Componenti di Sistemi Operativi. System Call Programmi di sistema Componenti di un SO Servizi di SO

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1 Componenti di so 1

2 Componenti di Sistemi Operativi System Call Programmi di sistema Componenti di un SO Servizi di SO 2

3 System Call Le system call forniscono l'interfaccia tra running program e SO Generalmente sono istruzioni in assembly o C/C++ metodi di passaggio dei parametri tra running program e SO registri tabella in memoria e indici passati in un registro (es. vedi tabella delle sys. Call di Linux) Push nello stack da programma, e pop da stack da SO Application Program Interface (API): interfaccia standard offerta dai servizi di SO al programmatore dell applicazione es: i SO linux, MAC OS X, unix offrono i loro servizi tramite le Posix API, Windows usa WIN32 API API permette di specificare funzioni e parametri dei servizi a un livello meno dettagliato delle system call (ma simile ad esse) Favorisce portabilità dei programmi 3

4 Tipi di System Call Process control File management Device management Communications 4

5 Programmi di Sistema I programmi di sistema forniscono un ambiente per sviluppo ed esecuzione dei programmi. Attività dei programmi di sistema: Manipolazione di file Status information Supporto (compilazione, debugging..) ai linguaggi di programmi Program loading, linking & execution Comunicazione programmi applicativi 5

6 Componenti tipici di un SO Process Management Main Memory Management File Management I/O System Management Networking Protection System Command-Interpreter System 6

7 Modello dei processi processo: istanza di programma sequenziale/multithread in esecuzione un task per eseguire usa le risorse del sistema, come tempo di CPU, spazio di memoria, file, I/O device. contesto: contesto address space, hw context, stato corrente di esecuzione e altre informazioni relative a stato, modo e privilegi di utilizzo delle risorse, (process control block) Il kernel rappresenta un processo tramite un process descriptor [ Process Control Block] che mantiene informazioni sul suo contesto (es. dati sullo stato corrente di esecuzione [contesto esecutivo], come i valori dei registri e di memory management per tener traccia degli accessi a RAM.., sullo stato di utilizzo di risorse [resource ownership], come file aperti, segnali ricevuti ) 7

8 Process context switch la CPU passa ad eseguire un altro processo Quando il kernel recupera l esecuzione di un processo, carica i registri della CPU (hw context), che identificano l ultima istruzione eseguita dal processo, coi valori mantenuti nel process descriptor Quando un processo non è in esecuzione sulla CPU, esso è in attesa di un evento. I sistemi operativi implementano diverse code di attesa di process descriptor, ciascuna relativa a processi in attesa di uno specifico evento ( es. una ready queue conterrà i processi in attesa di essere schedulati per l esecuzione sulla CPU; potranno esserci diverse waiting queue di processi coinvolti in determinate operazioni di I/O ) I processi sono paralleli (reale/virtuale) asincroni ma possono sincronizzarsi, competere, condividere 8

9 Process management creazione e terminazione dei processi sospensione dei processi per varie cause e ripresa con recupero dello stato di esecuzione Meccanismi di gestione di: process synchronization process communication 9

10 Gestione dei processi Unix Albero dei processi fork() Un processo (parent) può crearne altri identici (child) che a loro volta possono creare altri processi. exec() cambia programma da eseguire, e riparte nel nuovo spazio indirizzi in cui carica il nuovo programma exit() termina 10

11 System Call di Process Management 11

12 Address space di un processo: text, data, stack Ogni processo esegue sul suo spazio indirizzi privato Un processo che esegue in user mode fa riferimento ad aree di testo, dati e stack privati In kernel mode fa riferimento a codice e dati kernel ed usa un kernel stack privato In caso di kernel rientranti, più kernel control path, ciascuno relativo a un processo distinto, possono eseguire a turno (o sospendersi). Ogni kernel control path si riferisce al private kernel stack del suo processo 12

13 Condivisione di aree di process address space La condivisione di aree di spazio indirizzi deve essere richiesta dai processi esplicitamente al SO (es. tramite IPC shared memory) Il kernel realizza automaticamente la condivisione dell area codice tra più processi istanza dello stesso programma -> risparmio di memoria La sys. call mmap() permette che parte di un file o l informazione di un block device sia mappata su parte di un address space Il memory mapping fornisce un alternativa ai normali read/write per trasferire dati Se lo stesso file è condiviso da più processi, il memory mapping è incluso nell address space di ciascun processo che lo condivide 13

14 Cooperazione e coordinazione Le attività concorrenti possono generare errori perché difficili da riprodurre Meccanismi di sincronizzazione Gestione dei segnali permette di notificare ad un processo l occorrenza di condizioni/eventi Mutua esclusione evita che su una risorsa critica agiscano più processi contemporaneamente (race condition) Gestione dei deadlock NB: la schedulazione di attività che incidono sulla stessa risorsa possono influenzare il risultato finale 14

15 segnali Un segnale notifica al processo l occorrenza di un evento. Un segnale può essere inviato dall utente, da un altro processo (notifica asincrona) o dal kernel (errore o eccezione notifica sincrona) Un processo che riceve il segnale può: Terminare, Sospendersi o ripartire se era fermo Ignorare il segnale Eseguire una procedura di signal handling decisa in precedenza POSIX prevede 20 differenti segnali 15

16 Segnali POSIX The signals required by POSIX. 16

17 Modello di comunicazione La comunicazione può avvenire tramite message passing o shared memory. Message Passing Shared Memory 17

18 InterProcess Communication (IPC) Ogni sistema operativo prevede dei meccanismi per permettere ai processi di interagire e cooperare Il package di meccanismi di IPC introdotti da Unix System V sono: Semafori Code di messaggi IPC resource Memoria condivisa 18

19 deadlock (a) deadlock potenziale (b) deadlock effettivo. 19

20 Memory mangement I processori interagiscono con la main memory, fetch/store ogni processo deve essere mappato in memoria Multiprogramming: più processi sono mappati in memoria Le strategie di memory management dipendono dall hw Protezione: l hw utilizza un corredo di registri e modi privilegiati di esecuzione per proteggere l address space di processi e kernel Rilocazione dinamica: permette una traduzione on-fly dei riferimenti in memoria (indirizzi logici) dei processi nei reali indirizzi di memoria fisica Swapping: l address space di un processo, o parte di esso, può essere momentaneamente mantenuto su una porzione di memoria di massa (swap device) Gestione di segmentazione e paginazione Virtual memory: il virtual address space viene mappato su una memoria fisica distribuita tra main e secondary memory in modo trasparente 20

21 Attività di SO connesse con la gestione della memoria Tener traccia delle parti di memoria correntemente usate e dei processi che le stanno usando Tener traccia dello spazio libero Scheduling della memoria di processo o di porzioni di esso da caricare in /scaricare dalla main memoria quando occorre allocare/disallocare spazio in memoria per i processi (dynamic storage allocation) Gestire le swap device e le sue interazioni con la memoria Gestire la memoria virtuale 21

22 Swapping Swap device: porzione di disco che estende la RAM del sistema. Lo spazio di memoria di un processo o una sua porzione può essere temporaneamente scaricato su swap device Quando un processore riferisce un indirizzo logico (es. una pagina) attualmente non mappato in memoria, la MMU dà origine ad una eccezione (es. page fault exception) Il kernel procederà ad allocare in memoria la porzione di address space opportuna (intero processo, una/più pagine) 22

23 Paginazione: Lo spazio di indirizzi logico di un processo è lineare e ripartito in pagine, tutte della stessa dimensione, mappate in main memory in locazioni, dette page frame, anche non contigue Il mapping del processo in memoria è memorizzato in opportune tabelle di traduzione, le tabelle di pagine 23

24 esempi semplificativo di paginazione Es. minimo: pagine da 4B e memoria fisica da 32B (8 pag) 24

25 Virtual memory Virtual address space: i riferimenti in memoria del processo (punto di vista del programmatore) sono distinti dagli indirizzi di memoria fisica (punto di vista del sistema) Memory Management Unit (MMU): serve le richieste di memoria traducendo automaticamente virtual address in physical utilizzando le informazioni di mapping fornite dal SO Caratteristiche e vantaggi della Virtual Memory I programmatori possono scrivere codice machine-independent perché non devono essere consapevoli dell organizzazione fisica di memoria I processi sono rilocabili: possono essere messi ovunque in memoria I processi possono eseguire un codice solo parzialmente caricato in main memory (e in parte mantenuto su memoria di massa) È possibile eseguire processi che richiedono una memoria più grande di quella disponibile I processi possono condividere una stessa immagine di memoria 25

26 File Management file : collezione di informazioni definite dal suo creatore. rappresentano programmi (sorgente o oggetto) e dati. Attività di file management: Creazione e cancellazione di file Creazione e cancellazione di directory Manipolazione di file e directory Mapping di file su memoria secondaria Backup 26

27 File system Ogni file è identificato univocamente da un pathname assoluto (/ ) o relativo (percorso dal dir corrente) 27

28 File e directory File = unità di memorizzazione dell informazione in memoria permanente I file sono organizzati in una gerarchia di directory (nodo dell albero) Il file system Unix rappresenta in un unico albero tutte le risorse accessibili, compresi i device che vengono rappresentati da file speciali (device file) Un directory contiene informazioni sui file che contiene (in Unix: file normali, directory, file speciali, pipe) Unix inode: incapsula gli attributi di un file ed riferimenti alla sua collocazione in memoria 28

29 Security in UNIX modi di protezione file 29

30 Mount (1/2) prima del mounting, I file su floppy sono inaccessibili dopo il mounting floppy on b, file su floppy sono parte della file hierarchy 30

31 Layout del disco in un sistema Unix 31

32 System Call di File Management 32

33 System Call di Directory Management 33

34 I/O System Management Attività del I/O system: Sistema di buffer-caching system una interfaccia generale per i device-driver Driver dedicati a specifici tipi di hardware device 34

35 Device driver in Linux il kernel interagisce con gli I/O device tramite i device driver i device driver sono inclusi nel kernel e consistono di strutture dati e funzioni che controllano 1/più dispositivi(es hard disk, tastiera, mouse, monitor, network interface,..dispositivi connessi su bus SCSI. ogni driver interagisce con le altre parti del kernel (anche con gli altri dispositivi) attraverso una specifica interfaccia vantaggi: il codice relativo a specifici device è incapsulato in un modulo specifico nuovi device possono essere realizzati ed aggiunti conoscendo solo la specifica di interfaccia e non il codice sorgente Kernel il kernel tratta tutti i dispositivi in maniera uniforme e li accede attraverso la stessa interfaccia è possibile scrivere un device driver come un modulo che può essere dinamicamente caricato nel kernel senza il reboot del sistema è possibile scaricare dinamicamente un module che non serve più, minimizzando le dimensioni dell immagine del kernel in RAM. 35

36 Device file I programmi utente che vogliono operare su dispositivi hw inoltrano le richieste al kernel usando le tipiche system call del file management e i device file che in genere si trovano nel directory /dev. I device file sono una porzione user-visible del device driver interface. device file si riferiscono ad uno specifico device driver che il kernel invocherà per eseguire l operazione richiesta sul hw component. Per i terminali grafici sono stati introdotti programmi applicativi ad hoc, come X Window System che eseguono come processi standard ed accedono le I/O ports dell interfaccia grafica e la RAM video area direttamente. 36