Software e Sistema Operativo

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1 Software e Sistema Operativo Riferimenti: Curtin cap. 6 Console cap. 4-5 Queste slides sono un adattamento di quelle di Luca Anselma, cui va il mio ringraziamento 1

2 Il Software L hardware da solo è soltanto un insieme di ferro, plastica e silicio e non è sufficiente per il funzionamento dell elaboratore Occorre utilizzare il software: un insieme di programmi che permettono di trasformare un insieme di circuiti elettronici in un oggetto in grado di svolgere funzioni di varia natura I computer sono programmabili: possono svolgere compiti diversi in base a istruzioni contenute nei programmi

3 Il Software L utilizzo diretto dell hardware è complicato: l utente dovrebbe sapere programmare il programmatore dovrebbe conoscere l hardware e il relativo linguaggio macchina ogni programma dovrebbe essere scritto come sequenza di bit modifiche hardware richiederebbero la riscrittura (parziale) del programma Non accettabile! 3

4 Il Software Occorre fornire all utente un meccanismo per: astrarre dall organizzazione fisica per: usare nello stesso modo (o in modo simile) macchine (hardware) diverse avere un semplice linguaggio di interazione avere un insieme di programmi applicativi per svolgere diversi compiti: elaborare testi, navigare in Internet, ecc. 4

5 Il Software I computer moderni raggiungono questi obiettivi mediante la definizione di macchine virtuali realizzate al di sopra della macchina hardware reale Utente HW macchina virtuale 5

6 Macchine virtuali La macchina virtuale: consiste in un livello software creato sull hardware fornisce le funzionalità desiderate ed è facile da utilizzare è virtuale in quanto non esiste fisicamente, ma viene realizzata mediante il software (sistema operativo o software di base) 6

7 Macchine virtuali L'utente interagisce con la macchina virtuale con un linguaggio ad alto livello (interfaccia grafica/testuale) La macchina virtuale traduce ogni comando ad alto livello nell'opportuna serie di comandi per l hardware: astrazione Utente linguaggio ad alto livello HW linguaggio macchina macchina virtuale 7

8 Il sistema operativo Sistema Operativo: insieme di programmi che interagiscono e cooperano tra di loro per: gestire efficientemente il computer e le sue periferiche creare un ambiente virtuale per facilitare l'interazione uomo-macchina 8

9 Il sistema operativo Esempio: stampa di un file che si chiama Documento! A livello fisico questa operazione è complessa e richiede operazioni coordinate dalla CPU! Per fortuna, il s.o. fornisce all'utente un comando di stampa: print Documento 9

10 Il sistema operativo Utente medesimo linguaggio ad alto livello Utente HW1 macchina virtuale 1 diversi linguaggi macchina HW2 macchina virtuale 2 Macchine fisiche diverse possono essere utilizzate in modo simile costruendo al di sopra macchine virtuali Ogni m. v. fornisce il medesimo linguaggio ad alto livello e traduce i comandi in modo diverso, in funzione del tipo di hardware 11

11 Struttura a livelli del s.o. Il s.o. ha una struttura a cipolla, ogni livello: astrae il livello inferiore, nascondendone la complessità e fornisce servizi al livello superiore In questo modo si può usare il computer senza conoscere i dettagli dei dispositivi elettronici 12

12 Struttura a livelli del s.o. Il s.o. ha una struttura a cipolla, ogni livello: astrae il livello inferiore, nascondendone la complessità e fornisce servizi al livello superiore In questo modo si può usare il computer senza conoscere i dettagli dei dispositivi elettronici hardware kernel: gestione del processore, della memoria, dei dispositivi di I/O 12

13 S.O. e dispositivi di I/O Ogni dispositivo di I/O collegato al computer è gestito da un modulo del s.o. chiamato driver Ogni volta che si aggiunge un nuovo dispositivo, si deve installare il driver corrispondente all interno del s.o. Nota: Plug&Play kernel driver printer driver video driver modem 13

14 Funzioni svolte dal sistema operativo (1) Accensione e configurazione della macchina (bootstrap) Gestione del processore Gestione della memoria (principale e virtuale) Linguaggio ad alto livello per l interazione con l utente Gestione e accesso alle informazioni su memoria secondaria (File system) 14

15 Funzioni svolte dal sistema operativo (2) Gestione e uso ottimale delle risorse di input/output (dischi, stampanti, ) Supporto per la comunicazione tra elaboratori Supporto per i programmi applicativi (installazione, accesso alle risorse di sistema) Ambienti di programmazione (ad es. Java, C++, Basic, COBOL) 15

17 Il bootstrap Bootstrap = Avvio dell elaboratore Primo problema: La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale RAM volatile! vuota quando si accende il computer Come fare? Prima soluzione: Mettere i programmi in memoria secondaria 17

18 Il bootstrap Secondo problema: Per caricare i programmi da memoria secondaria usiamo il file system (cioè il sistema operativo) Ma il s.o. risiede in RAM! RAM volatile! vuota quando si accende il computer Come fare? Seconda soluzione: Usiamo un piccolo programma (BIOS), molto semplice, che ha il compito di caricare (la prima parte de) il s.o. da memoria secondaria 18

19 Il bootstrap Terzo problema: La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale RAM volatile! vuota quando si accende il computer Come fare? Terza soluzione: Memorizziamo il BIOS in una parte della memoria principale non volatile: la ROM 19

20 Il bootstrap Dubbio: Non possiamo memorizzare direttamente il s.o. in ROM? Risposta: No, perché la ROM è a sola lettura: ha senso memorizzarvi esclusivamente programmi/dati che non è necessario cambiare Applicativi e s.o. devono potere essere variati e aggiornati (upgrade, patch, ) 20

21 Riassumendo: Il bootstrap Bootstrap: all accensione della macchina, un programma (il BIOS) in ROM cerca sulla memoria secondaria il s.o. e ne carica una parte in RAM 21

22 Il bootstrap Ordine tipico di ricerca: 1. Floppy disk 2. CD/DVD 3. Hard Disk Questo ordine è utile per installare un s.o. o per live cd (un live cd contiene un s.o. che non necessita di installazione su hard disk) 22

23 Avvio dell elaboratore In seguito, viene caricata la prima parte del s.o. 23

24 Avvio dell elaboratore La prima parte del s.o. che viene caricata comprende (in generale): i programmi per gestire processi e CPU i programmi per gestire la memoria i programmi per gestire periferiche e I/O i programmi per gestire il File System il programma che crea l'interfaccia (grafica o testuale) utente 24

25 Avvio dell elaboratore Parte dei programmi del s.o. devono essere mantenuti sempre in RAM per essere sempre pronti per l esecuzione! una porzione della RAM è riservata a programmi e dati del s.o. 25

26 Avvio dell elaboratore: l I/O All avvio, vengono identificati tutti i dispositivi di memoria secondaria e tutte le periferiche e vengono avviati i relativi programmi di gestione (driver) Alcuni sistemi verificano anche lo stato delle risorse hardware, per esempio lo stato dei dischi (presenza di errori nel file system?) 26

28 Multitasking I moderni s.o. sono multitasking, cioè è possibile eseguire più programmi allo stesso tempo (ad es. scaricare un file mentre si scrive un documento) Problema: spesso gli elaboratori hanno una unica CPU. Come possono eseguire più programmi contemporaneamente? Soluzione: il s.o. alterna i programmi assegnando la CPU a turno! " 1. In ogni istante un solo programma è eseguito dalla CPU 2. Se l alternanza è frequente, si ha l impressione che i programmi vengano eseguiti contemporaneamente 28

29 Processi (esercizio) Windows XP è multitasking: per visualizzare i processi premere contemporaneamente i tasti Ctrl+Alt+Canc e andare su Task Manager (o Gestione attività) /Processi processo = programma in esecuzione 29

30 Processi I dispositivi di I/O sono molto più lenti della CPU Problema: cosa succede se un processo effettua un istruzione di I/O? La CPU rimarrebbe inattiva fino a che il dispositivo non ha terminato! inefficienza! Soluzione: multitasking Il S.O. assegna la CPU a un altro processo e la restituisce al primo quando l I/O è terminato 30

31 Processi Un processo può trovarsi in uno dei tre stati: in esecuzione, cioè è in esecuzione nella CPU (! max un processo in esecuzione per ogni CPU) in attesa, cioè attende che un operazione di I/O termini (o qualche altro evento esterno si verifichi) pronto, cioè può andare in esecuzione, ma la CPU è occupata ad eseguire un altro processo selezionato dal s.o. pronto in esecuzione I/O terminato o risorsa disponibile interrotto per lasciare la CPU a un altro processo in attesa richiesta I/O o risorsa 31

32 Processi Il s.o. ha il compito di scegliere quale tra i processi pronti mandare in esecuzione in modo da usare l elaboratore in modo efficiente (no sprechi) ed efficace (per es. con tempi di attesa limitati) 32

33 Processi (esercizio) Task Manager (o Gestione attività) (Ctrl+Alt+Canc) frazione di tempo che un processo trascorre in esecuzione nella CPU 33

35 Memoria virtuale Problema: Come eseguire programmi e usare dati più grandi della memoria principale (memoria fisica)? 35

36 Memoria virtuale Tecnica di gestione della memoria utilizzata da tutti i sistemi operativi moderni Permette di fare credere ai singoli programmi di avere a disposizione una quantità di memoria più grande di quella effettivamente installata e contigua 36

37 Memoria virtuale Non è necessario mantenere sempre in memoria tutti i programmi in esecuzione Le parti (pagine) dei programmi usate meno spesso vengono spostate su hard disk 37

38 Memoria virtuale Le pagine vengono riportate in memoria quando servono nuovamente, eventualmente spostandone altre su disco 38

39 Memoria virtuale Il s.o. traduce automaticamente gli indirizzi virtuali (usati dalle applicazioni) in indirizzi fisici memoria virtuale RAM altri programmi hard disk 39

40 Memoria virtuale (esercizio) 1. Start / Risorse del computer 2. C: 3. Visualizzare i file nascosti (Strumenti / Opzioni cartella / Visualizzazione / Visualizza cartelle e file nascosti) 4. pagefile.sys è il file di paging file di paging: la parte dell hard disk dedicata alla memoria virtuale 40

41 Memoria virtuale (esercizio) Task Manager (Ctrl+Alt+Canc) / Prestazioni RAM (512 MB) memoria virtuale usata dal S.O. e dalle applicazioni (Totale) e massima utilizzabile (Limite), cioè RAM + file di paging 41

42 Memoria virtuale Cosa succede se si utilizza frequentemente una quantità di memoria virtuale molto più grande della memoria fisica? Thrashing (con la h, to thrash = dimenarsi): il s.o. impiega più tempo a trasferire le pagine da e su disco che a effettuare lavoro utile Sintomo: l hard disk viene usato intensamente e il computer è inutilizzabile Soluzione: Aumentare la quantità di RAM oppure usare meno programmi contemporaneamente 42

43 Memoria virtuale Dato che la RAM è molto più veloce dell hard disk, aumentare la quantità di RAM può migliorare le prestazioni del computer, perché il s.o. dovrà fare ricorso meno frequentemente all hard disk per implementare la memoria virtuale 43

45 Il sistema operativo Due tipi di interazione utente/sistema operativo: interazione testuale MS-DOS, Mac OS X, Linux interazione grafica Mac OS X, Linux Windows 45

46 Interazione testuale Basata su comandi scritti tramite tastiera L interfaccia è più rapida da usare per utenti esperti Richiede poca memoria principale Script (programmi costituiti da comandi) Molto usata nei sistemi Unix-like 46

47 Interazione testuale (esercizio) Start/Programmi/Accessori/Prompt dei comandi Scrivere dir e premere Invio per visualizzare il contenuto della home directory 47

48 Interazione grafica Basata su interfacce grafiche che presentano funzionalità comuni ai programmi sono associate finestre interazione point and click tecnologia WYSIWYG (What You See Is What You Get) comandi uniformi: es. Cancellare oggetto taglia, Copiare oggetto copia l oggetto può essere testo, file, immagini, 48

49 Interazione grafica Concetti principali finestra icona menu menu item pop-up menu (menu a tendina) button (pulsante) 49

51 Il File System File System: parte del S.O. che si occupa di gestire e strutturare le informazioni memorizzate su supporti di memoria secondaria (ad es. su hard disk, CD, DVD ) Operazioni di base supportate dal File System sui dati memorizzati: lettura/ scrittura, cancellazione, modifica, copia 51

52 Il File System I dati della memoria secondaria vengono strutturati e gestiti mediante l organizzazione in file I file sono utilizzati per la memorizzazione di programmi (del sistema, dell utente) dati 52

53 Il File System Si può immaginare il disco fisso come un quaderno con tante pagine su cui l utente scrive varie relazioni (file) Si noti che: quando si cancella un file, rimangono pagine vuote quando si modifica un file, la nuova versione potrebbe essere più corta o più lunga: se più corta: rimangono pagine vuote Come risolvere questi problemi? 53

54 Il File System Soluzione: utilizzo di un indice: le pagine vengono numerate (come per i libri) l indice contiene - nell ordine - i numeri delle pagine dei file Vantaggi: le pagine possono essere aggiunte, spostate, cancellate senza sprechi di spazio, senza limitazioni di dimensioni dei file (basta avere pagine libere) 54

55 Il File System L indice è memorizzato sul dispositivo di mem. secondaria Contiene i nomi dei file e le pagine (cluster) associate L utente può conoscere i nomi dei file memorizzati leggendo l indice Il file system usa l indice per: reperire i cluster che compongono i file e trovare lo spazio libero per nuovi file 55

56 Il File System Esempio: indice disco fisso Nota: anche l indice è su disco fisso 56

57 Il File System Esempio: 1. crea 57

58 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2 1. crea 58

59 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2 2. crea file 2 59

60 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2 Esempio: file 2: cluster 3 2. crea file 2 file 2 60

61 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2 Esempio: file 2: cluster 3 3. modifica (più lungo) file 2 61

62 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3 3. modifica (più lungo) file 2 62

63 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3 4. modifica file 2 (più lungo) file 2 63

64 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 4. modifica file 2 (più lungo) file 2 file 2 64

65 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 5. crea file 3 file 2 file 2 65

66 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 5. crea file 3 file 3: cluster 6, 7 file 2 file 2 file 3 file 3 66

67 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 6. crea file 4 file 3: cluster 6, 7 file 2 file 2 file 3 file 3 67

68 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 6. crea file 4 file 3: cluster 6, 7 file 4: cluster 8, 9 file 4 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 68

69 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 7. cancella file 3 file 3: cluster 6, 7 file 4: cluster 8, 9 file 4 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 69

70 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 file 3: cluster 6, 7 file 4: cluster 8, 9 7. cancella file 3 il file 3 viene eliminato solo dall indice; i cluster 6 e 7 verranno sovrascritti alla prima occasione file 4 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 70

71 Il File System Esempio: : cluster 0, 1, 2, 4 Esempio: file 2: cluster 3, 5 file 3: cluster 6, 7 file 4: cluster 8, 9 Notare la frammentazione: i cluster di alcuni file non sono contigui file 4 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 71

72 Il File System: esercizio Per deframmentare: Start / Programmi / Accessori / Utilità di sistema / Utilità di deframmentazione dischi 72

73 Il File System Il file system deve fornire una visione astratta dei file, consentendo all utente di: dare un nome ai file (filename) manipolare i file (operazioni): creare, cancellare, copiare, rinominare, modificare accedere alle informazioni indipendentemente dal supporto fisico (vedere file su hard disk e su CD allo stesso modo) strutturare i file (file con caratteristiche comuni possono essere raggruppati ) proteggere (da lettura, scrittura, cancellazione) i file di utenti diversi I moderni s.o. (es. Windows) forniscono queste funzionalità 73

74 Il File System Tutti i sistemi operativi forniscono i seguenti comandi per operare sui file: creazione cancellazione copia visualizzazione stampa lettura e modifica rinomina 74

75 Organizzazione gerarchica dei file Il numero di file memorizzati su disco può essere estremamente elevato Un unico contenitore di file è scomodo: per la ricerca di un file ( Chissà come si chiama? ) per la creazione di un nuovo file (non si possono avere due file con lo stesso nome) Il s.o. deve fornire all utente la possibilità di dare una struttura organizzata ai file Idea: raggruppare i file, consentendo all utente di seguire criteri di tipo logico 75

76 Organizzazione gerarchica dei file directory (o cartella): gruppo di file (e di altre directory) il s.o. mette a disposizione comandi per creare directory Nomi dei file locali alle directory ok avere file con lo stesso nome in directory diverse 76

77 Come chiamare file e I nomi di file in genere hanno due parti: nome: scelto dall utente, il sistema impone regole sulla lunghezza massima e sui caratteri usabili (ad es. non permessi i caratteri *,?, /, \, <, >, ) estensione: separata dal nome con., identifica il formato e/o l applicazione che lo ha creato image1.jpg : un file immagine in formato JPEG tesi.doc : un documento Word tabella.xls : un foglio Excel 77

78 Come chiamare file e Quando si rinomina un file, bisogna prestare attenzione all estensione, per non perdere l associazione all applicativo Se, ad es., dimentico l estensione.xls, Windows potrebbe non sapere più che il documento è un foglio elettronico e quale applicativo usare per aprire il file 78

79 Organizzazione gerarchica dei file 79

80 Organizzazione gerarchica dei file Struttura ad albero (rovesciato, come l albero genealogico) Corsi Inglese Francese Tedesco Spagnolo Appunti.txt Dispense.pdf Elab_imm coreldrw.exe Disco rimovibile (E:) Applicazioni Elab_suoni photopnt.exe radice Libri Appunti.txt Elab_testi Francese Inglese Italiano Winword.exe libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 80

81 Organizzazione gerarchica dei file Naming dei file: senza le directory, sarebbe sufficiente il nome per identificare un file con un organizzazione gerarchica a più livelli, non solo non è sufficiente il nome, ma neanche la directory in cui il file è contenuto. Infatti possono esistere file e directory diversi con lo stesso nome (se contenuti in directory diverse) Individuazione file o directory in modo univoco: sequenza di directory che lo contengono, dalla radice (pathname assoluto) 81

82 Organizzazione gerarchica dei file Esempi : il file libro1 in lingua italiana è identificato da E:\Libri\Italiano\libro1 la directory Inglese di Corsi è identificata da E:\Corsi\Inglese \ (backslash) è il separatore (in Unix, Linux e Mac OS X si usa / (slash)) Un file è identificato dal pathname 82

83 Organizzazione gerarchica dei file In alternativa, si può usare il concetto di posizione corrente: Per identificare un file o una directory (in modo univoco), si specifica la sequenza di directory che lo (la) contengono, a partire dalla posizione corrente 83

84 Organizzazione gerarchica dei file Corsi Inglese Francese Appunti.txt Dispense.pdf Tedesco Spagnolo Elab_imm coreldrw.exe Disco rimovibile (E:) Applicazioni posizione corrente Libri Appunti.txt Elab_suoni Elab_testi Francese Inglese Italiano photopnt.exe Winword.exe libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 84

85 Organizzazione gerarchica dei file Esempi : Posizione corrente: Libri; il file libro1 in lingua italiana è identificato da Italiano\libro1 85

86 Organizzazione gerarchica dei file Corsi Inglese Francese Appunti.txt Dispense.pdf posizione corrente Tedesco Spagnolo Elab_imm coreldrw.exe Disco rimovibile (E:) Applicazioni Elab_suoni photopnt.exe Elab_testi Winword.exe Libri Appunti.txt Francese Inglese Italiano libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 86

87 Organizzazione gerarchica dei file Esempi : Posizione corrente: Inglese; il file Dispense.pdf è identificato da Dispense.pdf Un file è identificato dal pathname relativo 87

88 Organizzazione gerarchica dei file Per organizzare gerarchicamente i file in directory e sottodirectory, il s.o. fornisce alcune operazioni. Per es.: creare una nuova directory cancellare una directory rinominare una directory elencare il contenuto (l insieme dei file e sottodirectory) di una directory spostare la directory stessa o parte del suo contenuto copiare il contenuto 88