le funzioni di gestione delle risorse sono svolte da processi separati e il nucleo si limita a realizzare le funzioni essenziali riguardanti i processi. MODELLO MONOLITICO Nel modello monolitico il nucleo comprende i dati che descrivono i processi, le procedure che realizzano i meccanismi per la concorrenza, ma anche i dati e le procedure per la gestione delle risorse. Le procedure per la gestione delle risorse costituiscono un insieme di operazioni primitive e sono invocate dai processi. Le primitive sono dette anche system call o chiamate di sistema. Mediante una system call il processo richiede al sistema operativo l esecuzione di un servizio (in modo kernel). Il sistema operativo è costituito da un unico modulo contenente un insieme di procedure, che realizzano le varie componenti: l interazione tra le diverse componenti avviene mediante il meccanismo di chiamata a procedura. Nel nucleo viene realizzata una struttura gerarchica che comprende: un interfaccia che riconosce le chiamate di sistema e invoca le corrispondenti procedure; un insieme di procedure per la gestione delle risorse, corrispondenti alle chiamate del sistema; altre procedure di servizio, invocate da quelle per la gestione delle risorse, tra cui quelle che realizzano i meccanismi del modello concorrente. Il livello più basso della gerarchia, quello che realizza i meccanismi del modello concorrente, è il solo che interagisce con la macchina fisica e non è visibile ai processi. I processi possono interagire col nucleo solo attraverso le chiamate di sistema del livello superiore. Il principale vantaggio dei sistemi monolitici è il basso costo di interazione tra le componenti; il sistema risulta però molto complesso. Risulta più conveniente avere una organizzazione modulare, per esempio a livelli. MODELLO STRATIFICATO (A LIVELLI) Nel modello stratificato il sistema operativo è costituito da livelli sovrapposti, ognuno dei quali utilizza le funzionalità offerte dal livello sottostante, per realizzare altre funzionalità che vengono offerte al livello superiore. Un sistema di questo tipo ha una struttura modulare: le varie componenti del sistema operativo vengono organizzate in moduli caratterizzati da interfacce ben definite. Ogni livello fornisce ai livelli superiori una visione astratta del sistema (macchina virtuale), di cui non è necessario conoscere la realizzazione ma solo l interfaccia. Svantaggi del modello stratificato sono la difficoltà di realizzazione, dato che non sempre è possibile rispettare l organizzazione gerarchica tra le componenti e la scarsa efficienza per l alto numero di chiamate, nell attraversamento dei livelli, il numero di livelli deve essere quindi limitato. 9

11 MODELLO A MICROKERNEL Nel modello a microkernel il nucleo si occupa soltanto della gestione dei processi e della realizzazione dei meccanismi del modello concorrente. Le funzioni di gestione delle risorse sono svolte da processi separati. Si ha la separazione delle politiche dei meccanismi: i meccanismi sono quelli del modello concorrente realizzati dal nucleo, le politiche sono i metodi di gestione delle risorse realizzate dagli appositi processi; si possono quindi modificare le politiche di gestione senza intervenire sui meccanismi. I sistemi a microkernel sono più facili da mantenere perché ogni processo svolgere un singolo tipo di operazione, però hanno prestazioni peggiori perché ci sono task switch per ogni processo. Il modello a microkernel si suddivide ulteriormente nel modello orientato alle procedure e nel modello client/server. MODELLO ORIENTATO ALLE PROCEDURE Nel modello orientato alle procedure le funzioni di gestione delle risorse sono realizzate con procedure eseguite da ciascun processo nel proprio ambiente. Dato che le procedure che realizzano le politiche di gestione delle risorse sono eseguite nell ambiente dei processi, le funzioni di gestione delle risorse sono distribuite tra i processi stessi. I processi devono condividere le strutture di dati che rappresentano le risorse. Nel modello orientato alle procedure il modello concorrente deve consentire la condivisione dei dati; si parla anche di modello con ambiente globale. MODELLO CLIENT/SERVER Nel modello client/server le funzioni di gestione delle risorse sono svolte da processi server. Il processo server riceve le richieste da parte degli altri processi (client) ed esegue per conto loro le funzioni di gestione. Per richiedere e rilasciare le risorse i processi client comunicano con il server individuando e ricevendo messaggi. Nel modello client/server il modello concorrente non consente la condivisione dei dati; il paradigma di interazione è la comunicazione; si parla anche di modello con ambiente locale: gli spazi dei processi sono completamente separati e inaccessibili dagli altri processi. 10

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