PROGRAMMI UTENTE SISTEMA OPERATIVO FIRMWARE HARDWARE

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1 S4Abacus Sistemi Operativi 01-Sistema Operativo.doc.doc - 1 / 5 SISTEMI OPERATIVI DEFINIZIONI Il concetto di Sistema Operativo (OS, Operating System, d ora in avanti SO) è notevolmente vasto; non è possibile offrire una unica definizione della sua sostanza funzionale sopratutto perchè si tratta di una classe di applicazioni per calcolatori che ha seguito passo a passo il veloce sviluppo tecnologico delle materie informatiche ed elettroniche. E' sicuramente più efficace descrivere e definire il concetto di sistema operativo attraverso le fasi di sviluppo dell'hardware che sottostà a qualsiasi applicazione informatica. Inoltre questa veloce e repentina trasformazione delle piattaforme hardware è resa più vaga e indeterminabile dalle pesanti influenze di mercato che hanno determinato sviluppi spesso poco chiari e lineari, ma che hanno frequentemente modificato alcuni assunti validi solo poco tempo prima. A tutto ciò si deve aggiungere una situazione tipicamente correlata allo sviluppo commerciale dei prodotti, ambito del quale fanno parte i SO; ogni azienda produttrice di piattaforme hardware o produttrice di programmi applicativi comunque interessate a distribuire il proprio prodotto ha creato spesso un sistema operativo proprio, spesso non trasportabile su altre macchine. Tutto ciò per tutelare e garantire la vendita delle proprie piattaforme hardware o software, ma di fatto impedendo sia la standardizzazione sia la diffusione di modelli operativi condivisibili. I sistemi operativi nati sotto queste ipotesi progettuali sono detti comunemente sistemi proprietari e nel tempo hanno rappresentato un serio problema alla diffusione di standard operativi. In opposizione ai sistemi operativi proprietari si collocano i sistemi aperti, cioè quei sistemi operativi per cui la casa produttrice distribuisce documentazione (nel complesso denominata API ovvero Applications Program Interface) atta a favorire la scrittura di applicativi sw da parte di terze parti (la prima parte è il costruttore dell hardware, la seconda parte è il costruttore del sistema operativo) e, di fatto, base essenziale per uno sviluppo orizzontale del mercato del sw. Un ultima evoluzione di SO, che ne ha condizionato enormemente lo sviluppo, riguarda la schiera dei sistemi operativi open source, ovvero sistemi operativi per cui la distribuzione commerciale è svincolata da costi e il cui codice sorgente è disponibile ai programmatori. Una prima definizione di SO potrebbe quindi esprimersi: "un SO è un insieme di programmi sw non accessibili agli utenti per proteggere gli utilizzatori di un elaboratore dalle complessità di funzionamento dell'hardware". Esso è lo strato di sw immediatamente superiore all'hw che ne controlla tutte le parti appartenenti al sistema e presenta all'utilizzatore la macchina come macchina astratta e non più fisica. Si può usare il seguente diagramma a strati per mostrare le categorie operative di una macchina calcolatrice: PROGRAMMI UTENTE SISTEMA OPERATIVO FIRMWARE HARDWARE dove l'hw (hardware) è l'insieme dei dispositivi fisici, il fw (firmware) sono i microprogrammi posti all interno dell'hw (CPU o Eprom). La definizione fornita rappresenta il tipico punto di vista espresso dall utente di un calcolatore, ovvero da colui che usa il software applicativo, cioè i programmi. In realtà ciò che più conta per l utente programmatore è un altro aspetto del SO, cioè: "un SO è un insieme di programmi che offrono al programmatore le risorse necessarie per scrivere gli applicativi per gli utenti ". Questa è la definizione che istruisce questo testo, cioè la descrizione dei Sistemi Operativi in funzione delle risorse software (API) che essi espongono affinchè i programmatori possano scrivere le applicazioni. Infine esiste un terzo punto di vista che descrive un SO in relazione all attività di una terza figura operante con i calcolatori, il sistemista: un SO è l insieme di programmi che consentono al calcolatore di rimanere sempre operativo e aggiornato. In questo caso il sistemista usa il SO per configurare, adattare, riparare e aggiornare il sistema affinchè sia in grado di garantire i servizi agli utenti e ai programmatori. STORIA Prima degli anni 60 non esistevano sistemi operativi per gestire i centri di calcolo dotati di elaboratori elettronici. Il mercato dell informatica era in mano a pochi grandi costruttori come IBM e i calcolatori, costosissimi e posseduti solo da grandi aziende o importanti istituti, erano poco diffus. I programmi venivano scritti off-line, anche su carta, poi tradotti su sopporti meccanici (es. schede perforate) in

2 S4Abacus Sistemi Operativi 01-Sistema Operativo.doc.doc - 2 / 5 linguaggio macchina e forniti all elaboratore per l esecuzione. I risultati dell elaborazione comparivano dopo molto tempo. Le fasi operative quindi erano del tutto separate: Input, caricamento dati e programmi; Esecuzione, elaborazione dei dati; Output, produzione dei risultati. Hardware e software erano quindi del tutto separati, a causa soprattutto della difficoltà delle fasi di I/O (collo di bottiglia dell I/O, o I/O Bottleneck). Protagonisti della scena commerciale furono i sistemi IBM, modello IBM 1401 per quanto riguarda l I/O, e l elaboratore IBM 7094 come calcolatore. Le successive rivoluzioni tecnologiche riguardanti l introduzione dapprima del transistor, quindi dei circuiti integrati al silicio, hanno dato avvio alla nascita del Sistema Operativo, il cui primo rappresentante significativo prende il nome di IBM OS/360(1964), perché utilizzato sulle innovative macchine IBM System/360, appartenenti alla categoria dei mainframe, ovvero grossi elaboratori che elaborano l I/O proveniente da numerosi dispositivi terminali. Negli anni 60, accanto ai mainframe vengono distribuiti i minielaboratori, macchine molto meno costose e snelle, per le quali vengono progettati nuovi sistemi operativi con caratteristiche molto simili a quelli che operano oggi, dapprima MULTICS, quindi UNIX (1969), introducendo il concetto di multiprogrammazione con timesharing: software e hardware divengono integrati per opera del SO, soprattutto per quanto riguarda la gestione dei dischi (memorie di massa). I processi vengono gestiti dai sistemi operativi per quantità di tempo. Alla fine degli anni 70 l avvento del Personal Computer rivoluziona di nuovo lo scenario, ancora dominato dai sistemi mainframe: sistemi operativi di piccole dimensioni ma molto efficaci, tutti derivanti da UNIX come Digital CP/M e Microsoft MsDos consentono di far funzionare macchine economiche ma ad alte prestazioni, rigorosamente monoprogrammate e monoutente. Sono gli anni delle versioni grafiche dei Sistemi Operativi (Mac OS e Windows), in cui la multiprogrammazione in timesharing viene temporaneamente abbandonata. Negli anni 90 lo spunto decisivo proviene dalla tecnologia delle reti (LAN e Internet) che costringe le case produttrici a implementare multiprogrammazione in timesharing e la multiutenza anche sui Personal Computer, così da contrastare l enorme mercato del mainframe. Ecco che vedono la luce e vengono diffusi sistemi operativi client/server di tipo Windows (Microsoft) e di tipo *NIX (Open Source) che tendono a contrastare sempre maggiormante il mercato ormai di nicchia dei sistemi operativi per mainframe. Allo stato attuale (2008) le fasce di Sistemi Operativi più diffusi si possono considerare: Sistemi Operativi Aperti di tipo Windows, per PC e sistemi di rete Sistemi Operativi Open Source di tipo *NIX, per PC, sistemi di rete e mainframe Sistemi Operativi Proprietari per sistemi a mainframe. A questi si devono affiancare tutta una schiera di sistemi operativi specializzati per apparati mobili e sistemi industriali di tipo realtime. CLASSIFICAZIONI La realtà dei sistemi operativi moderni (2008) si caratterizza da sistemi che hanno caratteristiche simili e oramai consolidate, quali la multiutenza, la multiprogrammazione, la gestione del timesharing e della memoria virtuale. I SO monoprogrammati, in grado di mandare in esecuzione un solo processo alla volta su un sistema in cui un solo utente può agire sono oramai scomparsi, pur avendo rappresentato una rivoluzione sostanziale per l epoca, come MsDos e MaC OS. L utilizzo di tali sistemi permane come simulazione all interno dei SO moderni (es. modalità 8086 nei sistemi Windows). Lo stato dell arte per i SO moderni sono i cosiddetti SO multiprogrammati, multiutente e in time sharing. Questi sistemi possono gestire piu processi contemporaneamente, per i quali alternano un preciso quanto di tempo di esecuzione di CPU, mantenendo traccia di differenti sessioni per ogni utente, potendo disporre di memoria centrale virtuale e quindi teoricamente infinita. Minor successo hanno riscosso i SO distribuiti, ovvero uno speciale sistema informatico in cui il SO riesce a controllare più elaboratori contemporaneamente conducendoli verso un obiettivo comune, e in cui ogni macchina aumenta la capacità di calcolo complessiva del sistema. La tecnologia delle reti (LAN e Internet) ha di fatto limitato la rilevanza di questi sitemi, opponendogli i SO multiprogrammati connessi in rete secondo il modello client/server che raggiunge risultati complessivi molto ragguardevoli e con minori costi. Di particolare interesse sono ambienti operativi specializzati, come ad esempio i SO embedded (sistemi per dispositivi integrati), dedicati a sistemi mobili come PDA (palmari, smartphone e altro) o a sistemi industriali in real time per il controllo di processi industriali.

3 S4Abacus Sistemi Operativi 01-Sistema Operativo.doc.doc - 3 / 5 NOZIONI GENERALI ELEMENTI TIPICI DI UN SISTEMA OPERATIVO Gli elementi chiave che caratterizzano un SO sono tradizionalmente individuati nel modo in cui lo stesso gestisce e organizza i suoi costituenti principali: La gestione dei Processi; La gestione della Memoria Principale; La gestione dei Dispositivi; La gestione delle Memorie di Massa; Tutte queste parti gestionali sono affrontate dal sw del SO nella sua sezione più profonda, denominata Kernel (nucleo) del Sistema Operativo. L oggetto di studio di questo testo si limita ai SO multiprogrammati, cosicchè in questa fascia di programmi assume una importante rilevanza anche la gestione dell interfaccia con l utente, insieme di programmi di sistema che sono denominati Shell (interfaccia) del Sistema Operativo. Sia le istruzioni contenute nel kernel, che nella shell che in altri moduli del SO sono accessibili ai programmi applicativi tramite System Call (chiamate di sistema) che realizzano il sw della API del sistema operativo. TIPI DI KERNEL Grande importanza assume attualmente il tipo di architettura con la quale è progettato il nucleo del Sistema Operativo. Si distinguono tre classi fondamentali di architetture kernel che disegnano le caratteristiche funzionali basilari dell intero SO. Kernel monolitico In questo caso le principali funzioni del kernel (processi, memoria, dispositivi) risiedono in uno stesso spazio operativo caricato una volta per tutte all avvio del sistema. Il software ad alto livello (applicazioni e applicazioni di SO) chiama direttamente le Api del kernel con un linking predeterminato. La forte integrazione tra applicativi e kernel assicura un funzionamento molto efficiente in prestazioni ma eventuali blocchi del kernel in una sua parte compromette tutte le altre parti. Un kernel monolitico risulta essere molto ingombrante, se dovesse prevedere molte gestioni (es., di periferiche), pertanto alcune versioni prevedono la possibilità di caricare a runtime moduli di kernel per determinate periferiche (es. *nix, a patto che patto che questi fossero previsti in fase di compilazione del kernel). L aggiornamento di un kernel monolitico prevede la sua ricompilazione. SO a kernel monolitico: MVS, Unix, *nix Microkernel In questo caso il kernel implementa solo una parte delle funzioni base del SO, e inserisce uno strato aggiuntivo tra nucleo e software applicativo (modulo server di interfaccia). In questo modo le prestazioni calano, ma la struttura risulta essere modulare, facilmente aggiornabile anche a runtime e poco vulnerabile ai blocchi: se un modulo server di interfaccia al kernel si blocca non compromette il sistema, ma puo essere riavviato. SO a microkernel: Minix, Mach, QNX, BeOS Kernel ibrido In questo caso si tratta di nuclei a microkernel con qualche parte di codice in piu, per aumentare le prestazioni, cercando di aggiungere alla versatilità del microkernel la velocità di esecuzione di quache parte monolitica ritenuta non essenziale. SO a kernel ibrido: Microsoft Nt+, Mac Os X GESTIONE DEI PROCESSI: MULTIPROGRAMMAZIONE I SO multiprogrammati riescono a gestire più processi in esecuzione, al contrario dei SO monoprogrammati. Più programmi in esecuzione contemporaneamente, detti anche processi, consentono all utente di utilizzare più applicazioni nello stesso tempo e alla macchina di distribuire il carico computazionale con estrema efficacia, per esempio sulle operazioni di Input/Output verso i dispositivi. Anche se il calcolatore non dispone di più microprocessori, il SO alterna sulla CPU differenti processi per tempi molto ridotti, rendendo l esecuzione dei programmi realmente contemporanea agli occhi degli utenti. L attività di alternanza dei processi in esecuzione è detta schedulazione, i tempi assegnati ai processi quanti di tempo e il sistema di gestione, timesharing (condivisione di tempo). Spesso ogni processo gestito in timesharing si dice eseguito in una macchina virtuale (VT, Virtual Machine), per rendere l idea che per ogni singolo processo, il SO mette a disposizione una macchina dedicata, benchè virtuale e non reale. Si ricordi che anche su sistemi multiprocessore, il numero di processi contemporanei supera sempre il numero di CPU fisiche realmente esistenti. Ogni programma in esecuzione subisce, durante il suo normale runtime, molti cambi di contesto, che sono le operazioni che deve effettuare il SO per garantire l alternanza dell esecuzione dei vari processi. I cambi di contesto sono operazioni di servizio che non contribuiscono all avanzamento dei processi, pertanto sono considerati overhead per il sistema. La parte di SO che si occupa della gestione dei processi è chiamata schedulatore (scheduler), e è costituita da programmi di sistema fondamentali. Lo scheduler è quindi un programma che risiede nel Kernel del SO. Nei sistemi operativi moderni il concetto di processo è stato via via sostituito dal concetto di thread, che ne è equivalente. Un thread non è altro che un sottoprocesso generato da un processo, cosicchè un processo può essere costituito da più thread. Lo scheduler, in questi casi, alterna in esecuzione i thread piuttosto che i processi. La gestione della multiprogrammazione consente ai processi di condividere le risorse del calcolatore e di comunicare tra di loro. La gestione dei processi si deve quindi occupare anche della sicronizzazione e della concorrenza delle attività verso le risorse e della comunicazione interprocesso (IPC). GESTIONE DELLA MEMORIA: LA MEMORIA VIRTUALE

4 S4Abacus Sistemi Operativi 01-Sistema Operativo.doc.doc - 4 / 5 La memoria principale (solo memoria, d ora in avanti) è il luogo ove il SO e i programmi vengono caricati per avviarli all esecuzione. La multiprogrammazione impone che la memoria sia sempre maggiore, in modo da contenere sempre più processi in timesharing. Per risolvere radicalmente il problema della dimensionie della memoria nei sistemi multiprogrammati, i SO simulano la memoria mancante sulla memoria di massa (es. disco fisso), cosicchè l ampiezza della memoria è sempre sufficiente. L insieme delle tecniche che consentono di simulare la memoria su disco viene detta memoria virtuale. Naturalmente la memoria su disco è estremamente lenta, così i processi diventerebbero ingestibili. Per ottenere efficienza dal processo di virtualizzazione della memoria, i SO si servono di tecnologie hardware integrate nelle CPU, denominate MMU (Memory Managmente Unit). Le principali tecniche di gestione della memoria adottate dai SO sono dette paginazione e segmentazione. La concorrenza dei processi, poi, obbliga i SO a evitare che i programmi in esecuzione possano inteferire negativamente tra loro, per esempio sovrapponendosi in memoria. Il gestore della memoria di un SO deve quindi occuparsi di garantire la protezione della memoria per i processi e per il SO stesso, cercando anche di contrastare anche l effetto di programmi malintenzionati. Tutta l attività del gestore della memoria risiede nel kernel del SO. GESTIONE DEI DISPOSITIVI: L I/O La gestione dei dispositivi o dell Input/Output è, da sempre, la parte più critica di ogni sistema operativo. Le ragioni sono molteplici e, storicamente, fu la gestione delle memorie di massa a rappresentare un notevole blocco nell evoluzione dei sistemi informatici (cfr. I/O bottleneck in Storia). La ragione attuale, invece, riguarda la necessità commerciale di avere più produttori di periferiche (terze parti) spesso diversi dai produttori di calcolatori e dai produttori del SO. Ciò significa che parti consistenti del SO devono essere integrate con programmi scritti da terze parti (i produttori dei dispositivi) denominati driver, integrazione che deve essere fatta al livello profondo del SO, cioè a livello kernel. L integrazione tra driver e SO è sempre critico, perché è sufficiente che il driver non rispetti a fondo ogni convenzione adottata dal SO per mettere in crisi il funzionamento di tutta la macchina. E per questo motivo che i moderni SO gestiscono l I/O tramite tecniche che devono garantire la protezione del sistema (analogamente a quanto implementato nella gestione della memoria) separando l esecuzione dei processi applicativi utente dall esecuzione dei processi di sistema e di gestione dell I/O in un ambiente privilegiato. In base al modo in cui le porzioni software di sistema vengono integrate nel SO, si possono distinguere SO basati su kernel monolitici, microkernel e kernel ibridi. Nel primo caso tutti gli elementi di integrazione sono previsti all interno del nucleo, almeno sottoforma di chiamate di sistema previste per i moduli aggiuntivi. Nel secondo caso ogni porzione di software di sistema aggiuntiva viene esclusa dal kernel e aggiunta solo nel momento della sua utilizzazione, nel caso di kernel ibrido un microkernel contiene anche porzioni di codice non essenziale che, posto comunque all interno del nucleo, rendono il sistema più performante. In ogni caso la gestione dell I/O avviene sempre tramite alcune tecniche implementate a livello di architettura fisica, come ad esempio la gestione dei segnali di interruzione hw, delle eccezioni, dei canali DMA e della consueta lettura e scrittura dei registri nello spazio di indirizzamento di I/O (cfr. S3Abacus). La multiprogrammazione, poi, introduce una serie di problematiche sull accesso delle risorse di I/O denominate unarie (cioè ad uso esclusivo come una stampante o una periferica di I/O generica): solo un processo alla volta può accedere alla risorsa tramite una serializzazione delle richieste ottenuta tramite meccanismi di sicronizzazione. GESTIONE DELLE MEMORIA DI MASSA: IL FILE SYSTEM La gestione delle memorie di massa viene ottenuta da un SO adottando una o più strutture dati denominate File System. Accanto al file system principale adottato, un SO può essere in grado di gestire anche altri modi di leggere e scrivere dati su memorie di massa, ovvero altri file system adottati da memorie secondarie di altro tipo, come ad esempio CD-DVD Rom, o di altri SO. I dati residenti fisicamente sulle memorie secondarie sono organizzati in settori, a loro volta componenti di elementi logici denominati files. Una seconda astrazione serve per organizzare i files tra di loro, tramite directory per costituire un cosiddetto file system gerarchico organizzato ad albero. Tipici elementi di una organizzazione ad albero è la presenza di una root directory (directory radice), di nomi completi di files (pathname, percorso più nome logico) e di directory corrente. L organizzazione gerarchica ad albero di directory è oramai uno standard per quasi tutti i file system moderni, organizzazione che è implementata con strutture dati basate su liste concatenate, denominate b *Tree o strutture dati denominate i - N ode, che servono soprattutto per velocizzare il processo di ricerca degli elementi logici (files e directory) sui dispositivi di memorizzazione. Files e directory contengono, oltre alle informazioni coerenti che li compongono, numerose altre informazioni per regolarne l accesso da parte degli utilizzatori (diritti di accesso in base a ACL, Access Control List) o per specificarne la natura operativa (bit rwx, elementi a sola lettura, scrittura o esecuzione). Le chiamate di sistema che un SO offre agli applicativi tramite le API si basano quasi sempre sulla nozione di handle, che è il riferimento simbolico associato ad un elemento logico (file o directory) su cui si desidera intervenire con le classiche operazioni consentite: lettura, scrittura, creazione, eliminazione e modifica. Numerose, infine, sono le tecniche adottate dai SO attraverso l uso di file system, per garantire la sicurezza e l integrità dei dati sui supporti di memorizzazione, in caso di azioni malevoli o a causa di guasti. In questi casi i file system adottano tecniche di crittografia dei dati nel primo caso, tecniche di ridondanza (RAID) per la gestione dei supporti. LA SHELL Ogni sistema operativo offre un ambiente di lavoro detto S hell che consente all'utente, tra le altre cose, di accedere inizialmente al sistema tramite un meccanismo di autenticazione (login), o di interrompere l attività del sistema impostandone la terminazione (logoff e/o shutdown). La shell definisce l'interfaccia principale tra l utente e il sistema operativo. L'interfaccia a caratteri realizzata da quasi tutti i SO è detto prompt della shell, ed essa possiede come dispositivi standard di input la console (tastiera) e standard di output lo schermo (monitor). Essa è in grado di rendere operativo l'utente, cioè di consentirgli di lanciare i processi (sw applicativo e di sviluppo), essendo in grado di interpretare una serie di chiamate al sistema attraverso un processo di SO fondamentale detto interprete dei comandi. Grande successo hanno avuto e continuano a ottenere le shell grafiche (GUI) che consentono all utente di avviare i processi con meno impegno mnemonico e più velocemente, supportati da istruzioni iconiche che avviano automaticamente il caricatore del SO per gli applicativi selezionati con l input classico di una GUI, ovvero il mouse. I SO spesso suddividono la shell in vari nuclei per proteggere l'attività del sistema, assegnando a ogni utente o a volte a interi processi la possibilità di operare solo a particolari gradi di shell.

5 S4Abacus Sistemi Operativi 01-Sistema Operativo.doc.doc - 5 / 5 La shell si può vedere anche come un processo di SO il cui compito sostanziale è quello di creare processi figli richiesti dall'utilizzatore e riprendere il controllo una volta terminata l'esecuzione del figlio. Spesso le shell possono creare processi in background, riprendendo così immediatamente il controllo della situazione, processi denominati in gergo, servizi o demoni. Tramite la shell si possono integrare applicativi utente al SO, soprattutto nel caso di SO a kernel ibrido o gestire automatismi anche complessi tramite particolari files programmati denominati s cript di shell.