Il sistema operativo

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1 Che cosa serve per gestire efarfunzionare un esecutore automatico Il sistema operativo Un sistema operativo è un software che fornisce all utente una serie di comandi eserviziperfruirealmegliodellapotenzadicalcolodiunqualsivoglia elaboratore elettronico, spaziando dal più piccolo dei palmari al più potente tra i mainframe. I sistemi operativi nascondono tutti i dettagli tecnici legati allo specifico hardware e architettura rappresentando le informazioni ad un alto livello, meglio comprensibile dall uomo. Breve storie dei sistemi operativi Tra il 1955 e il 1965, grazie alla rivoluzionaria invenzione del transistor gli elaboratori (chiamati mainframe) divennero abbastanza affidabilidapoteresserecostruiti evendutiinserie,ancheseeranocomunquemacchinegrosseecostosissime tanto che gli unici acquirenti possibili erano ancora una volta icentridicalcolo,le Università e le banche. job Per eseguire dei programmi (o come venivano chiamati, job), un programma- tore doveva scrivere il proprio programma su carta, trasferirlo su schede, caricarlo nel computer, attendere il termine dell esecuzione e la stampa del risultato. Tale operazione era molto dispendiosa in termini di tempo e non permetteva di sfruttare la macchina durante le lunghe fasi di caricamento di dati e programmi. Non essendo stata ancora introdotta la tecnologia di accesso diretto alla memoria (DMA) durante le fasi di input/output il processore era totalmente utilizzatoperilcontrollo di queste operazioni. sistema Èperquestochesiadottòlasoluzionedelsistemabatch(alotti): l idea di base bacth era quella di dividere i tre lavori, ovvero il caricamento dei dati,ilcalcoloelastampa su macchine distinte. Il calcolo veniva affidato ad un calcolatore centrale costoso come l IBM 7094 mentre gli elaboratori satelliti erano macchine più economiche come gli IBM IBM System Nell aprile del 1964 l IBM presentò una famiglia di computer chiamataibm 360 System/360, prima realizzazione di una netta distinzione tra architettura hardware e implementazione. Tutti gli elaboratori della suite, che andavano da piccole macchine agrandimainframeutilizzavanovariantidellostessosistema operativo, l OS/360, che supportava sia il calcolo scientifico che quello commerciale. time sharing Negli anni sessanta viene introdotto il concetto di time-sharing: ogni utente dispone di un dispositivo di ingresso (la tastiera) e un dispositivo di uscita (un monitor o una telescrivente), ed ha la possibilità di inviare comandialsistema operativo ottenendo subito una risposta. Infatti in questi sistemi con time-sharing un programma resta in esecuzione fino a quando esso richiede un operazione di I/O, oppure occupa la CPU per più di un certo intervallo di tempo prestabilito (detto quanto temporale). 40

2 Il sistema operativo 41 UNIX fu progettato a partire dal 1969 da un gruppo di ricercatori della AT&T presso i Bell Laboratories. Da esso furono realizzate varianti come Berkeley Software Distribution (BSD) e sistemi Unix-like come MINIX (usato in ambito didattico) esuccessivamentel ormaifamosissimolinuxsviluppatodallo studente finlandese Linus Torvalds Verso gli anni ottanta, grazie alla tecnologia LSI (large scale integration) la costruzione di chip integrati divenne massiccia e portò all abbattimento dei prezzi dell hardware, facendo sorgere l era dell elaboratore personale o personal computer Steve Jobs era uno dei pochi che credeva nell idea del personal computer. All epoca era difficile immaginare cosa potesse farsene una persona di un computer in casa. Egli invece continuò per la sua strada fondando Apple ComputerInc. il primo aprile 1976 assieme a Steve Wozniak e Ronald Wayne. Jobs eraconvintoche il futuro del personal computer sarebbe stato legato all interfaccia grafica. Ecosì,ispirandosiaquellasviluppatadaXeroxCorporationqualcheannoprima, Apple lanciò nel 1984 Mac OS il primo sistema operativo per personal computer con interfaccia grafica. Questa fu una vera rivoluzione tanto chenellostessoanno sarebbe nato l X Window System in ambiente Unix e il 20 novembre 1985 Microsoft avrebbe commercializzato Windows. Nel 1991 Linus Torvalds sviluppò un kernel Unix-like, capace peròdigirare sulla piattaforma x86. Così nacque Linux. Fu quando venne abbinato al progetto GNU di Richard Stallman, portavoce della filosofia del software libero, che iniziò la fortuna di GNU/Linux in quanto la combinazione risultava, eloètuttora,un sistema operativo efficiente ed affidabile. Oggigiorno è disponibile una grande varietà di sistemi di elaborazione dalle più disparate dimensioni e performance a costi contenuti; questo permette una diffusione pervasiva degli elaboratori elettronici nelle più diverse attività umane. Inoltre sono oggi sempre più diffuse le interconnessioni tra i vari dispositivi in modalità sia wired che wireless. Tutte queste innovazioni hanno portato allo sviluppo di sistemi operativi per le più svariate architetture, in particolare per dispositivi handheld come cellulari (tra i quali non si può non citare il Symbian OS e Android) e PDA (con Windows Phone e Palm OS). UNIX personal computer Steve Jobs Mac OS e Windows Linux igiorni nostri Struttura dei moderni sistemi operativi Il sistema operativo, abbreviato in SO (in inglese OS, operating system) èun insieme di componenti software, che garantisce l operatività di base di un calcolatore, coordinando e gestendo le risorse hardware di processamento ememorizzazione,le periferiche, le risorse software (processi) e facendo da interfaccia con l utente, senza il quale quindi non sarebbe possibile l utilizzo del computer stesso e di altri software più specifici, come applicazioni o librerie software. Èdunqueuncomponenteessenzialedelsistemadielaborazione che funge da base al quale si appoggiano gli altri software, che dunque dovranno essere progettati erealizzatiinmododaesserericonosciutiesupportatidaquel particolare sistema operativo. Assieme al processore, con cui è strettamente legato, costituisce la cosiddetta piattaforma del sistema di elaborazione.

3 42 Il sistema operativo Secondo una definizione più rigorosa, il sistema operativo è un insieme di sub- routine e strutture dati responsabili del controllo e della gestione delle componenti hardware che costituiscono il computer (processi di input/output da e verso le periferiche collegate al sistema) e dell esecuzione dei programmi (processi) che su di esso vengono eseguiti, assegnando ad essi le necessarie risorse di processamento. funzioni principali Il sistema operativo permette all utente di eseguire dei programmi. Un program- ma è costituito dal codice oggetto generato dalla compilazione del codice sorgente, ed è normalmente salvato sotto forma di uno o più file. Esso è un entità statica, che rimane immutata durante l esecuzione. programmi Il processo è l entità utilizzata dal sistema operativo per rappresentare una spe- cifica esecuzione di un programma. Esso è quindi un entità dinamica, che dipende dai dati che vengono elaborati, e dalle operazioni eseguite su di essi. Il processo è quindi caratterizzato, oltre che dal codice eseguibile, dall insieme di tutte le informazioni che ne definiscono lo stato, come il contenuto della memoria indirizzata, i thread, i descrittori dei file e delle periferiche in uso. processi un sistema operativo con supporto per il multitasking (multiprocessualità) per- mette di eseguire più programmi contemporaneamente. Se ad esempio viene chiesto al sistema di eseguire contemporaneamente due processi A e B, lacpueseguirà per qualche istante il processo A, poi per qualche istante il processo B, poi tornerà ad eseguire il processo A e così via. multitasking Se il sistema di elaborazione prevede la possibilità di memorizzazione aggiuntiva dei dati su memoria di massa, come accade nei computer general purpose,essoha anche il compito di gestire l archiviazione e l accesso ai file. I programmi possono gestire l archiviazione dei dati su memoria di massa (ottenendo strutture complesse, come un database), servendosi delle procedure messe a disposizione del sistema operativo. La componente del SO che si occupa di tutto ciò viene chiamata file system. Infine, se è prevista interazione con l utente, viene solitamente utilizzata allo scopo un interfaccia software (grafica o testuale) per accedere alle risorse hardware (dischi, memoria, I/O in generale) del sistema. D altra parte, un sistema operativo può essere utilizzato anche su una macchina che non preveda interazione diretta con un essere umano (per un esempio, vedi smart card o determinati sistemiembedded) spesso dunque più leggero e semplificato. Solitamente un sistema operativo installato su computer fornisce anche degli applicativi di base per svolgere elaborazioni di diverso tipo. Sebbene molte delle funzionalità sopraddette non siano spesso immediatamente visibili/percepibili dall utente, l importanza del sistema operativo di un calcolatore è cruciale: oltre alla necessità di gestione delle funzionalità di base sopraddette, al di là delle prestazioni massime offerte dall hardware dell elaboratore stesso, il sistema operativo determina di fatto efficienza e buona parte delle prestazioni effettive di funzionamento dell intero sistema ad esempio in termini di latenze di processamento, stabilità, interruzioni o crash di sistema.

4 Il sistema operativo 43 Il kernel il kernel costituisce il nucleo di un sistema operativo. Si tratta di un software avente il compito di fornire ai processi in esecuzione sull elaboratore un accesso sicuro e controllato all hardware. Dato che possono esserne eseguitisimultaneamente più di uno, il kernel ha anche la responsabilità di assegnare una porzione di tempo-macchina (scheduling) e di accesso all hardware a ciascun programma (multitasking). Esso Si limita a inizializzare il sistema e rimanere poi in attesa di comandi, cedendo il controllo completo della macchina ai programmi che vengono lanciati. Lo scheduler Lo scheduler è un componente fondamentale dei sistemi operativi multitasking, cioè quelli in grado di eseguire più processi (task) contemporaneamente (va inteso simbolicamente. In realtà non c è una gestione parallela dei processimaavviene in sequenza, i tempi sono talmente brevi che all utente sembrerà che i programmi vadano contemporaneamente). Lo scheduler si occupa di fare avanzare un processo interrompendone temporaneamente un altro, realizzando così un cambiamento di contesto (context switch). Generalmente computer con un processore sono in grado di eseguire un programma per volta, quindi per poter far convivere più task è necessario usare lo scheduler. Esistono vari algoritmi di scheduling che permettono di scegliere nella maniera più efficiente possibile quale task farproseguire. Il gestore della memoria Il gestore della memoria (memory manager in inglese) è un componente del sistema operativo dedito alla gestione della memoria disponibile sul computer. Il gestore si preoccupa di allocare, deallocare e gestire la memoria che viene assegnata agli applicativi e allo stesso sistema operativo. Tutti i moderni sistemi operativi sono dotati di memoria virtuale. Il gestore della memoria si preoccupa di decidere quali blocchi di memoria sono poco utilizzati dal sistema e quindi possono essere spostati sull unità adiscosenzadeprimere eccessivamente le prestazioni del sistema. Questo modulo del sistema operativo è importante anche per altri compiti Poiché in memoria possono risiedere contemporaneamente processi utente e moduli sistema, è necessario evitare che, per qualsiasi malfunzionamento, dati o istruzioni di un processo possano sovrapporsi a quelle del supervisore o di un altro processo utente, creando situazioni anomale e spesso disastrose L operazione di allocazione deve essere invisibile al processo, il cui avanzamento deve essere indipendente dalla posizione dello spazio degli indirizziassegnatidalla memoria. Ciò consente di rimandare in stato di disponibilità unprocessoesuccessivamente ricaricarlo in memoria in un altra area, senza cheilfattosiadialcun impedimento al suo avanzamento garantire allocazione logica in generale l immagine di un processo è logicamente composta da sezioni (codice edati)che,anche se fisicamente poste in aree disgiunte di memoria, devono essere viste dal processo come contigue protezione dei dati trasparenza

5 44 Il sistema operativo Inoltre, in un sistema multiprogrammato, più utenti possonoutilizzarecon- temporaneamente gli stessi programmi quindi occorre un sistema che permetta di condividere il codice (gli applicativi software) ma di tenere separati i dati. Il gestore della memoria gestisce anche la memoria virtuale, unaarchitettura di sistema capace di simulare uno spazio di memoria centrale (memoria primaria) maggiore di quello fisicamente presente o disponibile; questo risultato si raggiunge utilizzando spazio di memoria secondaria su altri dispositivi o supporti di memorizzazione, di solito le unità a disco. La memoria centrale fisicamente presente diventa quindi la parte effettivamente utilizzata di quella virtuale, più grande: questo stratagemma è utile in virtù del principio di località e riuso dell esecuzione dei programmi. La memoria di massa utilizzata a questo scopo è comunemente chiamata, in ambiente Posix, swap o spazio di swap (verbo inglese che significa scambiare), mentre, in ambiente Windows, è chiamata file di paging. Le operazioni di spostamento delle pagine dallo spazio di swap alla memoria fisica sono chiamate swapping. condivisione del codice la memoria virtuale swapping e paging Il file system ifile In file system è, informalmente, il meccanismo con il quale i file sono immagazzinati e organizzati su un dispositivo di archiviazione, come un disco rigido o un CD-ROM. Più formalmente, un file system è l insieme dei tipi di datiastrattineces- sari per la memorizzazione (scrittura), l organizzazione gerarchica, la manipolazione, la navigazione, l accesso e la lettura dei dati. Ifilesystempossonoessererappresentatisiagraficamentetramite file browser sia testualmente tramite shell testuale. Nella rappresentazione grafica (GUI) è generalmente utilizzata la metafora delle cartelle che contengono documenti (i file) ed altre sottocartelle. Il primo livello di astrazione è quello che organizza i settori in un insieme di ar- chivi (file) di dimensioni arbitrarie, che possono andare da zero all intera dimensione disponibile del dispositivo: ciascun file viene distribuitoinuninsiemedisettori. Normalmente l utente vede solo un file e non deve preoccuparsi di quali settori sono stati utilizzati per memorizzarlo. Le operazioni disponibili sono la lettura o la scrittura di un blocco di dati di dimensione arbitraria in un punto arbitrario del file. Il software di gestione del file system è responsabile dell organizzazione di questi settori in file editeneretracciadiqualisettoriappartengonoaqualifileequalisettoriinvece non sono utilizzati. L utente ha normalmente la totale libertà di creare nuovi file, cancellare file esistenti (liberando così i blocchi che questi occupavano), modificare file esistenti (cambiando così anche la loro dimensione e quindi il numero di blocchi occupati). lsecondolivellodiastrazioneèquellochepermettediorganizzare i file asse- gnando loro dei nomi gerarchici. Ifilesystemtipicamentehannotabellediassociazionedeinomi dei file con i rispettivi file tramite collegamenti fisici, usualmente collegando il nome del file a un indice in una tabella di allocazione dei file (file allocation table) di qualche genere, come la FAT di un file system MS-DOS, o un inode in un file system di tipounix. Le strutture di cartelle possono essere ad un solo livello, oppure possono permettere una gerarchia

6 Il sistema operativo 45 struttura gerarchica in cui delle cartelle possono contenere sottocartelle. In alcuni file system i nomi dei file sono strutturati con una speciale sintassi (per esempio estensioni o numeri di versione). Il file system viene inoltre utilizzato per memorizzare i dati cheservonoa controllare l accesso a ciascun file da parte dei processi. Icriteridisicurezzanell accessoalleoperazionisuifilesystem sono in genere basati su liste di controllo di accesso (access control list oacl)ocapabilities. Si èscopertadaqualchedecinadiannil inaffidabilitàdelleacl, e per questo motivo isistemioperativimodernitendonoausareilmeccanismodelle capabilities. I file system commerciali usano ancora le ACL. Una ACL permette di definire per ciascun elemento del file system di quali permessi (lettura, scrittura, modifica ecc.) dispone ciascun utente che accede al sistema. controllo degli accessi Installazione ed avvio del sistema operativo Tipicamente il sistema operativo, una volta installato sulla macchina, risiede in memoria secondaria pronto ad essere caricato in memoria primaria durante la fase di avvio della macchina. Tipicamente più sistemi operativi possono essere installati sulla stessa macchina in modalità dual boot, selezionando poi il sistema prescelto/desiderato nella fase di avvio del PC attraverso il boot manager. Tutto ciò è possibile solo in virtù dell operazione di partizionamento della memoria secondaria (hard disk) in più settori logici indipendenti dove ciascuno può ospitare un diverso sistema. All accensione del computer il BIOS, dopo la fase/operazioni di POST, esegue nella cosiddetta fase di boot, attraverso il boot loader, il caricamento del kernel del sistema operativo dalla memoria di massa/memoria secondaria (hard disk) alla memoria primaria (RAM), pronto ad essere eseguito dal processore, rendendo la macchina pronta all uso da parte dell utente. dual boot caricamento eavvio Sistemi Operativi Mobili Un sistema operativo per dispositivi mobili, in inglese mobile OS, è un sistema operativo che controlla un dispositivo mobile con lo stesso principio con cui Mac OS, Linux o Windows controllano un desktop computer oppure un laptop. Tuttavia affronta problematiche legate alla natura del dispositivo mobile, più critiche rispetto ad un desktop o un laptop; tra le tante: la limitatezza delle risorse (memoria), CPU), l assenza di alimentazione esterna, differentiprotocollidi trasferimento dati per l accesso a Internet (WiFi, GPRS, HSDPA...), nuovi metodi d immissione (touchscreen, minitastiere), ridotte dimensioni del display.

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