Sommario FONDAMENTI DI INFORMATICA. Sistema operativo come gestore delle risorse. Il Sistema Operativo (SO) SISTEMI OPERATIVI

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1 Università degli Studi di Cagliari Corsi di Laurea in Ingegneria Chimica e Ingegneria Meccanica FONDAMENTI DI INFORMATICA A.A. 215/216 Docente: Gian Luca Marcialis Sommario Architettura Gestione dei processi Gestione della memoria Driver Shell dei comandi Interfacce SISTEMI OPERATIVI 2 Il Sistema Operativo (SO) Sistema come gestore delle risorse Insieme di programmi (software) con le seguenti funzioni gestire le risorse (hardware) del calcolatore in modo corretto, efficiente e sicuro fornire agli utenti e ai programmatori un'interfaccia semplificata con l'hardware Risorse del calcolatore tutti i componenti hardware necessari per l'esecuzione dei programmi: memoria centrale, processore, periferiche, ecc. Interfaccia utente\hardware insieme di funzionalità software che "nascondono" agli utenti i dettagli dell'hardware (ad es., I\O su memoria secondaria) 3 Gestione corretta, efficiente e sicura delle risorse correttezza: l'accesso a qualsiasi risorsa hardware è permesso solo al SO; ad es., si evitano errori nelle routine di gestione dell'hardware (non è necessario per i programmatori conoscere i dettagli del funzionamento delle periferiche, ecc.) efficienza: le risorse (ad es. memoria, CPU, stampanti) sono limitate, e devono essere condivise tra diversi utenti e programmi sicurezza: gli utenti non hanno il controllo diretto dell'hardware; il SO utilizza meccanismi di protezione per evitare "interferenze" tra utenti diversi e tra utenti e lo stesso SO 4

2 Architettura a livelli del SO Un moderno SO è organizzato a livelli (progettazione modulare) Ogni livello si occupa di gestire una parte dell'hardware Ogni livello realizza una macchina virtuale maschera le caratteristiche dell'hardware sottostante, e offre ai livelli superiori un insieme ben definito di funzionalità software nei sistemi multiutente, offre a ciascun utente l'illusione di una macchina dedicata: ogni utente è isolato dagli altri I diversi livelli sono indipendenti tra loro se un livello viene modificato ma mantiene le stesse funzionalità, l'interfaccia verso i livelli superiori non cambia: questi livelli non devono 5 essere modificati Schema dell'architettura a livelli del SO Gli utenti possono interagire solo con la shell del SO ad es.: lanciare un programma, visualizzare il contenuto di una directory, ecc. Applicazioni e programmi utente Interprete dei comandi (shell) Gestore del File System (memoria secondaria) Gestore delle periferiche (I\O) Gestore della memoria principale Gestore dei processi Hardware 6 Architettura a livelli del SO Gestore dei processi (programmi in esecuzione) condivisione della CPU tra i vari processi (concorrenza) gestione delle fasi di attesa per operazioni di I\O Gestore della memoria principale allocazione della memoria tra i diversi processi Gestore delle periferiche insieme di programmi (driver) che gestiscono le operazioni di I\O con le periferiche Anch esse risultano come macchine dedicate I dettagli HW-SW sono mascherati agli utenti, che si trovano a comunicare con esse attraverso primitive ad alto livello (leggi/scrivi) 7 Architettura a livelli del SO (cont.) Gestore del file system organizza la memoria di massa (secondaria) gerarchicamente in file e directory gestisce le operazioni sui file (creazione, scrittura, lettura, ecc.) Interprete dei comandi (shell) è l'interfaccia tra il calcolatore e gli utenti (a linea di comando o grafica) mette a disposizione un insieme di comandi, consentendo ad es. di lanciare l'esecuzione di programmi, "navigare" nel file system, ecc. Nei Sistemi Operativi è realizzato attraverso interfacce grafiche (Graphic User Interface, GUI), con le quali si semplifica il concetto dell operazione da svolgere Es. spostare un file nel cestino equivale a scrivere e far eseguire da riga di comando un istruzione del tipo cancella il file 8

3 Gestione dei processi Processo: programma in esecuzione (entità dinamica) programma (entità statica) contenuto della memoria centrale e dei registri della CPU (in particolare PC), e stato del processo (entità dinamiche) Ad un programma possono essere associati più processi Es. Word: mentre scriviamo un documento (processo principale) ne facciamo stampare un altro (processo secondario) senza interrompere la scrittura Stati di un processo in esecuzione: la CPU sta eseguendo le istruzioni del programma associato (un solo processo in esecuzione in ogni istante su una CPU) in attesa: attendono il verificarsi di un evento "esterno" (I\O) pronti: possono passare in esecuzione quando la CPU si libera 9 Diagramma dell'evoluzione dei processi Le informazioni sui processi pronti e in attesa sono mantenute in strutture dati dette code, proprio come le code di clienti in fila in un negozio. I clienti sono in questo caso i processi. Il commesso è la CPU. C è una coda di processi pronti e una coda di processi in attesa Un processo in esecuzione è come il cliente che in un dato istante viene servito Un processo pronto è il cliente successivo Un processo in attesa è come il cliente che sta provando un capo d abbigliamento (nel frattempo il commesso segue un altro cliente) Processo in esecuzione Fine esecuzione Interruzione (richiesta di operazione I/O) Termine quanto di tempo Primo processo pronto Processo in attesa Processo pronto Inizio esecuzione Evento esterno atteso (I\O) 1 Diagramma dei processi: un esempio Reimmissione nella lista pronti in caso di «quanto» insufficiente Politiche di gestione della CPU Coda di processi pronti (con priorità per alcuni) Selettore CPU (processo in esecuzione) Eventuale messa in coda di attesa di evento interno/esterno (interrupt) prima di reimmissione nella coda dei processi pronti Processo servito/terminato 11 L'obiettivo del gestore dei processi è rendere efficiente l'uso della CPU condivisa da più processi: mantenere occupata la CPU per il maggior tempo possibile minimizzare tempi di attesa e di esecuzione dei processi Questi obiettivi sono in contrasto tra loro... Es. se la CPU esegue un processo alla volta, riduciamo il tempo di esecuzione del processo, ma aumenta il tempo d'attesa e di esecuzione degli altri......è quindi necessario un compromesso, definendo i criteri di scelta di uno dei processi pronti da mandare in esecuzione ( schedulazione dei processi) 12

4 Deadlock o stallo (mi si è piantato il PC!) Gestione dei deadlock Molte risorse possono essere utilizzate da un solo processo alla volta CPU, stampanti, CD, scanner, ecc.: risorse esclusive Alcune di queste sono non prerilasciabili es.: la CPU sì, un masterizzatore di CD no! Spesso i processi hanno la necessità di utilizzare più di una risorsa es.: registrare su CD un documento acquisito da uno scanner Il deadlock si verifica quando si verifica un attesa circolare: un insieme di processi è in attesa di un insieme di risorse esclusive non prerilasciabili, tutte assegnate ad altri processi dell'insieme es. il processo A è in attesa del CD assegnato al processo B; il processo B è in attesa dello scanner, già assegnato al processo A Algoritmo dello struzzo si ignora il problema: in caso di deadlock, il viene riavviato è la soluzione più semplice, adatta per casi in cui il deadlock è molto raro Identificazione e risoluzione identificare un deadlock può essere complesso risoluzione: forzare il rilascio di una o più risorse, o eliminazione di processi (CTRL+ALT+CANC per visualizzare il Task Manager di Windows NT\2\XP) Prevenzione il SO tiene traccia dell'allocazione delle risorse e dei possibili stati di attesa circolare, impedendo che si verifichino è l'approccio più complesso 14 Un esempio con Windows XP Gestione della memoria centrale Ogni processo occupa una parte della memoria centrale 15 Problemi la memoria principale ha dimensioni ridotte: può contenere pochi processi bisogna evitare che un processo acceda a celle di memoria allocate ad altri processi (di altri utenti o del SO!) il programma associato ad ogni processo deve poter essere caricato a partire da un indirizzo qualsiasi, ma i programmi al loro interno devono fare riferimento ad indirizzi precisi (es.: operandi delle istruzioni)... 16

5 Tecniche di allocazione della memoria: allocazione contigua Ogni programma occupa una sequenza contigua di celle di memoria (area di memoria) Un nuovo programma viene allocato in una delle aree libere, se possibile Es.: si supponga che i primi 4 KB siano occupati dal SO, e che sia richiesta l'esecuzione di 5 processi utente, nell'ordine: Processo Memoria Tempo (ore) Word 6 KB 1 Excel 1 KB 5 3 KB 2 FNaF 7 KB 8 Int. Explorer 5 KB 15 (cont.) 17 Esempio di allocazione contigua 4 K 1 K 2 K 23 K 4 K 1 K 2 K 23 K 4 K 1 K 17 K 2 K 23 K Word Word Word Excel 4 K 1 K 2 K 23 K 23 K 4 K 9 K 1 K 2 K Excel termina alloca FNaF Word termina alloca I.E. Internet Explorer 18 Problemi con allocazione contigua Frammentazione: possono esistere tante aree di memoria libere, nessuna in grado di contenere un intero processo Compattamento Raggruppare le aree libere in un unica più ampia potrebbe richiedere molto tempo Deframmentazione Le aree occupate vengono riallocate in modo contiguo Alternativa: Allocazione non contigua 4 K 9 K 1 K 2 K 23 K Prima Internet Explorer 4 K 9 K Dopo Internet Explorer 19 Paginazione e segmentazione Tecniche di allocazione non contigua Paginazione la memoria è divisa in blocchi i programmi sono divisi in pagine pagine e blocchi hanno tutti uguale dimensione le pagine di uno stesso programma possono occupare blocchi di memoria non contigui Il Sistema Operativo tiene traccia delle pagine fisiche allocate attraverso una Page Map Table assegnata ad ogni processo Segmentazione i programmi vengono divisi in segmenti di lunghezza anche diversa, che possono essere caricati in aree di memoria non contigue 2

6 Un esempio di paginazione Word Memoria fisica Pagina Sis. Op. Blocco 1 Pagina 2 Blocco 2 Pagina 3 Blocco 3 Blocco 4 Excel Blocco 5 Pagina Blocco 6 Blocco 7 21 Gestione della memoria virtuale Questo permette di far eseguire programmi che occupano uno spazio di memoria superiore a quello disponibile in primaria A livello del Sistema Operativo, la virtualizzazione della memoria viene gestita utilizzando la paginazione su richiesta Si carica la pagina in memoria centrale solo quando serve Swapping Quando tutti i blocchi della memoria centrale sono occupati, occorre applicare opportune politiche di thrashing : Quale pagina in memoria centrale deve essere rimpiazzata da quella da allocare? Es. posso sostituire la pagina che è stata meno frequentemente chiamata in un certo lasso di tempo (Least Frequently Used), o più semplicemente applicare un algoritmo a rotazione (First In First Out, come per le code di processi) 22 Esempio di paginazione su richiesta Word Pagina Pagina 2 Pagina 3 Excel Pagina Deallocato non serve Memoria fisica Sis. Op. Blocco 1 Blocco 2 Blocco 3 Blocco 4 Blocco 5 Blocco 6 Blocco 7 richiede allocazione pagina Pagina Allocata su blocco libero 23 Gestione del file system Organizzazione di dati e programmi in memoria secondaria: indipendente dal dispositivo fisico (nastri, dischi magnetici e ottici, ecc.) unità di memorizzazione: file i file sono organizzati in strutture gerarchiche ad albero: directory File qualsiasi dato o programma si trova all'interno di un file proprietà dei file: nome (lo distingue dai file all'interno della stessa directory) attributi (proprietario, permessi di accesso, tipo, dimensioni, data di creazione e modifica, ecc.) 24

7 Gestione del file system (cont.) Directory struttura che può contenere un numero arbitrario di file e altre directory la directory a livello più alto è detta root (radice) due tipi: directory di : contengono i programmi e i dati del SO dirtectory utente: contengono applicazioni e dati degli utenti proprietà: Nome. Estensione Nome: 8 caratteri; Estensione: 3 caratteri Vincoli non presenti nei SO più moderni (XP, MacOSX) tributi (proprietario, permessi di accesso, ecc.) 25 Esempio di organizzazione del file system Root utenti programmi progetti mario ugo piero Tesi.doc Testo.txt Tabella.xls foto programmi Ogni file e directory è identificato univocamente dal path name, che include l'intero cammino dalla directory radice. Es. (notazione Windows): \Root\utenti\ugo\Testo.txt \Root\utenti\mario\Tesi.doc File e directory contenuti in directory diverse possono avere lo stesso nome In Windows la cartella root corrisponde alla cartella Desktop 26 Operazioni su file e directory Interfacce utente-macchina: la shell Il SO mette a disposizione degli utenti (attraverso l'interprete dei comandi) e delle applicazioni (chiamate di ) un insieme di operazioni su file e directory creazione di file e directory nella directory corrente elenco del contenuto della directory corrente cambiamento della directory corrente copia, cancellazione e ridenominazione apertura di un file (esecuzione o visualizzazione) modifica dei permessi Ogni operazione può essere eseguita solo se si dispone dei permessi necessari 27 28

8 Interfacce grafiche Per saperne di più Il Sistema Operativo Ceri, et al., Capitolo